基于能源替代技术的地板辐射采暖系统及其工作方法、热量计算方法与流程
本发明涉及采暖技术领域，尤其涉及一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统及其工作方法、热量计算方法。
背景技术：
太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到人们的关注，很多发达国家将发展光伏光热技术作为可持续发展的重要途径。在我国，光伏光热技术作为一种能源替代技术已经成为新能源发展规划的重要组成部分，它的商业化开发和利用是重要的发展方向。
地板辐射采暖和传统的供暖方式相比，具有舒适、健康、使用寿命长、节能等优点。传统地板辐射采暖的热源一般来自城市集中供热热水，现有集中供热系统还不能完全做到绿色环保，这也是导致京津冀地区雾霾严重的主要原因之一；其次集中供热热水的温度较高，既影响居住舒适度又存在热能浪费，水管的使用寿命也大大缩短；在维护成本方面，水地暖在使用过程中容易出现漏水故障，处理起来十分麻烦，长期运行后，水管内壁会出现大量污垢，后期维护成本比较高。
利用太阳能作为低温热源供地板辐射采暖系统是节能减排的一个有效途径，但是由于太阳能本身的不稳定性，易受季节、地点、气候等多种因素影响，现有光热地板辐射采暖系统需要借助其他方式解决光源不足的问题。现有技术中已有采用交流发热电缆进行采暖的系统，但其通常使用市电220v供电，加大了使用费用。此外，由于电地暖技术目前还处于发展阶段，电地暖的采暖效果良莠不齐，存在耗电量大、温度不足、温度难控制等情况。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统及其工作方法、热量计算方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统，其特征在于：包括光热地板辐射采暖系统和光电地板辐射采暖系统；所述光热地板辐射采暖系统包括供热水管、水箱、太阳能集热器；所述太阳能集热器的集热进水管和集热回水管分别与所述水箱连通，所述集热进水管上设有排气管和第一温度传感器，所述集热回水管上安装有第二温度传感器、第一流量变送器以及集热水泵；所述水箱另一侧连接有供热进水管和供热回水管，供热进水管和供热回水管分别与供热水管的两端连接，所述供热进水管上安装有供热水泵、电动调节阀、第二流量变送器、第三温度传感器，所述供热回水管上安装第四温度传感器；
所述光电地板辐射采暖系统包括交流发热电缆、太阳能电池、直流稳压器、蓄电池、逆变器以及充电器；所述太阳能电池采集的电能通过所述直流稳压器传送给所述逆变器，所述逆变器通过多功能电表与交流发热电缆连接；所述直流稳压器还为所述蓄电池充电，所述充电器用于为所述蓄电池充电以及为所述逆变器供电；
所述交流发热电缆和供热水管同时铺设在室内地板上，相互交织并均匀分布，在室内设有温湿度传感器。
优选地，所述太阳能电池与所述直流稳压器之间的线路上连接有直流断路器k1和直流接触器km1，并且并联一个直流电压传感器v1；所述直流稳压器与所述逆变器之间的线路串联有直流电流传感器a1、直流电流传感器a2、直流断路器k2和直流接触器km2；蓄电池的输入端并联直流电压传感器v2，蓄电池为系统提供48v和24v电压；220v市电经过交流断路器k4、交流接触器km4、充电器与所述蓄电池连接；所述逆变器与所述多功能电表之间的线路上连接有交流电流传感器a3、交流电压传感器v3；所述多功能电表与所述交流发热电缆之间的线路上连接有交流断路器k3、交流接触器km3；220v市电经过交流断路器k5和交流接触器km5与交流发热电缆连接。
优选地，还包括控制器，所述控制器包含do1～do8端口、ai1～ai16端口、ao1端口、ao2端口、电源端口和rs485通讯端口；其中do1和do2端口输出控制器数字量指令，控制直流接触器km1和直流接触器km2的通断，供电电源来自蓄电池输出的48v直流电；do3～do8端口输出控制器数字量指令，控制交流接触器km3～km8的通断，交流接触器km4和km5线圈的供电来自市电220v，交流接触器km3、km6～km8的供电电源来自逆变器输出的220v交流电，接触器km1～km8对应设置hl1～hl8指示灯，当线圈得电，相应触点动作，指示灯亮；ai1～ai16端口用于采集模拟量信号，包括回路上的交直流电压和电流、液位变送器信号、室内温湿度传感器信号、集热回路和供热回路上的温度和流量信号以及电动调节阀的开度反馈信号；ao1端口用于输出电动调节阀的开度指令，控制器通过模糊pid算法，可以根据设定温度和实际温度改变供热回路上电动调节阀的开度，从而实现温度控制；控制器可以采集和监控光热地板辐射采暖系统和光电地板辐射采暖系统的运行时间；电源端口为控制器提供来自蓄电池的24v直流电，此dc24v还为触摸屏供电；控制器和触摸屏通过rs485通讯端口进行数据互传和共享，触摸屏上实时监测整个系统的各采集数值，同时可以接受用户指令进行阀门开度控制和接触器的通断控制；k10是控制系统电源回路上的直流断路器，用于控制系统的手动投切。
