碳纖維電地暖智能溫控及蓄能系統(tǒng)的應(yīng)用

李翠環(huán)

蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000

0 引言

相較其他金屬及合金形式的發(fā)熱電纜，碳纖維地暖中所應(yīng)用的發(fā)熱電纜具有良好的節(jié)能效果，同時實現(xiàn)了電磁輻射的顯著降低，可在滿足用戶供暖需求、提升舒適度的基礎(chǔ)上顯著減少電磁輻射對人體的傷害。通常情況下，電地暖系統(tǒng)屬于全天候供暖形式，在供暖過程中，溫度控制非常重要。只有做好溫度控制，才可以有效防止供暖過度所導(dǎo)致的資源浪費及供暖不足對用戶舒適度的不良影響。因此，在碳纖維電地暖的設(shè)計與研究中，技術(shù)人員一定要加強其智能溫控和儲能系統(tǒng)的應(yīng)用研究，確保此類電地暖的應(yīng)用效果，在滿足用戶實際供暖需求的同時，實現(xiàn)資源的最大化節(jié)約，以達到良好的節(jié)能環(huán)保效果，并充分保障用戶經(jīng)濟效益。

1 碳纖維電地暖系統(tǒng)及其應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 碳纖維電地暖系統(tǒng)概述

碳纖維電地暖的主要組成物質(zhì)是碳纖維分子，其比表面積十分發(fā)達，微孔徑十分豐富。在具體應(yīng)用中，電力從碳纖維分子中通過，進而引起碳纖維分子的活動振蕩，在其活動振蕩過程中會產(chǎn)生布朗運動，進而實現(xiàn)熱量的獲取。在這種供暖方式中，其熱量傳播的方式有三種，分別為熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。

1.2 碳纖維電地暖的主要應(yīng)用優(yōu)勢

在碳纖維電地暖中含有大量的碳纖維晶體，它們會在電場作用下互相摩擦和振蕩，這種摩擦和振蕩也叫作布朗運動。在此過程中將會有大量的熱量產(chǎn)生，進而讓電能轉(zhuǎn)化為勢能。經(jīng)大量的實驗分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維晶體所具有的電熱轉(zhuǎn)換率可以超過98%，相較普通的鎳鉻合金電熱絲，其能耗可節(jié)約20%。

如果室內(nèi)的風(fēng)速在0.05 m/s以下，其輻射溫度變化的平均值為1 ℃左右，對人體熱感覺所產(chǎn)生的影響基本可保持一致。因為碳纖維電地暖中產(chǎn)生的遠紅外具有較高的輻射溫度，且會在室內(nèi)沿著高度方向均勻分布，具有很大的溫度梯度，在人感覺到室內(nèi)各個位置溫度都相同的情況下，可有效降低房間內(nèi)的熱負荷。相較傳統(tǒng)形式的對流散熱器供暖系統(tǒng)，碳纖維電地暖可在達到同等體感效果的基礎(chǔ)上降低2～3 ℃的溫度[1]。

在傳統(tǒng)形式的水暖對流散熱器供暖系統(tǒng)中，若要確保室內(nèi)的供暖效果，其水溫需要達到80～95 ℃。為了達到這一標準，在具體應(yīng)用中就需要耗費很多的能源。在碳纖維電地暖的應(yīng)用中，因為其應(yīng)用的是低溫輻射技術(shù)，所以只需要將底板加熱到25～30 ℃便可達到良好的供暖效果。因此，相較傳統(tǒng)的供暖方式，碳纖維電地暖這種供熱方式更具節(jié)能效果，且供熱更加均勻，室內(nèi)舒適性更佳。

2 碳纖維電地暖智能溫控與蓄能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

在碳纖維電地暖的應(yīng)用過程中，其智能溫度和蓄能系統(tǒng)是實現(xiàn)電地暖溫度調(diào)節(jié)與節(jié)能效果保障的關(guān)鍵。因此，在該系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中，相關(guān)人員一定要充分了解其關(guān)鍵技術(shù)，并使其技術(shù)優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，確保碳纖維電地暖的應(yīng)用效果。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

