碳纤维电地暖智能温控及蓄能系统的应用

李翠环

兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730000

0 引言

相较其他金属及合金形式的发热电缆，碳纤维地暖中所应用的发热电缆具有良好的节能效果，同时实现了电磁辐射的显著降低，可在满足用户供暖需求、提升舒适度的基础上显著减少电磁辐射对人体的伤害。通常情况下，电地暖系统属于全天候供暖形式，在供暖过程中，温度控制非常重要。只有做好温度控制，才可以有效防止供暖过度所导致的资源浪费及供暖不足对用户舒适度的不良影响。因此，在碳纤维电地暖的设计与研究中，技术人员一定要加强其智能温控和储能系统的应用研究，确保此类电地暖的应用效果，在满足用户实际供暖需求的同时，实现资源的最大化节约，以达到良好的节能环保效果，并充分保障用户经济效益。

1 碳纤维电地暖系统及其应用优势

1.1 碳纤维电地暖系统概述

碳纤维电地暖的主要组成物质是碳纤维分子，其比表面积十分发达，微孔径十分丰富。在具体应用中，电力从碳纤维分子中通过，进而引起碳纤维分子的活动振荡，在其活动振荡过程中会产生布朗运动，进而实现热量的获取。在这种供暖方式中，其热量传播的方式有三种，分别为热传导、热对流、热辐射。

1.2 碳纤维电地暖的主要应用优势

在碳纤维电地暖中含有大量的碳纤维晶体，它们会在电场作用下互相摩擦和振荡，这种摩擦和振荡也叫作布朗运动。在此过程中将会有大量的热量产生，进而让电能转化为势能。经大量的实验分析发现，碳纤维晶体所具有的电热转换率可以超过98%，相较普通的镍铬合金电热丝，其能耗可节约20%。

如果室内的风速在0.05 m/s以下，其辐射温度变化的平均值为1 ℃左右，对人体热感觉所产生的影响基本可保持一致。因为碳纤维电地暖中产生的远红外具有较高的辐射温度，且会在室内沿着高度方向均匀分布，具有很大的温度梯度，在人感觉到室内各个位置温度都相同的情况下，可有效降低房间内的热负荷。相较传统形式的对流散热器供暖系统，碳纤维电地暖可在达到同等体感效果的基础上降低2～3 ℃的温度[1]。

在传统形式的水暖对流散热器供暖系统中，若要确保室内的供暖效果，其水温需要达到80～95 ℃。为了达到这一标准，在具体应用中就需要耗费很多的能源。在碳纤维电地暖的应用中，因为其应用的是低温辐射技术，所以只需要将底板加热到25～30 ℃便可达到良好的供暖效果。因此，相较传统的供暖方式，碳纤维电地暖这种供热方式更具节能效果，且供热更加均匀，室内舒适性更佳。

2 碳纤维电地暖智能温控与蓄能系统关键技术分析

在碳纤维电地暖的应用过程中，其智能温度和蓄能系统是实现电地暖温度调节与节能效果保障的关键。因此，在该系统的设计和应用中，相关人员一定要充分了解其关键技术，并使其技术优势得以充分发挥，确保碳纤维电地暖的应用效果。

2.1 系统总体设计

碳纤维电地暖智能温控和蓄能系统主要由两部分组成：PID模糊温度控制器和碳纤维形式的发热电缆。在具体设计中，借助导线将PID模糊温度控制器连接在碳纤维形式的发热电缆上。在通电之后，碳纤维形式的电缆便开始加热，此时，相应的加热指示灯亮起，进而为住户发出加热提醒。在此过程中，住户可以按照自己的实际需求对室内温度值进行设置，同时可以借助显示屏对温度传感器中的实时温度测量情况进行了解。在室内温度加热到了住户设定好的温度值之后，住户可借助温度控制器来降低电地暖运行功率，这样便可让室内的温度保持恒定[2]。如果住户感觉室内不够暖，也可以借助温度控制器提高电地暖运行功率，以达到继续加热的效果，实现室内温度的合理控制。

通过这种控制方式的合理应用，可让用户对室内供暖的个性化需求得到全面满足，避免集中供暖时温度过高或者温度过低对用户体感舒适度的不利影响。同时，因为这种采暖方式与传统形式的集中供暖不同，其计费方式也不是统一缴费，仅缴纳电费即可。这样的方式可以进一步增强用户的节能意识，达到良好的电能节约效果。