优选地，逆变器的输出电压为集热水泵、供热水泵和补水电池阀提供220v交流电，k9是总交流断路器，k6～k8是每一个分支上的交流断路器，km6～km8是每个分支上的交流接触器，km6～km8线圈得电后会动作闭合，从而启动相应设备，正常运行情况下，断路器k1～k10处于闭合状态，系统可以进行触摸屏远程集中控制和自动控制，当紧急情况发生时，可以通过断路器紧急停止设备的运行。
一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、运行光热地板辐射采暖系统，读取触摸屏设定的温度，控制器读取室内的温度；
步骤二、控制器判断室内温度是否在设定温度范围内，若不在则进行步骤三，若在设定温度范围内则返回步骤一；
步骤三、控制器判断室内温度是否大于设定温度范围，如果大于设定温度则进行步骤四，若小于设定温度进行步骤五；
步骤四、通过模糊pid减小电动调节阀开度；再返回步骤一；
步骤五、判断电动调节阀是否全部打开，若没有全部打开，则通过模糊pid增大电动调节阀开度，若全部打开则进行步骤六；
步骤六、控制器运行光电地板辐射采暖系统；
步骤七、控制器判断室内温度是否在设定温度范围内，若不在则进行步骤八，若在设定温度范围内则返回步骤一；
步骤八、控制器判断室内温度是否大于设定温度范围，若否，则使用市电给交流发热电缆供电；若是，则通过模糊pid减小电动调节阀开度；
步骤九、判断电动调节阀开度是否小于10％，若否，则返回步骤六，若是则执行步骤十；
步骤十、停止光电地板辐射采暖系统，并返回步骤一。
一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统的热量计算方法：
根据传热学原理，地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量q(i)：
q(i)＝qr(i)+qc(i)(1)
其中：
q(i)为地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量，w/m2；qr(i)为地板辐射采暖系统可提供的瞬时辐射热量，w/m2；qc(i)为地板辐射采暖系统可提供的瞬时对流热量，w/m2；
a.所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法
所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统地板内的传热过程为：热水管内的热水先将热量传给管壁，管壁再加热地板，最后地面通过对流和热辐射方式将热量传给墙壁和室内空气；
所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量qpt(i)：
qpt(i)＝qptr(i)+qptc(i)(2)
qptr(i)＝4.98×10-8[(tp(i)+273)4-(tr+273)4](3)
qptc(i)＝2.17×[tp(i)-tr]1.31(4)
qpt(i)＝4.98×10-8[(tp(i)+273)4-(tr+273)4]+2.17×[tp(i)-tr]1.31(5)
其中：
qpt(i)为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量，w/m2；qptr(i)为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时辐射热量，w/m2；qptc(i)为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时对流热量，w/m2；tp(i)为光热地板辐射采暖系统所对应的地板表面温度，℃，该温度由红外测温仪测得，用于计算光热地板辐射采暖系统可提供的热量；tr为室内温度，℃，该温度由室内温湿度传感器测得；tr为非加热面的平均辐射温度，℃，
所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的总热量qpt：
其中：
n为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统一年内运行的总时间，s；qpt为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。运行总时间定义为：光热系统及其储能系统运行时间总和；
b.所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法
对于所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统，其地板内的传热过程为：交流发热电缆加热地板，最后地面通过对流和热辐射方式将热量传给墙壁和室内空气。光电地板辐射采暖系统地板内的热量传递过程与光热地板辐射采暖系统不同。其计算方法如下：
ql＝i2×r’(7)
其中：