碳纖維電地暖智能溫控和蓄能系統(tǒng)主要由兩部分組成：PID模糊溫度控制器和碳纖維形式的發(fā)熱電纜。在具體設(shè)計中，借助導(dǎo)線將PID模糊溫度控制器連接在碳纖維形式的發(fā)熱電纜上。在通電之后，碳纖維形式的電纜便開始加熱，此時，相應(yīng)的加熱指示燈亮起，進而為住戶發(fā)出加熱提醒。在此過程中，住戶可以按照自己的實際需求對室內(nèi)溫度值進行設(shè)置，同時可以借助顯示屏對溫度傳感器中的實時溫度測量情況進行了解。在室內(nèi)溫度加熱到了住戶設(shè)定好的溫度值之后，住戶可借助溫度控制器來降低電地暖運行功率，這樣便可讓室內(nèi)的溫度保持恒定[2]。如果住戶感覺室內(nèi)不夠暖，也可以借助溫度控制器提高電地暖運行功率，以達到繼續(xù)加熱的效果，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的合理控制。

通過這種控制方式的合理應(yīng)用，可讓用戶對室內(nèi)供暖的個性化需求得到全面滿足，避免集中供暖時溫度過高或者溫度過低對用戶體感舒適度的不利影響。同時，因為這種采暖方式與傳統(tǒng)形式的集中供暖不同，其計費方式也不是統(tǒng)一繳費，僅繳納電費即可。這樣的方式可以進一步增強用戶的節(jié)能意識，達到良好的電能節(jié)約效果。

2.2 PID模糊溫度控制器的應(yīng)用

在該智能溫度控制和儲能系統(tǒng)中，PID模糊溫度控制器的主要工作原理是通過串聯(lián)在碳纖維電地暖上的電能表及發(fā)熱電纜周圍設(shè)置的溫度測量裝置來進行相應(yīng)參數(shù)的實時測定，然后借助信號轉(zhuǎn)換器將測定的信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過PID模糊溫度控制器對其進行處理。通過這樣的方式，可讓電能得到合理的分配和控制。在具體應(yīng)用中，該智能系統(tǒng)會對來自信號轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱電纜溫度實時測量值和用戶設(shè)定好的溫度值進行對比，這樣便可得到兩者之間的偏差值e，和這個偏差值隨著時間推移所產(chǎn)生的變化值ec，將這兩個值同時輸入PID溫度模糊控制器中，借助該控制器對其進行模糊處理，再將模糊處理規(guī)則作為依據(jù)，對PID模糊溫度控制器中的Kp（比例調(diào)節(jié)系數(shù)）、Ki（積分調(diào)節(jié)系數(shù)）、Kd（微分調(diào)節(jié)系數(shù)）進行合理調(diào)整，讓不同的偏差e以偏差增值ec更好地滿足PID的不同參數(shù)要求，這樣就可以有效克服碳纖維電地暖中的發(fā)熱電纜電能輸出及發(fā)熱功率方面的偏差。碳纖維電地暖智能溫控與蓄能系統(tǒng)中的PID模糊溫度控制器控制流程示意圖如圖1所示。相較傳統(tǒng)形式的PID控制器，PID模糊溫度控制器實現(xiàn)了PID溫度控制器與模糊控制算法的良好結(jié)合，它不僅具備了傳統(tǒng)PID控制器中算法的實用性，同時具備了模糊控制算法的智能性，可有效克服傳統(tǒng)PID控制器應(yīng)用中的靜態(tài)性能與動態(tài)性能不能同時計算的弊端，同時有效補充了模糊控制單獨應(yīng)用中的靜態(tài)誤差[3]。因此，通過PID模糊溫度控制器的良好應(yīng)用，可有效實現(xiàn)碳纖維電地暖系統(tǒng)的耦合性、時變性及非線性控制。

