準量加熱電熱水器及準量加熱控制方法
2023-06-11 17:52:06 1
專利名稱：準量加熱電熱水器及準量加熱控制方法
技術領域：
本發明涉及一種通過智能控制達到節能目的的電熱水器，同時還涉及相應的控制方法，屬於家用電器技術領域。
背景技術：
電熱水器具有調控方便、使用安全的優點，因此已成為得到推廣應用的家用電器。
為了使電熱水器使用時更方便、節能，本專利申請人曾通過對電熱水器微處理器控制的發明創造，提出了具有「自學習」功能的電熱水器設計方案，並於2000年9月29日申請了00112584號、名稱為《自適應節能電熱水器》的中國發明專利。這種電熱水器的微處理器可以通過「學習」，掌握用戶的用水習慣，從而適時自動提前加熱，即方便了用戶的使用，又避免了加熱時間過長導致的能源浪費。推出之後，受到了用戶的普遍歡迎。
在深入進行研究的基礎上，申請人發現，在保證使用方便的前提下，要想最大限度的節省電能，除了適時自動提前加熱之外，熱水器還應當能夠根據用戶不同季節用水習慣的變化，自動調適控制加熱的熱水量，從而實現適溫、適時、尤其是適量(本專利申請將其稱之為準量控制)的全方位自動控制。通俗些說，就是用戶需要多少熱水，熱水器就自動適時將多少熱水加熱到合適溫度，從而避免熱水資源的浪費，達到最大限度節能的目的。
發明內容
由以上所述可知，本發明要解決技術問題是提出一種準量加熱電熱水器，同時給出準量加熱控制方法，從而在保證使用方便的前提下，以簡單經濟的方式，達到儘可能節省電能的目的。
假設熱水器是一個在使用中只排出熱水而不補充冷水的熱水容器，實現熱水準量控制並不非常困難。容易想到的技術方案是在熱水器中設置溫度傳感器的基礎上，增設流量計，通過監測溫度傳感器和流量計，便可得知用戶打開熱水器後的熱水用量。據此控制下次的熱水加熱量，便可在用戶用水具有一定規律時，實現再次用水之後不留多餘熱水，從而達到儘可能節能的目的。
然而事實上，電熱水器即使在用水時，始終保持充滿狀態，即當熱水從內膽的出水口流出時，相應的冷水將由進水口進入。因此，實現熱水的準量控制需要解決在動態過程中如何測得用戶的熱水用量、如何控制再次加熱的熱水量等一系列問題。
在進行反覆實驗摸索和分析研究的基礎上，為了解決以上技術問題，申請人形成了以下準量加熱電熱水器的基本技術方案該電熱水器包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、電子電路；所述電子電路的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，其控制輸出端接電加熱器件；所述電子電路中含有存儲裝置——用於存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值；比較裝置——用於將溫度傳感器測得的用水後水溫或其變化值與對應預定域(包括當預定域上限等於下限而成為預定值的情況)進行比較；運算裝置——用於當比較結果大於預定域上限閾值時，通過運算適量降低存儲裝置中的預設加熱溫度值。
與上述技術方案對應的準量加熱控制方法為，在包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、電子電路的電熱水器中，所述電子電路的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，其控制輸出端接電加熱器件；所述電子電路的控制步驟為存儲步驟——存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值；比較步驟——將溫度傳感器測得的用水後水溫或其變化值與對應預定域(包括當預定域上限等於下限而成為預定值的情況)進行比較；運算步驟——當比較結果大於預定域上限閾值時，通過運算適量降低預設加熱溫度值。
為了避免可能出現的預設加熱溫度值偏低的情況，以上運算裝置或運算步驟在比較結果小於預定域下限閾值時，通過運算適量提高存儲裝置中的預設加熱溫度值(容易理解，當比較結果落在上限閾值與下限閾值之間時，保持原預設加熱溫度值)。
