专利名称：一种室内电热膜地暖控制装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及室内地暖控制领域，具体涉及一种面向住宅单元的电热膜供暖控制装置及控制方法。
背景技术：
近年来，电热膜供暖以其节能、使用寿命长、管理简单、安全可靠等特点越来越受到人们的广泛关注与欢迎，已成为最有潜力的室内供暖方式。现有的电热膜供暖控制方法主要基于单个房间，即每个房间安装一个温控器，同时在房间内和电热膜表面上分别安装一个测温探头，以实现按既定温度的负载控制。这种控制方法主要有如下不足，即每个房间单独控制，很有可能出现各房间同时加热的现象，按100W/m2设计功率计算，一个有效加热面积SOm2的住宅单元则需要8000W的用电负载，这对既有电网的冲击较大，甚至会造成电网的局部损坏。目前，已经有一些研究人员提出了一些改进，例如专利[CN201852191U]提出了同一采暖空间的变功率控制的方法，然而该专利的方法对温控器要求较高，需要提供多组控制输出，并且安装部署难度加大，同时牺牲了一定的舒适度，并没有彻底克服各房间全负荷工作的现象；专利[CN101858618A]提出一种面向楼栋的集中供热分户控制的发热电缆供暖控制装置，进而实现了发热电缆功率的自动调节和用电量的控制，但是由于其采用了按房间测温、远程指挥协调、按户集中控制的方式，较适合于整个小区或整个楼栋的采暖控制，系统实施部署难度大，可靠性不高，特别是远程控制中心出现故障后整个被控对象将失控，同时牺牲了一定的用户舒适度。因此，如何在保障用户舒适度的前提下有效实现电热膜供暖系统的负载功率控制和用电量的控制，进而减少其对既有电网的冲击依然是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于无线网络的面向住宅单元的电热膜采暖控制装置及控制方法，其克服了现有技术的不足，在保证采暖舒适度的前提下实现了住宅单元内不同采暖房间的用电负荷的协同优化控制，进而降低了整个住宅单元的采暖负载功率，有效减少对既有电网的冲击，并且提高了系统易用性。为了实现上述发明目的，本发明提出了一种面向住宅单元的室内电热膜地暖控制装置，包括主温控器、多个终端温控器和多个测温探头；其中主温控器主要由主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成；终端温控器主要由主控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成；主温控器和各终端温控器之间通过无线通信单元建立无线Ad hoc (点对点)通信网络；主温控器、终温控器的电热膜控制单元与其所在采暖空间内的电热膜相连接，以实现对所在采暖空间内电热膜的控制；主温控器、终端温控器的温度采集单元分别与若干个测温探头通过单总线连接，用于检测其所在采暖空间的室内温度和被控电热膜不同区域的表面温度。
进一步地，主温控器还包括GPRS单元，主温控器通过GPRS单元可以与指定号码的手机进行短信通信。每个住宅单元设置一个主温控器和若干个终端温控器，每个温控器(主温控器和终端温控器统称为温控器)管控住宅单元内的一个采暖空间。基于上述控制装置，本发明还提出了一种面向住宅单元的室内电热膜地暖控制方法，包括以下步骤(I)参数设置在主温控器中设置并保存电热膜表面最高温度Tsufmax、控制下限阈值Thsufb、各采暖空间的电热膜面积Ai等参数，由主温控器将这些相关参数发送到各终端温控器中；(2)策略定义对每个采暖空间定义控制策略，并保存在主温控器中，定义方法为将设定的目标温度T。和当前室内温度!；_的差值定义为控制接近度D，即D=!；-!；·。按步长AD将
等分为多个区间(Dmax为控制接近度D上限值)，定义每个区间的控制策略Si = {T, P0pen, PclosJ，即每条控制策略定义了一个加热周期，其周期长度为T，加热和停止加热的时间长度比例分别为p_n和ρα·，其中ρ_η和ρα·之和为1，i为区间编号；(3)初始预热对需供暖的温控器设定目标温度T。，并启动该温控器；由主温控器根据已启动的温控器所控制的电热膜面积由大到小对各温控器排序，同时将它们分成两个电热膜面积之和最接近的温控器集合S1和S2,并将控制最大面积的温控器归在集合S1中。由主温控器控制发送命令给集合S1中的所有温控器以启动其所控制的电热膜加热，即实现集合S1中的所有温控器同时进入初始预热阶段。处于初始预热阶段的各温控器通过其温度采集单元采集被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi,并计算得到被控电热膜的表面温度Tsuf。当Tsuf大于Tsufmax时，停止加热，进入协同控制阶段；当集合S1中的所有温控器进入协同控制阶段后，根据温控器排序，将集合S2中的温控器依次进入初始预热阶段，即首先启动集合S2中的第一个温控器进入初始预热阶段，然后依次在每个温控器完成初始预热进入协同控制阶段后启动下一个温控器进入初预热阶段，直至集合S2中的所有温控器完成初始预执.