圖1 PID模糊溫度控制器控制流程示意圖

2.3 Kp、Ki、Kd參數(shù)的模糊規(guī)則設(shè)計

（1）在PID模糊溫度控制器的具體應(yīng)用過程中，Kp參數(shù)的大小將會對其溫度控制系統(tǒng)本身的響應(yīng)速度起到?jīng)Q定性作用，通常情況下，如果適當調(diào)大Kp值，便可讓溫度控制系統(tǒng)更快響應(yīng)；如果調(diào)小Kp值，便可以讓溫度控制系統(tǒng)減緩響應(yīng)，進而對溫度監(jiān)測的精準度及溫度控制的及時性產(chǎn)生直接影響。基于此，在對該智能系統(tǒng)進行初期設(shè)計的階段，就需要適當調(diào)大Kp值，以讓溫度控制系統(tǒng)具有良好的初始響應(yīng)速度。在該系統(tǒng)的不斷運行過程中，則需要將Kp值適當調(diào)小，這樣可有效避免因Kp值過大而導(dǎo)致的超調(diào)現(xiàn)象或者穩(wěn)定性降低問題[4]。在對溫度控制系統(tǒng)進行調(diào)整的后期階段，需要再一次將Kp值加調(diào)，以實現(xiàn)靜差的有效降低和控制精度的良好保障。

（2）由于非線性及飽和等方面的原因，在通過溫度控制系統(tǒng)進行初期控制的階段，經(jīng)常會出現(xiàn)Ki飽和的情況，進而在系統(tǒng)中出現(xiàn)很大的超調(diào)量，這與Ki消除穩(wěn)態(tài)偏差的目的十分不符。基于此，在開始對溫度控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)的階段，可適當調(diào)小Ki值，或者直接將其做調(diào)零處理，這樣便可有效避免Ki飽和對系統(tǒng)控制的不利影響。但是在中期的系統(tǒng)調(diào)節(jié)階段，則需要適當調(diào)大Ki值，并使其在一定程度上保持穩(wěn)定，這樣才可以確保溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在對系統(tǒng)進行后期調(diào)節(jié)的過程中，為了實現(xiàn)靜差的有效降低，還需要適當調(diào)小Ki值。

（3）Kd對碳纖維電地暖中整個溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定特征具有決定性作用，在發(fā)熱電纜實際溫度和用戶的溫度設(shè)計值偏差處于動態(tài)變化的情況下，通過合理調(diào)節(jié)Kd值，可及時反映信號轉(zhuǎn)換器中傳回的信號及其變化趨勢。如果出現(xiàn)了較大的偏差變化，溫度控制系統(tǒng)中的Kd值便會及時將一個相應(yīng)的修正信號引入溫度控制系統(tǒng)中，以此提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有效縮短調(diào)整時間。通過實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，在對系統(tǒng)進行初期調(diào)整的階段中，可適當調(diào)大Kd值，這樣可有效避免超調(diào)現(xiàn)象產(chǎn)生[5]；在系統(tǒng)中間調(diào)節(jié)階段，則需要適當調(diào)小Kd值，并使其保持固定；在對控制系統(tǒng)進行調(diào)整的后期階段，則需要通過適當調(diào)小Kd值來實現(xiàn)被控過程中制動效果的削弱，進而為溫度控制系統(tǒng)初期調(diào)節(jié)階段的用時過長問題提供有效補償。

3 結(jié)束語

綜上所述，碳纖維電地毯憑借其結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、體感舒適度高、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟效益高等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)在當今的室內(nèi)供暖中得到了廣泛應(yīng)用。在此類電地暖的應(yīng)用過程中，智能溫控和儲能系統(tǒng)所發(fā)揮的作用至關(guān)重要。通過該系統(tǒng)的合理設(shè)計與應(yīng)用，可以讓碳纖維電地暖的加熱溫度得到良好控制。因此，設(shè)計者和用戶都應(yīng)該加強該智能系統(tǒng)的應(yīng)用研究，通過總體系統(tǒng)的合理設(shè)計、PID溫度模糊控制器的合理應(yīng)用及Kp、Ki和Kd值的良好控制來確保碳纖維電地暖的應(yīng)用效果。