ql为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆加热地板单位长度的热量，w/m；i为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆的电流，a；r’为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆的修正电阻，ω/m；
其中：
r为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆的电阻，ω/m；αe为材料电阻的热系数，℃-1；α0为热膨胀系数，℃-1；td为电缆的表面温度，℃；
所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量qpv(j)：
其中：
qpv(j)为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量，w/m2；qpvr(j)为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时辐射热量，w/m2；qpvc(j)为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时对流热量，w/m2；tp(j)为光电地板辐射采暖系统所对应的地板表面温度，℃，该温度由红外测温仪测得，用于计算光电地板辐射采暖系统可提供的热量；
所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的总热量qpv：
其中：
m为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统一年内运行的总时间，s；qpv为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。运行总时间定义为：光电系统及其储能系统运行时间总和；
c.所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量计算方法
所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量包括：光热地板辐射采暖系统可提供的总热量、光电地板辐射采暖系统可提供的总热量和极端情况下的辅助热源提供的补充热量。由此总热量q：
其中：
q为所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2；qs为极端情况下的辅助热源提供的补充热量，w/m2；
d.所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量的修正计算方法
对于本发明专利提出的地板辐射采暖系统，其包括了两种不同采暖形式。对于不同的采暖形式其负荷不同，同时考虑到了极端情况下的辅助热源的负荷。由此，本发明专利提出使用负荷因子来修正地板辐射采暖系统可提供的总热量的计算；
所提出的地板辐射采暖系统的总负荷包括：光热地板辐射采暖系统的负荷、光电地板辐射采暖系统的负荷和极端情况下的辅助热源的负荷；
负荷因子为lpt、lpv、ls。修正计算方法得出的总热量qz：
qz＝lpt·qpt+lpv·qpv+ls·qs(12)
lpt+lpv+ls＝1(13)
其中：
lpt为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统的负荷占总负荷的比例，％；lpv为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统的负荷占总负荷比例，％；ls为极端情况下的辅助热源的负荷占总负荷比例，％；qz为修正计算方法下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。
优选地，极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量计算方法
极端情况下，可能出现三种情况：
1)光电地板辐射采暖系统无法提供热量，光热地板辐射采暖系统只能提供较少热量，主要热量由辅助热源提供。总热量qz’：
qz’＝qpt+qs(14)
其中：
qz’为第一种极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2；
2)光电地板辐射采暖系统与光热地板辐射采暖系统都无法提供热量，总热量由辅助热源提供。当光热地板辐射采暖系统无法提供热量时，必须立刻关闭光热地板辐射采暖系统循环，防止室内热量通过该系统散失；
总热量qz”：
qz”＝qs(15)
其中：
qz”为第二种极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2；
3)光热地板辐射采暖系统无法提供热量，光电地板辐射采暖系统只能提供较少热量，主要热量由辅助热源提供。总热量qz”’：
