一种电采暖设备的加热特性建模与能效评估方法

摘要

本发明公开了一种电采暖设备的加热特性建模与能效评估方法，包括如下步骤：（1）建立电采暖设备的加热特性模型；（2）建立电采暖设备加热保温过程模型；（3）电采暖设备能效评估；（4）求出加热模型以及保温过程模型表达式，本发明对装配电采暖设备的空间进行热力学建模，并采用类比法将其等效为一个一阶电路模型，简化了模型的求解难度，对于模型中的待定参数—热容和热阻，利用实验数据，结合建立的模型，基于最小二乘原理以较容易的求解得出。建模和求解的过程简单有效，以定量的描述空间温度，在此基础之上，运用电器效用的概念和评估方法，对电采暖设备进行能效分级，为电采暖设备的节能控制提供了重要的依据和参考。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加热设备模型和电器节能评估，具体涉及一种电采暖设备的加热 特性建模与能效评估方法。

背景技术

随着经济发展，人们对居住的舒适程度要求越来越高，长江以南许多地区冬季采 暖的呼声也越来越高。在北方广泛采用的集中式供暖建设成本大、能源消耗大，而南方地区 需要一种更为灵活的供暖方式。电采暖是一种直接将电能转换为热能的采暖方式，例如碳 晶取暖器，采暖前期投资较低，舒适度高，便于用户灵活地选择性装配，是南方地区采暖的 首选方式。

电采暖设备功率一般较大，电能消耗较多，在保障用户舒适体验的前提下，应尽能 降低能耗。现有电采暖运行模式一般是本地独立控制，控制策略单一粗糙，且未对电采暖设 备加热特性进行定量的描述，从而难以实现电暖器群体协同控制，比如平抑电暖器群的负 荷波动等。此外，电采暖设备的能效评估主要针对设备本身的电热转换效率及耗电量评估， 未结合用户体验，具有片面性。因此，在建立电采暖加热特性模型基础上，结合电器效用和 能效等级进行精细化的能效评估对电采暖群体控制及提高电采暖能效等多方面都具有重 要的作用。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种电采暖设备的加热特性建模与能效评估方法， 建立电采暖设备的加热特性的数学模型，对加热过程和保温过程进行定量描述。在此基础 上，结合生活用电器效用概念和评估方法，对电取暖器加热过程进行能效评估，为节能优化 控制提供模型基础和评价标准，以有效解决背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种电采暖设备的加热特性建 模与能效评估方法，包括如下步骤：

（1）建立电采暖设备的加热特性模型：

由于加热区间较小，认为加热及保温过程中各项热力学参数恒定不变，加热及保温过 程中，房屋状态不变，不存在干扰因素；

（2）建立电采暖设备加热保温过程模型：

描述配置电采暖设备的房屋空间的热力学过程；采用等效类比法求解给出的电采暖设 备加热保温模型，在将原模型等效为一阶电路模型后，运用电工学知识，求解该模型，进而 求解原热力学模型；

（3）电采暖设备能效评估：

结合用户实际使用体验和电器本身特性，参考生活用电器效用的概念及评估方法，电 采暖设备属于一种蓄冷蓄热型设备，其效用的描述函数为：

其中，T_l和T_h分别是预期温度的下限阈值和上限阈值，T_t为时刻t的实际效果温度,若 T_t在[T_l,T_h]的范围内,则温度效用为1,当T_t<T_l或T_t>T_h时,温度效用值的下降，下降速 度由参数ε决定,ε∈(0,1]。

基于效用函数，再结合电采暖设备的使用状态，就以进行能效等级的分级评估。

（4）求出加热模型以及保温过程模型表达式：

设室内初始温度为T_in0，室外温度为T_out，P为电采暖设备的额定功率，为效率，利用 全响应三要素法和电路叠加定理，类比求出加热模型如式①，保温过程模型如式②；

