# FROST GUARD v0.2｜寒冷住宅的能源与本地算力连续性研究

版本日期：2026-10-10。研究形式：公开资料、可复现软件模拟与方案比较。尚无电芯、整机、住宅或阀门实测；文献与数据表不能代替整机验证。

## 1. 我们究竟研究什么

FROST GUARD 是面向冬季无人值守、管路仍有水的住宅的个人监测节点概念。它记录市电、房间、局部管道与电池状态，在停电或网络异常时保留必要监测，在本地估计接近风险温度的时间，并安排通知与有限动作请求。研究问题是：**在怎样的安装温度、供电中断和通信条件下，具体钠电方案能让必要的个人算力服务维持得更久，或减少电池保温的能源负担？**

它将 AIDC 的备用能源、关键服务优先级、离线运行、故障记录与恢复思想缩小到个人生活场景。我们借鉴可靠性方法，并未获得任何“机房级”认证。电池用于传感、本地计算、通信及受限执行，不承担整栋住宅采暖。

目标需求须同时成立：房屋无人；管路未冬季排空；存在停电或设备故障；主人或维护人员需要时间到达。大学防冻指导支持维持供暖、安排检查或关水排水的必要性，但不能证明某国市场规模或付费意愿。[H04](https://extension.illinois.edu/disasters/water-pipes) 若房屋已经排空，或普通暖室备用电源足以覆盖响应窗口，本方案的价值会明显缩小。安装地点是待核实条件，不能故意把电池放冷处制造优势。

## 2. 选钠电需要满足什么条件

我们比较的是具体电芯和系统策略，不能把不同厂商的低温、能量密度、快充与循环数字拼成一块“理想钠电”。

TIAMAT NVPF18650-B3 是小型高功率钠电参考：标称 1Ah、3.5Wh、约35g；原厂许可充电 0～60°C、放电 −30～60°C。高倍率脉冲另有10秒、50%SOC条件；这不是零下快充证据，也没有本项目低负载的完整低温Wh曲线。[B01](https://www.tiamat-energy.com/wp-content/uploads/2025/02/2023-09_Datasheet-cylindric.pdf)

另一个可追溯例子是种花家18650-1300mAh高倍率A1规格。它在−40～0°C将放电限制为≤1C；−10～0°C充电≤0.1C且注明“不建议充电”。−20°C容量试验先在25°C充电、冷浸8小时，再以0.5C放电，得到的是Ah容量边界，**不是Wh续航比例**。原厂文件与零售页的循环、截止电压、密度等说法不一致；页面价格和库存也未确认，不能据此形成确定采购预算。[B02](https://cdn.shopify.com/s/files/1/0592/3694/2029/files/HKD_18650-1300mAh-20C.pdf?v=1703754781)、[B03](https://hakadilifepo4.com/products/hakadi-18650-1300mah-3v-sodium-ion-cells-discharge-20c-na-ion-rechargeable-battery-for-e-bike-power-tools-diy-12v-24v-48v-72v-battery-pack)

替代方案必须认真比较。Lithium Werks ANR26650m1B的LFP资料包含受限的零下充电条款；因此“锂电零下都不能充”不成立。Toshiba SCiB的LTO路线有低温、高倍率和长循环技术基础，同时存在能量密度、选型和成本取舍。[B04](https://lithiumwerks.com/products/lithium-ion-26650-cells/)、[B05](https://www.global.toshiba/ww/products-solutions/battery/scib/product-next/product/cell/high-energy.html)

2026年商业Na/NMC/LFP/LTO对比论文确实存在，DOI为10.1007/s00706-026-03462-5。每种电芯仅两个样本，在25°C充电后以0.3～3C测试低温放电；高功率钠电与高能量钠电表现差异明显。它没有测试低温充电，高倍率自发热也会影响结果。若节点平均2W、名义100Wh，倍率约0.02C，低于该论文范围，不能直接套其曲线。[B06](https://link.springer.com/article/10.1007/s00706-026-03462-5)

IEA指出，当前锂价下钠电在多数用途尚未压过LFP成本，但极寒车辆与固定储能已有经济竞争力；这只是研究方向依据，不是小型节点的到手价或成本结论。[B07](https://www.iea.org/commentaries/sodium-ion-battery-momentum-grows-but-challenges-remain) 商业钠电安全研究也显示体系差异、热失控与放气风险，不能承诺绝对安全或任意零伏储存。[B08](https://www.mdpi.com/1996-1073/18/3/661)