qz”’＝qpv+qs(16)
其中：
qz”’为第三种极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2；
当光热地板辐射采暖系统无法提供热量时，必须立刻关闭光热地板辐射采暖系统循环，防止室内热量通过该系统散失。
本发明的有益效果是:水地暖和电地暖作为两种热源不同的地板辐射采暖方式，各自有优点和缺陷。本系统方案将清洁环保的能源替代技术应用在地板辐射采暖系统上，同时使用本系统来实现室内温度的控制与调节，充分体现了新能源的综合利用。交流发热电缆和热水管路的敷设保证了供热的稳定性，同时又不缺乏灵活性。自供电设计可以使系统在离网状态下稳定运行，只有在极端天气下需要使用市电进行临时供电，同时还可以利用谷电为蓄电池充电，提高了能源利用率，节约了能源。本系统通过模糊pid算法调节电动调节阀的开度来控制室内温度，将其精准控制在设定范围之内，保证室内的舒适度与系统的节能性。本系统的计算方法给出了系统可提供的总热量计算方法及其修正计算方法和极端情况下可提供的总热量计算方法。在不需要采暖的情况下，可将本系统的多余能量进行存储或用于基本生活用能。本系统使用方便有效，整个控制系统设计清晰明了，可以通过触摸屏进行监控和人机交互。
附图说明
图1为本发明专利的系统流程图；
图2为本发明专利的一部分电气控制原理图；
图3为本发明专利的另一部分电气控制原理图；
图4为本发明专利的主程序流程图；
图5为本发明专利的模糊pid控制器模型。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统，包括光热地板辐射采暖系统和光电地板辐射采暖系统；所述光热地板辐射采暖系统包括供热水管1、水箱2、太阳能集热器3；所述太阳能集热器的集热进水管4和集热回水管5分别与所述水箱连通，所述集热进水管上设有排气管6和第一温度传感器7，所述集热回水管上安装有第二温度传感器8、第一流量变送器9以及集热水泵10；所述水箱另一侧连接有供热进水管11和供热回水管12，供热进水管和供热回水管分别与供热水管的两端连接，所述供热进水管上安装有供热水泵13、电动调节阀14、第二流量变送器15、第三温度传感器16，所述供热回水管上安装第四温度传感器17；水箱上设有补水管，补水管上设有补水电池阀20。
所述光电地板辐射采暖系统包括交流发热电缆18、太阳能电池、直流稳压器、蓄电池、逆变器以及充电器；所述太阳能电池采集的电能通过所述直流稳压器传送给所述逆变器，所述逆变器通过多功能电表与交流发热电缆连接；所述直流稳压器还为所述蓄电池充电，所述充电器用于为所述蓄电池充电以及为所述逆变器供电；
所述交流发热电缆和供热水管同时铺设在室内地板上，相互交织并均匀分布，在室内设有温湿度传感器19。
所述太阳能电池与所述直流稳压器之间的线路上连接有直流断路器k1和直流接触器km1，并且并联一个直流电压传感器v1；所述直流稳压器与所述逆变器之间的线路串联有直流电流传感器a1、直流电流传感器a2、直流断路器k2和直流接触器km2；蓄电池的输入端并联直流电压传感器v2，蓄电池为系统提供48v和24v电压；220v市电经过交流断路器k4、交流接触器km4、充电器与所述蓄电池连接；所述逆变器与所述多功能电表之间的线路上连接有交流电流传感器a3、交流电压传感器v3；所述多功能电表与所述交流发热电缆之间的线路上连接有交流断路器k3、交流接触器km3；220v市电经过交流断路器k5和交流接触器km5与交流发热电缆连接。
如图1所示，室内的地板采暖系统同时敷设水管和交流发热电缆，相互交织并均匀分布。水管中的热水来源于水箱，通过供热水泵提供循环动力。供热回路上还安装有电动调节阀、第二流量变送器、第三温度传感器和第四温度传感器。电动调节阀接受控制器ao1指令进行开度控制，参与室内温度调节。第二流量变送器、第三温度传感器和第四温度传感器通过控制器ai端口采集供热热水的流量和进水回水温度，进而计算并得到供给室内热量。另外一个回路是集热回路，太阳能集热器将太阳能热能通过水循环传递给水箱，集热水泵提供集热回路的循环动力。集热回路上还安装有排气管、第一流量变送器、第一温度传感器和第二温度传感器，排气管用于排气泄压，第一流量变送器、第一温度传感器和第二温度传感器通过控制器ai端口采集集热水流的流量和集热器的进出水温度，进而计算并得到集热热量。水箱中还安装有液位变送器、补水电池阀和排污阀。控制器会实时采集水箱液位数据，当液位过低时会自动开启补水电池阀进行补水。排污阀是手动阀门，需要定期打开排除水箱污垢和沉积。室内安装有温湿度传感器，用于采集温湿度信号参与模糊pid控制。模糊pid控制比传统的pid控制更加智能，控制精度更高。pid控制品质的好坏很大程度上在于kp、ki、kd的选取，模糊pid控制是将误差和误差变化率作为输入，根据不同的偏差和偏差率对pid参数进行在线调整，使被控对象有良好的动、静态性能。此温度控制系统将室内温度和设定温度的差值和该差值的变化率作为输入，通过模糊化、模糊规则推理、去模糊化等处理，得到最后的修正参数，并将这3个修正参数与初始参数值叠加之后参与到pid运算过程中去。通过使用模糊pid控制算法，还可以完成系统快速加热、精准控制等较为复杂的任务。