(4)协同控制处于协同控制阶段的各温控器通过其温度采集单元采集所在采暖空间的室内温度!；_与被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi，计算出被控电热膜的表面温度Tsuf,并计算出当前的控制接近度D上传到主温控器；主温控器根据各温控器的控制接近度D选择其控制策略，然后根据各温控器排序依据其控制策略进行错时控制，即首先启动第一个温控器执行加热周期，然后依次在每个温控器的加热周期的停止加热开始阶段启动下一个温控器的加热周期。在每个加热周期的加热阶段，如果温控器检测到被控电热膜的表面温度Tsuf超出电热膜表面最高温度Tsufmax,则暂停加热；当检测到被控电热膜的表面温度Tsuf低于控制下限阈值Thsufb且还在加热阶段时，则继续加热；在每个加热周期的停止加热阶段，温控器停止对其电热膜进行加热。上述步骤(3)、(4)中被控电热膜的表面温度Tsuf的计算过程为(A.1)主温控器和各终端温控器通过其温度采集单元采集其被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi ；(A. 2)将被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi从小到大排序为〈!\，T2,…，TTN>，并按公式(1-1)获取区间[T1, TJ中的中位值ΤΜ，其中TN为区域数= τψ (TN为奇数)
权利要求
1.一种室内电热膜地暖控制装置，包括电热膜，其特征在于，还包括主温控器、多个终端温控器和多个测温探头；其中主温控器包括主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元；终端温控器包括控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元；主温控器和各终端温控器之间通过无线通信单元建立无线Ad hoc通信网络；主温控器、终温控器的电热膜控制单元与其所在采暖空间内的电热膜相连接，以实现对所在采暖空间内电热膜的控制；主温控器、终端温控器的温度采集单元分别与若干个测温探头通过单总线连接，用于检测其所在采暖空间的室内温度和被控电热膜不同区域的表面温度。
2.如权力要求I所述的室内电热膜地暖控制装置，其特征在于主温控器还包括GPRS单元，用于主温控器与指定号码的手机进行短信通信。
3.如权利要求1所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤 (1)参数设置在主温控器中设置并保存电热膜表面最高温度Tsufmax、控制下限阈值Thsufb、各采暖空间的电热膜面积Ai等参数，由主温控器将该相关参数发送到各终端温控器中； (2)策略定义对每个采暖空间定义控制策略，并保存在主温控器中，定义方法为将设定的目标温度T。和当前室内温度T,_的差值定义为控制接近度D，即D=Ttj-Trajm,按步长AD将
等分为多个区间(Dmax为控制接近度D上限值)，定义每个区间的控制策略Si={T，P_n，PatjsJ,即每条控制策略定义了一个加热周期，其周期长度为T，加热和停止加热的时间长度比例 Popen 和 Pciose， 其中 Popen ^口 Pciose 之和为1，i为区间编号； (3)初始预热对需供暖的温控器设定目标温度T。，并启动该温控器；由主温控器根据已启动的温控器所控制的电热膜面积大小对各温控器排序，将它们分成两个电热膜面积之和最接近的温控器集合S1和S2 ;由主温控器发送控制命令给集合S1中所有的温控器以启动其所控制的电热膜加热，即实现集合S1中的所有温控器同时进入初始预热阶段；处于初始预热阶段的各温控器通过其温度采集单元采集被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi，并计算得到被控电热膜的表面温度Tsuf,当Tsuf大于Tsufmax时，停止加热，进入协同控制阶段；当集合S1中的所有温控器进入协同控制阶段后，将集合S2中的温控器依次进入初始预热阶段，即首先启动集合S2中的第一个温控器进入初始预热阶段，然后依次在每个温控器完成初始预热进入协同控制阶段后启动下一个温控器进入初预热阶段，直至集合S2中的所有温控器完成初始预热； (4)协同控制处于协同控制阶段的各温控器通过其温度采集单元采集所在采暖空间的室内温度与被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi，计算出被控电热膜的表面温度Tsuf,并计算出当前的控制接近度D上传到主温控器；主温控器根据各温控器的控制接近度D选择其控制策略，然后根据各温控器排序按照其控制策略进行错时控制。