因此，选钠电的条件是：它在真实安装温度与负载下，结合电源、通信和热管理后，能改善服务覆盖或系统成本。暖室、同曲线、同可用能量、同负载时，模型应允许钠电没有优势；现阶段不主张绝对不可替代。

## 3. 产品组成与工作过程

| 功能层 | 组成与职责 | 不能省略的约束 |
|---|---|---|
| 能源 | 市电检测、备用电池、适配的监控保护、转换与负载供电 | 电压、温度、峰值、损耗和保护切断，不能只看Wh |
| 感知 | 室内、局部管道、电芯温度与测点健康 | 时间戳、安装偏差、滞后、丢样；空气温度不等于管温 |
| 本地算力 | MCU、日志、阈值规则、趋势或RC推演 | 预测验证须只用过去观测；当前网页为给定天气情景推演 |
| 通信 | 网络注册、发送、确认、缓存、有界重试 | “尝试发送”不等于“对方收到”，无服务时仍可能耗能 |
| 执行反馈 | 请求、能源许可、模拟动作、超时和位置反馈 | 未确认不能写成功；关阀不等于排水 |
| 用户界面 | 状态、假设、失败原因与研究记录 | 语音只辅助解释，不覆盖基础保护规则 |

器件资料提供技术参考，不是已定BOM。TMP117的分辨率不能当成实际安装精度；STM32U575说明低功耗MCU可以作为本地计算载体；BG95说明通信睡眠、活跃与峰值是不同工况。[S01](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp117.pdf)、[S02](https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32u575ai.pdf)、[S03](https://www.quectel.com/content/uploads/2024/03/Quectel_BG95_Series_LPWA_Specification_V2.0-4-1.pdf?wpId=114218)、[S04](https://www.quectel.com/content/uploads/2024/02/Quectel_BG95xABG9x_Series_Compatible_Design_V1.0.pdf)

研究架构的目标流程是：记录断电→检查测点与供电许可→先执行确定性规则→从历史观测推演风险趋势→分配采样、计算和发报预算→保留通知状态与日志→仅对已适配动作发出请求并等待反馈。它不意味着当前网页已完成训练、在线预测或真实发送。通信PSM节电会牺牲即时下行可达性，现场覆盖也不能从模块频段表推出。[S05](https://www.quectel.com/content/uploads/2024/02/Quectel_BG95BG77BG600L_Series_PSM_Application_Note_V1.0-2.pdf)、[S06](https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123600_123699/123682/18.00.00_60/ts_123682v180000p.pdf)

BQ76952资料针对锂电体系，尚未证明适配选定钠电；TPS62933只是转换器功能参考，效率与输入范围仍须逐工况确认。[S07](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76952.pdf)、[S08](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps62933.pdf) 峰值不足或器件越温，即使剩余Wh很多也可能不能工作。复电后可恢复外部供电，但冷电池不应被模拟成瞬间充满。

## 4. 热过程与能源模型怎样建立

建筑灰盒研究支持用热阻、热容和观测数据描述多时间尺度，并通过辨识选择模型；它不提供所有住宅通用的7或18小时常数。[H01](https://backend.orbit.dtu.dk/ws/portalfiles/portal/126769045/modelselection09.pdf)

当前断电热模型将空气与结构分别作为状态，再为局部管段和电池计算独立热惯性。与网页 `thermal-v02.js` 一致的两节点热平衡形式为：

```text
Ca·dTr/dt = Ham·(Tm−Tr) + (Hdirect+Hinf)·(To−Tr) + Qinternal + QsolarRoom
Cm·dTm/dt = Ham·(Tr−Tm) + Hmo·(To−Tm) + QsolarMass
```

Tr、Tm、To分别代表室内空气、等效结构与室外温度；Ca、Cm单位Wh/K，时间单位小时，H单位W/K，Q单位W。Hdirect与Hinf分别为直接传热与渗风损失；太阳得热按房间、结构分配。结构节点并非每面墙的真实测温，热损失不能重复记入。管段和电池有各自参数与边界；全部尚未对具体住宅校准。