交流发热电缆的供电来自于光伏系统，光伏系统输出48v直流电，通过直流稳压电源将不稳恒电压转换成dc48v连接逆变器，逆变器输出220v交流电通过多功能电表监测后为交流发热电缆供电。蓄电池并联在直流稳压电源出口处，光伏发电系统可以对蓄电池进行浮充充电。蓄电池还为控制系统提供48vdc和24vdc电源。220v市电可以通过充电器将交流电转换成直流电直接为蓄电池充电或者直接为交流发热电缆供电。km1～km2是直流接触器，用于控制器控制供电回路的通断，相应的k1～k2是直流断路器，用于手动断开供电回路。km3～km5是交流接触器，用于控制器控制所在供电回路的通断，相应的k3～k5是交流断路器，用于手动断开供电回路。在逆变器入口处和出口处安装有熔断器进行短路过载保护。v1和v2是直流电压传感器，分别检测太阳能电池板输出电压和蓄电池输入电压，v3是交流电压传感器，用于检测逆变器的输出电压。a1和a2是直流电流传感器，分别检测直流稳压电源的输出电流和逆变器输入电流，a3是交流电流传感器，用于检测逆变器的输出电流。
如图2所示，控制器包含do、ai、ao端口、电源端口和rs485通讯端口。do1和do2端口输出控制器数字量指令，控制km1和km2的通断，供电电源来自蓄电池输出的48v直流电；do3～do8端口输出控制器数字量指令，控制km3～km8的通断，交流接触器km4和km5线圈的供电来自市电220v，原因是交流接触器km4和km5控制市电对蓄电池的充电和市电直接为交流发热电缆供电，这部分供电需要脱离光伏发电系统，防止长期因太阳能不足导致系统无法启动。km3、km6～km8的供电电源来自逆变器输出的220v交流电，hl1～hl8是对应于km1～km8的指示灯，当线圈得电，相应触点动作，指示灯亮；ai1～ai16端口用于采集模拟量信号，包括回路上的交直流电压和电流、液位变送器信号、室内温湿度传感器信号、集热回路和供热回路上的温度和流量信号，以及电动调节阀的开度反馈信号；ao1端口用于输出电动调节阀的开度指令，控制器通过模糊pid算法，可以根据设定温度和实际温度改变供热回路上电动调节阀的开度，从而实现温度控制；控制器可以采集和监控光热地板辐射采暖系统和光电地板辐射采暖系统的运行时间；电源端口为控制器提供来自蓄电池的24v直流电，此dc24v还为触摸屏供电；控制器、触摸屏和多功能电表通过rs485通讯端口进行数据互传和共享，触摸屏上可以实时监测整个系统的各采集数值，同时可以接受用户指令进行阀门开度控制和接触器的通断控制。k10是控制系统电源回路上的直流断路器，用于控制系统的手动投切。
如图3所示，逆变器的输出电压为集热水泵、供热水泵和补水电磁阀提供220v交流电，k9是总交流断路器，k6～k8是每一个分支上的交流断路器，km6～km8是每个分支上的交流接触器，当图2中的km6～km8线圈得电后会动作闭合，从而启动相应设备。正常运行情况下，断路器k1～k10处于闭合状态，系统可以进行触摸屏远程集中控制和自动控制，当紧急情况发生时，可以通过断路器紧急停止设备的运行。
如图4所示，控制策略是优先使用光热地板辐射采暖系统，通过模糊pid算法调节电动调节阀的开度来控制室内温度，如果电动调节阀全开室内温度依然不能满足需求，说明此时光热地板辐射采暖系统的供给能量不足，需要光电地板辐射采暖系统进行补充。若运行光电地板辐射采暖系统后，室内温度还不能达到要求，就需要使用市电为交流发热电缆供电。若运行光电地板辐射采暖系统后，室内温度过热，可以通过模糊pid算法减小光热地板辐射采暖系统的电动调节阀的开度来调节室内温度。这样可以减少光电地板辐射采暖系统的启停次数，有利于提高系统的使用寿命。若电动调节阀的开度已经小于10％(几乎关闭)，再停止光电地板辐射采暖系统。这里的设定温度是一个允许范围，室内温度不在此范围内才进行调节，这样可以降低系统频繁的动作和调节，提高稳定性。此外，主程序流程图中的温度改变和调节过程，例如运行光热地板辐射采暖系统、模糊pid调节电动调节阀的开度、运行光电地板辐射采暖系统、使用市电供交流发热电缆、停止光电地板辐射采暖系统，需要在程序中设置延时，当室内温度趋于稳定后再进行下一步骤。
温度控制系统惯性大，滞后现象比较严重，本发明专利利用模糊pid算法对控制器中的kp、ki、kd进行优化，使温度控制系统可以在不同工作条件下保持很好的控制品质。如图5所示，从模糊pid控制器模型可以看出，通过温度设定值和室内温度(此时和上一时刻)的采集得到温度偏差e和温度偏差变化率ec，e和ec经过模糊化得到输入量的模糊子集，再经过模糊规则得到δkp、δki和δkd的模糊子集，最后经过精确化得到输出量的精确值并分别和传统pid控制器的kp、ki和kd进行加和并作为新的控制参数参与调节，输出ao1信号给电动调节阀，改变其开度。控制模型中加入了隶属度函数，隶属度函数表示精确值和模糊集合之间的隶属关系，温度偏差e和温度偏差变化率ec要通过隶属度的选择来确定组合，δkp、δki和δkd的模糊集合和隶属度函数共同确定δkp、δki和δkd的精确值，隶属度函数通常使用三角型函数定义。图中的模糊规则依据日常运行经验和人脑思维进行设计，一般来说，当e较大时，应增加kp使温度快速达到设定值，同时减小ki和kd，以防止稳定性下降；当e和ec为中等时，应减小kp防止超调，适当增大ki并选择合适的kd；当e较小时，应增大ki以消除稳态误差，此时如果ec较大，应该减小kd防止发生振荡现象。
