外置式自适应节能管理系统的探究

仇国华，李金赐

（1.2.福建师范大学福清分校电子与信息工程系，福建福清350300）

外置式自适应节能管理系统的探究

仇国华1，李金赐2

（1.2.福建师范大学福清分校电子与信息工程系，福建福清350300）

文章通过分析电热水器的实际使用情况，探讨和研究一种外置式自适应节能管理系统。拟实现能够直接与加热设备联接；通过记忆其使用规律，结合被加热对象的温度、环境温度和设定温度值等参数，自动选择合适的提前加热时间；并能够在特殊需要时实现紧急加热响应；此外再融入远程控制等新技术手段，全方位地对加热设备进行智能化的节能管理。

外置；保温；节能；动态；智能管理

在全球范围内能源危机和环境保护问题日益严峻的同时，我国节能减排的压力也正在不断地增大，对产品的节能也提出了更高要求。中国家用电器协会发布的“十二五”规划发展建议中指出，要通过技术进步，挖掘潜力持续提高产品能效水平，深入开展家电产品节能和节水技术研究[1]。故而，现在市面上涌现出了很多高能效的环保产品，本文也正是在这一主题思想的指导下，探讨如何对生活中大量使用的加热设备进行节能管理改造，从而提高其能效值，在一定程度上实现节能诉求。

1 电热器具的使用现状

据相关数据统计，城镇家庭能源消耗主要集中在暖通以及热水供应这两部分，这两方面的能源消耗大约占到整体家庭能源消耗的70%以上。而据德国GFK市场研究公司对热水器市场的研究报告显示，消费者对热水器节能性的关注度高达89%，仅次于对安全性能的关注度[2]。这一点从福建师范大学福清分校师生对日常用电的反应也得到了验证，无论学生还是老师都对被收取的电费居高不下颇有微词。表1-1是福建师范大学福清分校某楼层男生6人间宿舍一年来的具体用电量，表格中不包含寒暑假数据，另外电量数据是每月人工抄录（现已改为插卡电表），抄录时间周期或有些许偏差，但总体上还是能反应生活用电的一些规律。

表1-1 学生宿舍用电

福建师范大学福清分校师生所使用的热水器基本都是储水式电热水器，其安全性能相对较好，能多路供水用于淋浴、洗漱，安装也较简单。从表1－1的数据可以看出，在不包含寒暑假的情况下，冬季的使用电量要比春秋季使用的更多，甚至超过一倍以上。从对应该表的电量变化趋势图当中看更加一目了然，如图1-1所示。经调查发现学生宿舍使用电器基本以电脑和电热水器为主（电热炊具禁用），电脑的使用基本为常态化，因此储水式电热水器的使用特性正是导致电费偏高，并且冬季宿舍的使用电量还要明显高于其他季节的主要原因。

图1-1 使用电量变化趋势图

从实际来看，其实冬季的用水量要比其他季节还更少一些，但福建师范大学福清分校地处具有冬冷夏热明显气候特征的华东地区，由于环境温度的差异性，电热水器的储水温度下降得更快，导致在设定温度一样的情况下，冬季热水器反复加热的次数也就要多一些，自热而然的冬季使用电量也就要比其他季节更多一些。保温状态下反复加热的耗能特性，必然导致电费居高不下，再加上冬夏季节电费呈现出明显的周期性波动，给人们带来感官上不正常印象也就不足为怪了。

2 电热器具的使用合理性

2.1 非智能型的合理使用

从目前大量使用的电热水器来看，主要有机械控制式和电子控制式两种类型。机械控制式温控器又有液涨式和双金属片式两种，都是通过机械调节动、静触点间距离来实现调温的，只是两种方式中的感温传感材料不同而已。而电子控制式则是借助热敏电阻和单片机构成。机械式控制的电热设备操作简单，使用较方便，但使用过程中远不如电子控制式来得直观和清晰；并且电子式控制的电热设备还具有一定的控制保护性能，因而在较长一段时间里得到大家的认可。

但在使用过程中它们耗能的特性是不可避免的，如若选择保温工作方式，即水温要维持在相对较高的设定值温度左右，那么热水器会出现反复加热的现象，尤其是在较长时间不使用热水的状态下，这种反复加热所消耗的电能是完全浪费的；如若选择人工控制方式，即在使用热水之前一段时间人工开启加热，那么反复加热的情况是不存在了，但等待加热的过程给人们的生活带来极大的不方便。这样的两种情况给人们带来了两难的麻烦，选择节能就享受不到保温方式带来的便利，选择保温就必须多浪费电能。这一点是这两种热水器都无法解决的问题。其实透过以上的分析可以发现，如果是较长时间不使用热水的情况，则应该尽可能地选择节能型人工控制方式；如果是经常使用热水，那还是选择保温型的工作方式，这样的使用应该是相对比较合理的。