4.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括主温控器或终端温控器可以接收用户按键命令来改变其工作状态，即开始工作、停止工作、调整目标温度；并将其状态改变信息汇报给主温控器。
5.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括主温控器可以接收手机短信命令，用于查询各温控器的工作状态或控制各温控器的工作状态。
6.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，步骤(4)中的错时控制方式具体包括依据温控器的排序，首先启动其中一个温控器的加热周期，然后依次在每个温控器的加热周期的停止加热开始阶段启动下一个温控器的加热周期；温控器在加热周期的加热阶段对被控电热膜进行加热，在停止加热阶段停止对被控电热膜加热，如此循环直至接收到改变控制策略命令或停止命令；在每个加热周期的加热阶段，如果温控器检测到被控电热膜的表面温度Tsuf超出电热膜表面最高温度Tsufimax,则暂停加热；当检测到被控电热膜的表面温度Tsuf低于控制下限阈值Thsufb且还在加热阶段时，则继续加热；在每个加热周期的停止加热阶段，温控器停止对其电热膜进行加热。
7.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法步骤(3)、(4)中被控电热膜的表面温度Tsuf的计算步骤包括 (A.1)主温控器和各终端温控器通过其温度采集单元采集其被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi ； (A. 2)将被控电热膜不同区域的表面温度Tsufi从小到大排序为〈1\，T2,…，Ttn>，并按公式(1-1)获取区间[T1, TJ中的中位值TM，其中TN为区域数
8.如权利要求3所述的室内电热膜地暖控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法步骤(3)中集合S2中的温控器依次进入初始预热阶段的具体步骤如下 (B.1)当处于协同控制阶段的最后一个温控器退出其加热阶段时，S2集合中选择一个排序在前的温控器进入初始预热阶段；(B. 2)在S2集合中的某个温控器处于初始预热阶段时，所有处于协同控制阶段的温控器，如果其当前控制策略中的P0pm大于Pa.，则将其控制策略临时调整为P_=Pa_=l/2 ；当该温控器结束初始预热阶段后，被临时调整控制策略的温控器恢复其原来的控制策略；(B. 3)重复执行步骤(B.1)和(B. 2)，直至集合S2中的所有温控器完成初始预热阶段。
全文摘要
本发明涉及室内地暖控制领域，具体涉及一种面向住宅单元的电热膜供暖控制装置及控制方法，本发明提出一种面向住宅单元的室内电热膜地暖控制装置，包括主温控器、多个终端温控器和多个测温探头；其中主温控器主要由主控制单元、策略存储单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成；终端温控器主要由主控制单元、电热膜控制单元、温度采集单元、无线通信单元、按键和显示单元组成。本发明在保证采暖舒适度的前提下实现了住宅单元内不同采暖房间的用电负荷的协同优化控制，进而降低了整个住宅单元的采暖负载功率，有效减少对既有电网的冲击，并且提高了系统易用性。
文档编号F24D19/10GK103017252SQ20121047036
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者李峰, 李春华, 丁伟, 尤优 申请人:江苏大学