本发明专利涉及的计算方法：
a.在实际地板辐射采暖系统正常运行过程中，满足以下条件：
a)地板辐射采暖系统正常运行过程中的热量传递过程是稳定的，一切热量传递的分析在稳态传热条件下进行；
b)地板辐射采暖系统正常运行过程中，室内温度恒定；
c)在地板周围敷设的一定厚度的保温材料，向地板下方经由保温材料的传热忽略不计，地板周围的热量损失忽略不计；
d)忽略接触热阻；并且各层材料质量均匀、物性相同并且恒定不变；
e)光热地板辐射采暖系统管内热水流动均匀，光电地板辐射采暖系统交流发热电缆电流均匀；
f)热水盘管表面和交流发热电缆表面温度均匀一致；
g)将内墙和屋顶参数加权平均到室内空气中当作一个整体，实现热量传递。
b.地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法
根据传热学原理，地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量q(i)：
q(i)＝qr(i)+qc(i)(1)
其中：
q(i)为地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量，w/m2；qr(i)为地板辐射采暖系统可提供的瞬时辐射热量，w/m2；qc(i)为地板辐射采暖系统可提供的瞬时对流热量，w/m2。
c.所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法
所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统地板内的传热过程为：热水管内的热水先将热量传给管壁，管壁再加热地板，最后地面通过对流和热辐射方式将热量传给墙壁和室内空气。地板内的热量传递过程的计算方法遵循经典传热学的计算方法，此处不再赘述。
所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量qpt(i)：
qpt(i)＝qptr(i)+qptc(i)(2)
qptr(i)＝4.98×10-8[(tp(i)+273)4-(tr+273)4](3)
qptc(i)＝2.17×[tp(i)-tr]1.31(4)
qpt(i)＝4.98×10-8[(tp(i)+273)4-(tr+273)4]+2.17×[tp(i)-tr]1.31(5)
其中：
qpt(i)为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量，w/m2；qptr(i)为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时辐射热量，w/m2；qptc(i)为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的瞬时对流热量，w/m2；tp(i)为光热地板辐射采暖系统所对应的地板表面温度，℃，该温度由红外测温仪测得，用于计算光热地板辐射采暖系统可提供的热量；tr为室内温度，℃，该温度由室内温湿度传感器测得；tr为非加热面的平均辐射温度，℃，
所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的总热量qpt：
其中：
n为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统一年内运行的总时间，s；qpt为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。运行总时间定义为：光热系统及其储能系统运行时间总和。
d.所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法
对于所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统，其地板内的传热过程为：交流发热电缆加热地板，最后地面通过对流和热辐射方式将热量传给墙壁和室内空气。光电地板辐射采暖系统地板内的热量传递过程与光热地板辐射采暖系统不同。其计算方法如下：
ql＝i2×r’(7)
其中：
ql为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆加热地板单位长度的热量，w/m；i为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆的电流，a；r’为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆的修正电阻，ω/m。