当前网页进行固定条件情景扫掠。有电时把室内20°C、结构20°C、管道18°C作为稳态设置，尚未计算供暖控制与复电升温过程；切换按钮不能解读为连续事件历史。已给定或末值延续的未来天气参与推演，因此当前结果不是仅凭过去观测完成的无泄漏预测验证。

| 因素 | 应如何进入模拟 |
|---|---|
| 房屋几何、窗墙面积、保温和热桥 | 分开描述传热与储热，不能只用“保温好坏” |
| 风、渗风、门窗开缝 | 改变换气热损失；无现场参数时做范围扫描 |
| 日照、朝向、遮挡、内热源 | 时变得热；无人断电须关闭相应热源 |
| 管道位置、管径、水量、包层与流量 | 影响局部热容与换热；冷角不等于房间均温 |
| 电池位置、箱体热阻与热容 | 独立电芯温度；保温只减慢降温，不永久产热 |
| SOC、老化、截止电压与转换损耗 | 影响可用能量，不能统一叫“真实SOC” |
| 注册、重试、采样和推理周期 | 按状态或事件计能，避免重复计账 |
| 动作峰值、持续时间与反馈 | 分开检查能源足够、动作许可和机械成功 |

EnergyPlus与NIST说明渗风有天气和建筑依赖；风寒温度不能当房屋空气温度。太阳得热也与朝向、遮挡相关。[H02](https://energyplus.readthedocs.io/en/v26.2.0/guides/engineering-reference/8.3-infiltrationventilation.html)、[H09](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/technicalnotes/nist.tn.1873.pdf)、[H10](https://orbit.dtu.dk/en/publications/semi-parametric-modelling-of-sun-position-dependent-solar-gain-us/)

能源账本用各电源轨功率、占空比、事件能量和转换效率累计，并另列BMS、静态与保温耗能。Na/LFP默认同教学曲线；两者都允许选择同类保温策略。没有低负载数据时，低温Wh系数保持可调，不能把手调曲线称为厂商实测。

配图4是独立的教学预算算例，不是网页模型测得的续航：名义120Wh按80%SOC、90%SOH线性近似得到86.4Wh预算；假定24小时关键负载及4小时加热，计入90%转换效率后约需88.9Wh，已经超预算。此例尚未计入冷降额、储备、BMS与重试，不能作为产品性能。

## 5. 温度风险不是冻裂倒计时

模型只报告指定管段触及风险温度门槛的教学估计。水在冰点附近还有潜热、过冷、成核、流动和压力问题；没有相变与压力模型，不输出完全冻结或冻裂时刻。大学原始研究摘要指出冰塞与困水压力可导致破裂，本轮未读取其全部实验表格。[H03](https://www.ideals.illinois.edu/items/54859)

关阀可限制后续进水，但已有水不会自动消失。厂家冬季排水手册涉及低位排水、阀位和必要吹扫；具体装置流程不能冒充全屋自动排水方案。[H06](https://www.watts.com/dfsmedia/0533dbba17714b1ab581ab07a4cbb521/82814-source/is-f-765-winterization) 锅炉控制器在线也不等于泵、燃烧器、风机与燃气可用；既有锅炉防冻不保证全屋管路安全。[H05](https://www.vaillant.co.uk/advice/heating-tips/home-advice/controls-and-frost-protection/)

## 6. 一段真实天气怎样使用

已获取NASA POWER/MERRA-2哈尔滨附近格点示例：45.75°N、126.65°E，UTC 2025-01-15至16共48小时，2米气温约−24.06～−11.99°C。[W03](https://power.larc.nasa.gov/api/temporal/hourly/point?parameters=T2M,WS10M&community=SB&longitude=126.65&latitude=45.75&start=20250115&end=20250116&format=JSON&time-standard=UTC)

NASA方法文档说明气象来自MERRA-2同化模型的格点估计；小时API可指定UTC，默认时间标准不能当本地时区。[W01](https://power.larc.nasa.gov/docs/services/api/temporal/hourly/)、[W02](https://power.larc.nasa.gov/docs/methodology/meteorology/) 它不是目标住宅现场测量，也不是未来天气。住宅、断电和电池条件仍为项目假设；10米风速已经记录，但当前示例未用其驱动热系数。48小时之后若固定末值，只能称为边界延续假设。