现在，生活中出现了具有半温保温功能的电子式控制的电热水器，应该说这是上述两种情况的折中方案。在不使用热水时，选择设定温度值与环境温度的中间值来进行保温，使得电热器具反复加热的次数降低。当需要大量使用热水时，按下即时加热功能键，这样使得等待加热到设定值温度的时间要远短于原先的人工控制方式。这样的控制方式在一定程度上缓解了节能与使用方便之间的矛盾。

2.2 智能型的合理使用

针对电热水器、饮水机等此类加热设备的使用耗能特征，越来越多的科技成果正被运用到它们的制造中，譬如现在的热水器产品都是科技含量较高的现代化家电产品，最突出的是智能型技术在电热器具产品中的大量运用，如A.O.史密斯研制的AES自适应节能系统等。对于电热水器，节能主要是从三个途径入手，一是提高加热体的热效率，二是保温技术，三是通过技术手段尽量减少保温的能耗[2]。虽然大多厂家都投入了大量的技术力量进行新产品的节能开发，但都收效甚微。引用中国家用电器研究院副总工程师张亚晨的一句话：“现如今，逐渐发现再开发一款能让市场惊喜的型号不那么容易了；再发明一项能让竞争对手着急的新创意也不那么容易了。”[3]可是反过来，我们发现社会对正在使用中的，且不能达到优良节能效果的电热设备关注度显然不够，而这也是一个覆盖面很广的现实问题。为此，本文研究的系统旨在能对正使用、或者还将继续选用低价位电热水器等加热设备的用户，提供一种外置式、可直接对接的智能节电管理装置，从而在一定程度上能够比较灵活地实现节能功效。

前面所分析的半温保温功能在节能方面是具有一定的功效的，但要做到具有真正节能和方便这个两全其美的特性，还得采取更为人性化的控制理念。本文中所提的自适应节能管理系统是指对加热设备的动态化管理，即该管理系统能够根据使用者的使用习惯，在需要使用大量热水的时候，提前将保温水加热到使用者的设定温度值；在仅需要使用少量热水的时候，使热水器处于半温保温状态；如若出现较长时间没有使用热水的情况，那么就自动选择保温温度为某最低温度值使其停止加热，从而避免了在保温期间反复加热的耗能现象。这样的一种外置式自适应节能管理系统就是借助其智能化来克服加热设备使用过程中的耗能因素，因此这样的自适应性功能显然要比半温保温功能更加合理、更加节能。

3 电热器具的自适应系统

3.1 自适应系统原理

自适应性控制是一种适应性控制策略，是根据检测到的性能指标的变化，产生相应的反馈控制率，以消除这种变化，从而达到预定的控制目标[4]。在本系统中相对应的性能指标变化是指加热效率的变化、电源电压的波动等，在具体的设计中是否要消除此类影响要取决于具体的应用精度要求。而在本文中一开始就提到的自适应理念则是广义的自适应控制概念。回顾自动控制系统概念，就是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行[5]。那么这里的自适应系统应该是对应自动控制系统中的随动系统了。它的参据量（大量热水的使用时间）是预先未知的任意变化的函数，通过该节能装置的处理后，输出的被控量，即提前加热时间要以尽可能小的误差跟随参据量的变化。

该参量的确定还要与加热设备的实际水温、设定温度值及使用时间密切相关。如若使用者两次使用之间的间隔时间相对较短，以至于从保温温度开始加热所需的提前时间量大于或等于使用的间隔时间量，那么就必须在前一次使用热水时立即开启加热过程，从而确保满足使用者的使用要求。因此从实际水温加热到设定温度值的温差与时间之间的函数关系，是为线性关系还是非线性关系，还需在后续的设计制作中详细分析和验证。自适应节能管理系统的示意图如图3-1所示。

图3-1 自适应节能管理系统示意图

3.2 自适应系统设计

本系统的硬件系统主要包含测温、按键和大电流控制电路；软件系统主要是对实际水温、设定温度值和环境温度三者的记忆和自适应处理，充分利用目前微电子器件的最新成果和更人性化的控制理论来改善电热水器的性能和能效[6-8]。具体的内容将在另一篇《外置式节能管理系统的设计》中详细阐述，并且还将针对使用自适应系统与不使用自适应系统的能耗进行对比分析。