其中：
r为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统交流发热电缆的电阻，ω/m；αe为材料电阻的热系数，℃-1；α0为热膨胀系数，℃-1；td为电缆的表面温度，℃。
所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量qpv(j)：
其中：
qpv(j)为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时热量，w/m2；qpvr(j)为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时辐射热量，w/m2；qpvc(j)为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的瞬时对流热量，w/m2；tp(j)为光电地板辐射采暖系统所对应的地板表面温度，℃，该温度由红外测温仪测得，用于计算光电地板辐射采暖系统可提供的热量。
所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的总热量qpv：
其中：
m为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统一年内运行的总时间，s；qpv为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。运行总时间定义为：光电系统及其储能系统运行时间总和。
e.所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量计算方法
所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量包括：光热地板辐射采暖系统可提供的总热量、光电地板辐射采暖系统可提供的总热量和极端情况下的辅助热源提供的补充热量。由此总热量q：
其中：
q为所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2；qs为极端情况下的辅助热源提供的补充热量，w/m2。
f.所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量的修正计算方法
对于本发明专利提出的地板辐射采暖系统，其包括了两种不同采暖形式。对于不同的采暖形式其负荷不同，同时考虑到了极端情况下的辅助热源的负荷。由此，本发明专利提出使用负荷因子来修正地板辐射采暖系统可提供的总热量的计算。
所提出的地板辐射采暖系统的总负荷包括：光热地板辐射采暖系统的负荷、光电地板辐射采暖系统的负荷和极端情况下的辅助热源的负荷。
负荷因子为lpt、lpv、ls。修正计算方法得出的总热量qz：
qz＝lpt·qpt+lpv·qpv+ls·qs(12)
lpt+lpv+ls＝1(13)
其中：
lpt为所提出的地板辐射采暖系统中光热地板辐射采暖系统的负荷占总负荷的比例，％；lpv为所提出的地板辐射采暖系统中光电地板辐射采暖系统的负荷占总负荷比例，％；ls为极端情况下的辅助热源的负荷占总负荷比例，％；qz为修正计算方法下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。
g.极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量计算方法
极端情况下，可能出现三种情况。
1)光电地板辐射采暖系统无法提供热量，光热地板辐射采暖系统只能提供较少热量，主要热量由辅助热源提供。总热量qz’：
qz’＝qpt+qs(14)
其中：
qz’为第一种极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。
2)光电地板辐射采暖系统与光热地板辐射采暖系统都无法提供热量，总热量由辅助热源提供。当光热地板辐射采暖系统无法提供热量时，必须立刻关闭光热地板辐射采暖系统循环，防止室内热量通过该系统散失。
总热量qz”：
qz”＝qs(15)
其中：
qz”为第二种极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。
3)光热地板辐射采暖系统无法提供热量，光电地板辐射采暖系统只能提供较少热量，主要热量由辅助热源提供。总热量qz”’：
qz”’＝qpv+qs(16)
其中：
qz”’为第三种极端情况下，所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量，w/m2。
当光热地板辐射采暖系统无法提供热量时，必须立刻关闭光热地板辐射采暖系统循环，防止室内热量通过该系统散失。