配图3采用当前热模型与该序列推演47小时；热参数全部未校准，管道冰点以下的虚线只示意等效趋势，不计算冰量、压力或冻裂。参数与完整历史保存在[图3计算记录](data/thermal-figure.json)。真实历史天气有助于检验时变输入，却不能证明住宅预测准确。

## 7. 已有产品与我们的增量

Кситал GSM-4T已有温度、GSM远控及铅酸备用电池；Shelly Flood Gen1已有电池供电温度与漏水监测、本地集成。不能把现有产品概括为“停电就失效”，也不能将某代产品规格泛化到全部型号。[H07](https://ksytal.ru/produkcziya/upravlenie-kotlom/ksital-gsm-4t)、[H08](https://kb.shelly.cloud/knowledge-base/shelly-flood)

FROST GUARD的待验证增量是：冷态有效能源估计、风险趋势、通信失败后的预算管理与可审查比较。它应与普通备用电池、阈值监测、锅炉防冻、保温和冬季排水共同比较；传感器、MCU、协议和阀门不是本项目发明。

## 8. 无硬件也能做出什么证据

证据分四层：厂商型号边界；论文特定样本实验；机构指导或历史再分析；项目自选假设。每个参数保存来源ID、单位、版本、温度、倍率、SOC、截止条件与缺失项，超范围必须提示。

v0.1审计已发现温度切换不连续、假定低功耗被误当成智能收益、保温策略不对称、Wh替代运行许可、滑块重算过去、预测知道未来及通知缺少确认等问题。修订计划不等于修订已经通过验证；具体成果应附对应版本的检查结果。

无需硬件即可进行以下软件验证；连续复电事件、预测器比较等尚未实现的部分，应保留为验证计划，不能写成已经通过：

1. 同曲线、同负载、同保温，交换Na/LFP标签结果相同。
2. 断电、复电与加热开关处温度连续；缩短时间步长检查收敛。
3. 能源总账守恒，动作和重试不漏算、不重复算。
4. 断网不标记确认；测点缺失不被填成安全；基础规则不等待预测。
5. 固定阈值、趋势与RC使用同样过去观测，比较提前量、误报、漏报与覆盖时间。
6. 改变热参数、初温、天气、测量偏差与丢样，进行保留情景和失配测试。

这些检查证明软件一致性与假设下的行为，不证明真实续航、预测精度或防冻成功。参数扫描输出“敏感性范围”，没有独立数据时不叫95%置信区间；不能用同一模型生成并拟合数据后宣称学会真实住宅。TinyML有成熟框架，但具体模型是否有效、节能、放得下仍需比较。[S10](https://arxiv.org/abs/2010.08678)

## 9. 后续版本怎样提高质量

先完善来源账本、连续状态、失败语义和公平基线；再扫描哪些条件下钠电优势出现、消失或被LFP/LTO替代；随后比较预测与调度的服务收益。每次提交公开本次问题、修改、复现实验和剩余缺口，不把界面变漂亮当性能进步。

语音放在上述研究完成之后：首先读出模拟状态、解释假设并帮助修改情景；实际动作仍需明确许可与反馈。未来端侧语音须单列能耗、峰值和断网降级，能源不足时暂停趣味功能。需要硬件与现场数据才能验证的事项继续列为缺口，而不是由模拟替它们作结论。