作为本发明一种优选的技术方案，所述分级评估是在已经建立的电采暖设备加热保温 模型基础上，即判断给定时刻电采暖设备使房屋加热的温度值，进而确定其效用和能效等 级。

作为本发明一种优选的技术方案，在式①和式②中，热容C和热阻R为待定参数，通 过实验的方法即确定

作为本发明一种优选的技术方案，其试验的方法为：在某一房屋内配置功率为P的电采 暖设备和数字式温度计，开启电采暖设备，并开始记录室内温度数据，选定一个合适的时间 间隔，如1min，记录温度试验数据，当室内温度上升一定量后，关闭电采暖设备，继续记录温 度数据，直到温度下降到开启电采暖设备前，通过实验获取实验数据后，基于最小二乘的原 理确定待定参数，首先，式②变形为

两边同时取自然对数，即：

则以基函数作为插值基函数，基于最小二乘原理，求出

再将式①做如下变形，并将已求出的代入，即：

求出试验数据下对应的热阻R，再取平均值即认为是实际热阻R；至此，热容和热阻的参 数就通过实验测定，加热和保温过程即用该模型进行定量描述。

本发明的有益效果：

本发明对装配电采暖设备的空间进行热力学建模，并采用类比法将其等效为一个一阶 电路模型，简化了模型的求解难度。对于模型中的待定参数—热容和热阻，利用实验数据， 结合建立的模型，基于最小二乘原理以较容易的求解得出。建模和求解的过程简单有效，以 定量的描述空间温度，在此基础之上，运用电器效用的概念和评估方法，对电采暖设备进行 能效分级，为电采暖设备的节能控制提供了重要的依据和参考。

附图说明

图1为本发明的电采暖设备加热及保温模型图。

图2为本发明的电采暖设备加热及保温过程的等效模型图。

图3为本发明电采暖设备的升温和保温模型的曲线和实际实验数据图。

图4为本发明加热保温模型室温变化情况示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。

实施例1：

1、建立电采暖设备的加热特性模型，首先做如下假设：

（1）由于加热区间较小，认为加热及保温过程中各项热力学参数恒定不变；

（2）加热及保温过程中，房屋状态不变，不存在开窗、开门等干扰因素。

2、建立电采暖设备加热保温模型：

（1）配置电采暖设备的房屋空间用图1描述其热力学过程，其中，P为电采暖设备加热时 对外辐射的热功率，刻画了电采暖设备的加热能力；C为被加热房屋的热容，它描述整个房 屋吸收一定热量后温度的上升与存储性能；R为房屋等效总热阻，描述了在加热及保温过程 中热量的损耗，主要来源于门窗和墙体对室外以热辐射的形式对外散失的热量；T_in和T_out分 别指室内和室外的温度。当开关S闭合时，电采暖设备开始对室内加热，室温升高，到一定时 间后，断开开关，电采暖设备不再对室内加热，由于热阻的存在，室温逐渐降低。

（2）为求解图1给出的电采暖设备加热保温过程模型，采用等效类比法，如图2所 示。原模型中的空间热容用电工学中的电容等效，电容用反映存储电荷的能力，与空间存储 热量的能力类似；原模型中的热阻用电工学中的电阻等效；用电压等效原模型中的温度。这 样，由单位一致的原理，原模型中的电采暖设备加热源应用一个恒定电流源表示；而室外温 度认为是恒定的，故原模型中的室外环境应用一个恒定电压源表示。整个模型则等效为图2 所示的一阶电路模型。

（3）在将原模型等效为一阶电路模型后，运用电工学知识，即求解该模型，进而求 解原热力学模型。设室内初始温度为T_in0，室外温度为T_out，P为电采暖设备的额定功率，为效率，利用全响应三要素法和电路叠加定理，类比求出加热模型如式①，保温过程模型如 式②。