h.本发明专利所涉及的一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统的计算方法(交流发热电缆)，可以计算出所提出的地板辐射采暖系统可提供的总热量。除去极端情况，该总热量全部由太阳能来提供。本发明专利提出的系统相对于传统系统的年节能量即为太阳能可提供的能量。
如图1所示，多余的热能可存储于水箱内也可用于生活用热；多余的电能可存储于蓄电池内也可用于生活用电。
室内的地板辐射采暖系统同时敷设有水管和交流发热电缆，利用双系统实现供暖，室内温度可以设定与控制。交流发热电缆的热响应快，热水的散热过程较慢，双系统运行可以提高供热的稳定性及系统的运行效率。在阳光充足的情况下，优先使用光热地板辐射采暖系统并辅以光电地板辐射采暖系统，而光伏发电主要用于蓄电池充电；当光强度降低，室内温度不能达到设定值时，利用由光伏发电得到并储存的电能实现迅速供热。极端恶劣天气下，长期光强度不够时，蓄电池的电能消耗完毕后可以利用市电直接为交流发热电缆供电以保证室内温度，本系统取代了传统的电加热方式，提高了能源使用效率。
太阳能集热器将热能收集起来加热水箱中的水，由集热水泵提供循环动力。水箱的另一个回路是通过供热水泵进行室内热水循环，从而实现采暖。控制器采集室内温度信号，根据温度设定值，通过模糊pid算法调节供热回路上的电动调节阀的开度。集热回路和供热回路分别装有温度传感器和流量变送器，用于温度、流量和能量数据的采集和监控。水箱中安装有液位变送器，控制器通过液位信号决定是否需要补水。控制器还可以采集和监控光热地板辐射采暖系统的运行时间。此外，可以通过手动和自动两种控制方法控制水泵的启停。
太阳能电池板将太阳能转换成电能，通过直流稳压电源稳压并输送给逆变器，逆变器将dc48v转换成ac220v后为交流发热电缆供电，太阳能电池板发电的同时为蓄电池浮充充电，蓄电池可以为控制系统提供48v和24v直流电。直流稳压电源内部安装有二极管，可以防止蓄电池电流反充太阳能电池板。市电220v可以直接为交流发热电缆供电，也可以在蓄电池电能不足的情况下，通过充电器为蓄电池充电，保证蓄电池的使用寿命。整个光伏供电回路安装有多个断路器、接触器、熔断器用于远程控制、自动控制和手动控制。电流传感器和电压传感器用于电流电压的监测，通过监测数据判定系统是否正常运行。多功能电表用于统计光伏发电的能量供给，为系统提供数据支撑。控制器还可以采集和监控光电地板辐射采暖系统的运行时间。
将太阳能替代传统能源进行地板辐射采暖，充分体现了节能减排的理念，是能源产业未来发展方向。当室外阳光长期不足时，蓄电池电能会严重不足，影响蓄电池使用寿命，所以本系统设计了可以通过市电220v接充电器为蓄电池临时充电或者使用夜间谷电为蓄电池充电，白天投入采暖系统的方案，从而大大节约能源。
控制系统自行研发了控制器，可以对整个供热系统进行监测和控制。该系统还设计了上位机交互系统，利用触摸屏实现系统数据和状态的显示、实时曲线和历史曲线的查询、温度的设定、用户指令的采集、报警等功能，人机界面交互友好。
控制系统的直流供电包括dc24v和dc48v，由光伏系统提供；控制系统的交流供电是ac220v，由逆变器提供。可见，整个控制系统供电可以通过本身光伏发电系统获得，在光照充足的地区，可以实现长期的自供电离网运行。
本发明专利同时涉及一种基于能源替代技术的地板辐射采暖系统的计算方法(交流发热电缆)。该计算方法包括光热地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法、光电地板辐射采暖系统可提供的热量计算方法及系统可提供的总热量计算方法。同时给出了可提供的总热量的修正计算方法和极端情况下可提供的总热量计算方法。本发明专利提出的系统相对于传统系统的年节能量即为太阳能可提供的能量。
该系统可以替代传统的使用化石能源进行集中供热的大型系统，具有很强的灵活性，特别是在不具备集中供热的地区有很好的发展前景。此外，该系统还可以应用于新能源专业的实验实训教学，是一套功能齐全、理论和实操一体化的实训装置，可以满足的实训项目包括：不同类型太阳能电池板能量转换实验、太阳能离网发电系统实验、太阳能蓄电池存储实验、太阳能控制器研究实验、离网逆变器研究实验、太阳能发电系统负载特性实验、监控运行设计实验、电能质量检测实验、电地暖系统发电效率实验、电地暖系统性能测试实验、太阳能集热能量转换原理实验、太阳能集热管特性测试实验、环境对光热转换的影响实验、太阳能热利用功能实验、太阳能热利用系统管路连接实验、太阳能热利用的应用原理实验、平板型集热器的工作原理实验、低温地板辐射采暖系统的测试与试验、不同类型地板辐射采暖系统的对比与分析实验等。
在不需要采暖的情况下，可将本系统的多余能量进行存储或用于基本生活用能。热能可存储于水箱，电能可存储于蓄电池。多余能源也可满足基本的用热与用电需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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