2.2 PID模糊温度控制器的应用

在该智能温度控制和储能系统中，PID模糊温度控制器的主要工作原理是通过串联在碳纤维电地暖上的电能表及发热电缆周围设置的温度测量装置来进行相应参数的实时测定，然后借助信号转换器将测定的信号转换成电信号，再通过PID模糊温度控制器对其进行处理。通过这样的方式，可让电能得到合理的分配和控制。在具体应用中，该智能系统会对来自信号转换器的发热电缆温度实时测量值和用户设定好的温度值进行对比，这样便可得到两者之间的偏差值e，和这个偏差值随着时间推移所产生的变化值ec，将这两个值同时输入PID温度模糊控制器中，借助该控制器对其进行模糊处理，再将模糊处理规则作为依据，对PID模糊温度控制器中的Kp（比例调节系数）、Ki（积分调节系数）、Kd（微分调节系数）进行合理调整，让不同的偏差e以偏差增值ec更好地满足PID的不同参数要求，这样就可以有效克服碳纤维电地暖中的发热电缆电能输出及发热功率方面的偏差。碳纤维电地暖智能温控与蓄能系统中的PID模糊温度控制器控制流程示意图如图1所示。相较传统形式的PID控制器，PID模糊温度控制器实现了PID温度控制器与模糊控制算法的良好结合，它不仅具备了传统PID控制器中算法的实用性，同时具备了模糊控制算法的智能性，可有效克服传统PID控制器应用中的静态性能与动态性能不能同时计算的弊端，同时有效补充了模糊控制单独应用中的静态误差[3]。因此，通过PID模糊温度控制器的良好应用，可有效实现碳纤维电地暖系统的耦合性、时变性及非线性控制。

图1 PID模糊温度控制器控制流程示意图

2.3 Kp、Ki、Kd参数的模糊规则设计

（1）在PID模糊温度控制器的具体应用过程中，Kp参数的大小将会对其温度控制系统本身的响应速度起到决定性作用，通常情况下，如果适当调大Kp值，便可让温度控制系统更快响应；如果调小Kp值，便可以让温度控制系统减缓响应，进而对温度监测的精准度及温度控制的及时性产生直接影响。基于此，在对该智能系统进行初期设计的阶段，就需要适当调大Kp值，以让温度控制系统具有良好的初始响应速度。在该系统的不断运行过程中，则需要将Kp值适当调小，这样可有效避免因Kp值过大而导致的超调现象或者稳定性降低问题[4]。在对温度控制系统进行调整的后期阶段，需要再一次将Kp值加调，以实现静差的有效降低和控制精度的良好保障。

（2）由于非线性及饱和等方面的原因，在通过温度控制系统进行初期控制的阶段，经常会出现Ki饱和的情况，进而在系统中出现很大的超调量，这与Ki消除稳态偏差的目的十分不符。基于此，在开始对温度控制系统进行调节的阶段，可适当调小Ki值，或者直接将其做调零处理，这样便可有效避免Ki饱和对系统控制的不利影响。但是在中期的系统调节阶段，则需要适当调大Ki值，并使其在一定程度上保持稳定，这样才可以确保温度控制系统的稳定运行。在对系统进行后期调节的过程中，为了实现静差的有效降低，还需要适当调小Ki值。

（3）Kd对碳纤维电地暖中整个温度控制系统的动态稳定特征具有决定性作用，在发热电缆实际温度和用户的温度设计值偏差处于动态变化的情况下，通过合理调节Kd值，可及时反映信号转换器中传回的信号及其变化趋势。如果出现了较大的偏差变化，温度控制系统中的Kd值便会及时将一个相应的修正信号引入温度控制系统中，以此提升系统的响应速度，有效缩短调整时间。通过实践经验发现，在对系统进行初期调整的阶段中，可适当调大Kd值，这样可有效避免超调现象产生[5]；在系统中间调节阶段，则需要适当调小Kd值，并使其保持固定；在对控制系统进行调整的后期阶段，则需要通过适当调小Kd值来实现被控过程中制动效果的削弱，进而为温度控制系统初期调节阶段的用时过长问题提供有效补偿。

3 结束语

综上所述，碳纤维电地毯凭借其结构简单、操作便捷、体感舒适度高、节能环保和经济效益高等诸多优势，已经在当今的室内供暖中得到了广泛应用。在此类电地暖的应用过程中，智能温控和储能系统所发挥的作用至关重要。通过该系统的合理设计与应用，可以让碳纤维电地暖的加热温度得到良好控制。因此，设计者和用户都应该加强该智能系统的应用研究，通过总体系统的合理设计、PID温度模糊控制器的合理应用及Kp、Ki和Kd值的良好控制来确保碳纤维电地暖的应用效果。