（4）在式①和式②中，热容C和热阻R为待定参数，通过实验的方法即确定：在某一 房屋内配置功率为P的电采暖设备和数字式温度计。开启电采暖设备，并开始记录室内温度 数据。选定一个合适的时间间隔，如1min，记录温度试验数据。当室内温度上升一定量后，关 闭电采暖设备，继续记录温度数据，直到温度下降到开启电采暖设备前。通过实验获取实验 数据后，基于最小二乘的原理确定待定参数，首先，式②变形为：

两边同时取自然对数，即：

则以基函数作为插值基函数，基于最小二乘原理，求出

再将式①做如下变形，并将已求出的代入，即：

求出试验数据下对应的热阻R，再取平均值即认为是实际热阻R。至此，热容和热阻的参 数就通过实验测定，加热和保温过程即用该模型进行定量描述。

3、电采暖设备能效评估

（1）对于功率较大的电采暖设备，合理地评估其能效，应当结合用户实际使用体验和 电器本身特性。参考生活用电器效用的概念及评估方法，电采暖设备属于一种蓄冷蓄热型 设备，其效用的描述函数为：

其中，T_l和T_h分别是预期温度的下限阈值和上限阈值，T_t为时刻t的实际效果温度,若 T_t在[T_l,T_h]的范围内,则温度效用为1,当T_t<T_l或T_t>T_h时,温度效用值的下降，下降速 度由参数ε决定,ε∈(0,1]。

（2）基于效用函数，再结合电采暖设备的使用状态，就以进行能效等级的分级评 估。定义如下：在已经建立的电采暖设备加热保温模型基础上，即判断给定时刻电采暖设备 使房屋加热的温度值，进而确定其效用和能效等级。能效等级的评估为电采暖设备的节能 控制起着重要的作用。

实施例2：

选用一种典型的电采暖设备，配置在一个一个普通的居室中，并配置一个温度传感器， 用于实验中记录温度数据。通过实验数据，基于最小二乘的原理确定模型中的热容热阻待 定参数。在上海市某高校2人间学生宿舍开展实验，配置一块额定功率为1500W，运行效率为 0.87的电采暖设备。在某一时刻开启电采暖设备，每1min记录一次室内温度，当温度达到18 摄氏度时关闭，继续跟踪温度下降过程的室内温度。在此实验数据的基础上，求解出模型中 的参数：

由此即确定在此环境下，电采暖设备的升温和保温模型。图3为模型曲线和实际实验数 据图。

在此基础之上，进行电采暖设备能效等级评估。在上述环境中，预设人体满意温度 区间为16.5至18摄氏度，假定两种运行方案：

（1）开启电采暖设备，运行110分钟；

（2）开启电采暖设备，当检测到室温上升超过18摄氏度后关闭电采暖设备。

利用已经建立的加热保温模型，以定量计算出两种不同方案的室温变化情况，如 图4所示。结合电采暖设备能效评估方法，以分别得到两种运行方案的能效等级。

方案（一）在取暖器开启44min后，由于室温超越阈值上限，效用值小于1，故一直处 于低效状态。整个过程中，高效状态所占比重不足50%；

方案（二）在取暖器开启44min后，同样进入低效状态，但通过控制措施，在52分钟时，采 暖器被关闭，使之重新进入高效状态，整个过程中，高效状态比重超过90%。

由此见，电采暖设备加热及保温过程模型的建立有效地反映了实际状况，在此基 础之上进行电采暖设备能效评估简单易行，为电器节能控制提供了重要的依据。

基于上述，本发明的优点在于，本发明对装配电采暖设备的空间进行热力学建模， 并采用类比法将其等效为一个一阶电路模型，简化了模型的求解难度。对于模型中的待定 参数—热容和热阻，利用实验数据，结合建立的模型，基于最小二乘原理以较容易的求解得 出。建模和求解的过程简单有效，以定量的描述空间温度，在此基础之上，运用电器效用的 概念和评估方法，对电采暖设备进行能效分级，为电采暖设备的节能控制提供了重要的依 据和参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。