本设计中软件部分是核心，自适应控制中尤其需要注意的是，跟随使用者的使用习惯而改变的提前加热时间值，只能在下一个周期（如一周时间）中来响应，而下一周的使用习惯又将在再下一周的使用过程中实现自适应控制，就是数据记录满周期后将替换原先的自适应数据。如果出现较长时间（可调）不使用热水，系统应该将本周期的使用习惯记录忽略而不予更新，并且应该能够自适应地选择不再加热，直至唤醒重新开启工作。

4 结语

随着现在智能化技术的发展越来越成熟，以及节能减排思想的不断加强，最近几年，众多厂商对热水器等这一类加热设备的节能设计思想已经达成共识。一方面对原来电热水器不够节能的地方更新设计，如变容速热、AES自适应节能系统等技术；另一方面积极投入使用新的原理，如我国热水器的节能技术的五个方面：一是燃气冷凝技术，二是余热回收技术，三是空气源热泵技术，四是太阳能技术，五是家用热电联产装置，而对原有产品的节能技术支持甚少涉及[2]。由于从普通电子类控制加热设备过渡到智能化的现代家用产品，还有一段较长的时间。通过对家用电器的原理不断深入理解[9-10]，虽然是直接将电能转换为热能，效率相对来说较高，但由于热量散失严重，重复加热现象经常发生，由此导致的能量浪费也就显得较为严重。于是便产生了对原有的加热设备进行改进，本文研究这种外置式可直接对接的智能装置，将节能减排的技术及时应用到生活中来。而在设计中，虽然有些技术可以借鉴，但由于应用方式的不同，一些参数的获取就存在着较大的差异[11]。这些都需要在后期设计和制作中进行深入细致的研究，将参数的偏差值控制在很小范围之内，这样才能实现预期的研究目标，才能在能效评价体系中具有绝对的竞争力[12]。

[1]法沛.热水器行业面临节能技术的重大变革[J].中华工商时报，2011(3).

[2]宋佳楠.节能热水器引领家电低碳新革命[J].家电科技，2011(4).

[3]张亚晨.电热水器的创新之路在何方[J].家电科技，2012(12).

[4]韩正之，陈彭年，陈树中.自适应控制[M].北京：清华大学出版社，2011:1-6.

[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：国防工业出版社，2013:1-13.

[6]葛丰亮，杜鑫.电热水器控制电路的设计[J].家电科技，2013(8).

[7]潘彩霞.基于AVR单片机的家用电热水器智能温度控制器设计[J].中国制造业信息化：学术版，2012(10).

[8]翟敏焕.基于单片机的即热式电热水器控制系统的设计[J].现代计算机，2012(11).

[9]肖祖铭.家用电器原理与维修[M].北京：北京师范大学出版社，2011.

[10]蒋治国.现代家电原理与维修[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[11]陈卿,侯薇.家电控制与检测用集成电路[M].北京：中国计量出版社，2005:8.

[12]GB21519-2008.储水式电热水器能效限定值及能效等级.2008.

Analysis of an External Self-adapting Energy-saving M anagement System

Qiu Guohua1，Li jinci2
（1.2.Department of Electronic and Information Engineering,Fuqing Campus of Fujian Normal University,Fuqing 350300,China）

This paper,by analyzing the actual usages of electrical water heaters,researches and explores an external selfadapting energy-saving monitoring system,which is designed to directly connected with a heating equipment and to be able to automatically choose a pre-heating time span by memorizing the usage pattern of the said equipment and taking into account the parameters in terms of temperatures of the heated substances,surroundings and pre-set temperatures,etc.Also,it is to be ablemake emergency response.Meanwhile,by being integrated with such technology as remote control,it will be able to execute 24-hour intelligent energy-savingmanagementof heating equipments.

external;heat reservation;dynamic;intelligentmanagement

TM571.6

A

1673-8535（2013）06-0014-05

仇国华（1976-），男，江苏南通人，福建师范大学福清分校电子与信息工程系讲师，硕士，研究方向：工业自动化及电子信息技术。

李金赐（1965-），男，福建莆田人，福建师范大学福清分校电子与信息工程系副教授，硕士，研究方向：电子信息技术。

（责任编辑：覃华巧）

2013-09-18

福建省教育厅B类项目（JB11258）