## 主要一手来源索引（合并去重30项）

以下为本手册主要来源。完整参数条件、限制与补充验证方法见网站资料库。原厂销售入口只证明供应线索，不等于独立性能认证；历史数据也不等于现场实测。

- [B01｜TIAMAT 圆柱电芯原厂规格，2023-09](https://www.tiamat-energy.com/wp-content/uploads/2025/02/2023-09_Datasheet-cylindric.pdf)
- [B02｜种花家18650高倍率A1规格，2023-11-03，销售页链接原件](https://cdn.shopify.com/s/files/1/0592/3694/2029/files/HKD_18650-1300mAh-20C.pdf?v=1703754781)
- [B03｜HAKADI 销售入口与矛盾审查，非独立性能认证](https://hakadilifepo4.com/products/hakadi-18650-1300mah-3v-sodium-ion-cells-discharge-20c-na-ion-rechargeable-battery-for-e-bike-power-tools-diy-12v-24v-48v-72v-battery-pack)
- [B04｜Lithium Werks ANR26650m1B LFP原厂规格](https://lithiumwerks.com/products/lithium-ion-26650-cells/)
- [B05｜Toshiba SCiB高能量LTO原厂规格](https://www.global.toshiba/ww/products-solutions/battery/scib/product-next/product/cell/high-energy.html)
- [B06｜Kasper等商业电芯低温放电原论文，2026，DOI 10.1007/s00706-026-03462-5](https://link.springer.com/article/10.1007/s00706-026-03462-5)
- [B07｜IEA钠电技术与成本分析，2026-02-17](https://www.iea.org/commentaries/sodium-ion-battery-momentum-grows-but-challenges-remain)
- [B08｜Carter等商业钠电安全原论文，2025，DOI 10.3390/en18030661](https://www.mdpi.com/1996-1073/18/3/661)
- [H01｜Bacher/Madsen建筑热动态原论文，2011；合并重复来源S09](https://backend.orbit.dtu.dk/ws/portalfiles/portal/126769045/modelselection09.pdf)
- [H02｜EnergyPlus 26.2.0 渗风工程文档](https://energyplus.readthedocs.io/en/v26.2.0/guides/engineering-reference/8.3-infiltrationventilation.html)
- [H03｜Illinois冻管研究报告原始仓储摘要，1996，完整报告本轮未通读](https://www.ideals.illinois.edu/items/54859)
- [H04｜Illinois Extension水管防冻指导](https://extension.illinois.edu/disasters/water-pipes)
- [H05｜Vaillant控制与防冻官方说明](https://www.vaillant.co.uk/advice/heating-tips/home-advice/controls-and-frost-protection/)
- [H06｜Watts/FEBCO具体装置冬季排水原厂手册](https://www.watts.com/dfsmedia/0533dbba17714b1ab581ab07a4cbb521/82814-source/is-f-765-winterization)
- [H07｜Кситал GSM-4T官方产品规格](https://ksytal.ru/produkcziya/upravlenie-kotlom/ksital-gsm-4t)
- [H08｜Shelly Flood Gen1官方知识库](https://kb.shelly.cloud/knowledge-base/shelly-flood)
- [H09｜NIST Technical Note 1873，渗风模型，2015](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/technicalnotes/nist.tn.1873.pdf)
- [H10｜Rasmussen等太阳得热灰盒研究，2020，作者机构原始记录](https://orbit.dtu.dk/en/publications/semi-parametric-modelling-of-sun-position-dependent-solar-gain-us/)
- [S01｜TI TMP117温度传感器数据表](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp117.pdf)
- [S02｜ST STM32U575 MCU数据表](https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32u575ai.pdf)
- [S03｜Quectel BG95系列规格V2.0](https://www.quectel.com/content/uploads/2024/03/Quectel_BG95_Series_LPWA_Specification_V2.0-4-1.pdf?wpId=114218)
- [S04｜Quectel兼容设计V1.0](https://www.quectel.com/content/uploads/2024/02/Quectel_BG95xABG9x_Series_Compatible_Design_V1.0.pdf)
- [S05｜Quectel PSM应用说明V1.0](https://www.quectel.com/content/uploads/2024/02/Quectel_BG95BG77BG600L_Series_PSM_Application_Note_V1.0-2.pdf)
- [S06｜ETSI/3GPP TS 23.682 v18.0.0，PSM机制](https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123600_123699/123682/18.00.00_60/ts_123682v180000p.pdf)
- [S07｜TI BQ76952监控保护器件数据表，尚非钠电适配证明](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76952.pdf)
- [S08｜TI TPS62933转换器数据表，尚非完整电源方案](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps62933.pdf)
- [S10｜TensorFlow Lite Micro原始论文，2020](https://arxiv.org/abs/2010.08678)
- [W01｜NASA POWER小时API官方说明与时间标准](https://power.larc.nasa.gov/docs/services/api/temporal/hourly/)
- [W02｜NASA POWER气象方法与MERRA-2格点来源](https://power.larc.nasa.gov/docs/methodology/meteorology/)
- [W03｜NASA POWER实际历史API数据，哈尔滨附近48小时样例](https://power.larc.nasa.gov/api/temporal/hourly/point?parameters=T2M,WS10M&community=SB&longitude=126.65&latitude=45.75&start=20250115&end=20250116&format=JSON&time-standard=UTC)