以上技術方案依據的基本熱力學原理是通常電熱水器的預設加熱溫度值總是大於可用水溫(例如，洗澡時的預設加熱溫度值可以為70℃，而實際的可用水溫可以為40℃±δ℃)。加熱時，電子電路、尤其是含有微處理器的控制電路在水溫達到預設加熱溫度時，自動切斷電加熱器件。用水過程中，由於不斷有冷水從進水口補充，因此熱水器中的水溫逐漸下降。用水後，如果測得的熱水器內膽中水溫高於可用水溫；或者用水後，測得的水溫下降率不足以使用水結束時的水溫落在可用水溫範圍，都說明內膽中尚存有可用的熱水，即意味著將有剩餘熱量不能被利用。因此，只要根據可用水溫，合理確定用水後水溫或其下降率的預定域(比較範圍)，在用戶有規律用水的情況下，當電子電路通過比較裝置的比較，「得知」尚有剩餘熱水的結果後，將自動通過運算裝置，適量降低存儲裝置中的預設加熱溫度值，從而使下一次的加熱水溫有所下降。而當預設加熱溫度值過低、用水後熱水可能出現短缺時，又將適當調高預設加熱溫度值。通過若干次「學習」，對預設加熱溫度值自動修正(每次修正的量可以採用遞減或遞增、插補、優選等各種運算量)，本發明的電熱水器就可以實現用水之後的餘水溫度恰巧落在可用水溫範圍，即在保證不出現水溫過低、切實滿足使用需求的前提下，實現準量加熱控制，達到儘可能節省電能的目的。
本發明以上技術方案的顯著優點如下1、可以在不增加新硬體設施(例如流量計)的情況下實現，因此實施成本十分經濟，推廣應用切實可行；2、合理降低預設加熱溫度值不僅避免了剩餘熱水的浪費，同時減少了保溫的熱損耗，因此節能效果更為明顯。
由此可見，本發明突破了常規思維，從分析電熱水器實際使用情況的獨特角度出發，以巧妙合理的技術方案，進一步「挖掘」出電子電路(尤其是含有微處理器的控制電路)的「自學習」功能，實現了儘可能節省電能的智能化控制。
依託上述技術方案，如果通過實驗，將有關比較運算結果預先量化，實現本發明目的的一種簡化技術方案是，根據統計實驗，預先在存儲裝置中存儲一份對應關係表，從而以讀取裝置取代上述比較裝置和運算裝置，或者以讀取步驟取代比較步驟和運算步驟，根據溫度傳感器測得的用水後水溫，讀取預定對應關係表中的對應數值，改寫存儲裝置中的預設加熱溫度值。這樣，顯然可以實現基本相同的準量控制作用效果。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明實施例一的結構示意圖。
圖2為圖1實施例的控制電路原理圖。
圖3為圖1實施例的控制過程框圖。
圖4為本發明實施例二的結構示意圖。
圖5為圖4實施例的控制電路原理圖。
圖6為圖4實施例的控制過程框圖。
圖7為本發明實施例三的結構示意圖。
圖8為圖7實施例的控制電路原理圖。
圖9為圖7實施例的控制過程框圖。
圖10為本發明實施例四的控制過程框圖。
具體實施例方式
實施例一本實施例的準量加熱電熱水器如圖1和圖2所示，在電熱水器的儲水內膽1(A為圓截面、B為矩形截面)的下部安置有電加熱棒2，偏上部位安置有溫度傳感器3，其加熱控制電路如圖2所示，以微控制器晶片MCU(MC68HC908JL3)為核心，水溫傳感器Rt以及分壓電阻R4、電容C2構成溫度傳感器電路模塊，其輸出接MCU作為探測輸入端的A/D轉換口PB0腳。工作時，MCU通過分析Rt與R4分壓電壓值的變化感知熱水器內膽內傳感器位置處的水溫的變化情況。圖中，MCU的輸出控制電平引腳PD2接由繼電器J、驅動三極體T1、電容C3、電阻R3構成的電加熱棒控制電路模塊。加熱時，MCU對較溫度測量值與存儲在MCU存儲器中的預設加熱溫度值進行比較。若前者小於後者，則PD2輸出「1」，驅動繼電器工作，電加熱棒工作；反之輸出「0」，停止電加熱棒工作。
以上加熱控制電路的其它部分與現有技術相同，因此不另贅述。
為了能夠實現合理的準量控制——即再次用水之後不留多餘熱水，從而達到儘可能節能的目的，MCU中的比較器除了在加熱階段進行上述比較之外，還將溫度傳感器測得的用水後水溫與預定域進行比較。本實施例中，當測得的用水後水溫高於45℃時，通過運算器將預設加熱溫度值減低5℃，改寫存儲器；反之，當測得的用水後水溫低於35℃時，將預設加熱溫度值增加5℃，改寫存儲器；否則不改變預設加熱溫度值。
在對電熱水器使用情況進行調查後，申請人發現熱水的使用可以歸納為洗手、洗碗之類的小流量用水事件和以洗浴為主的大流量用水事件。容易理解，由於大流量用水事件和小流量用水事件引起的熱水器水溫下降率不同，因此通過監測熱水器內膽的水溫變化率不難作出判斷。通常洗浴之類的大流量用水事件具有一定的規律，對其進行準量控制才更有意義。所以，在進行上述準量控制之前，可以採取以下方法，對是否是大流量用水事件進行判斷即通過判斷設定時間間隔熱水器水溫的下降率，達到判斷目的。具體而言，本實施例定為每1分鐘內水溫降低大於1℃、連續3次出現則認為發生了大流量用水事件。因此，本實施例的MCU中還含有用於比較水溫下降率是否符合預定大流量用水判定條件、從而判斷是否是大流量用水事件的比較器。可見，此法不用增設流量計，在原有硬體設施的基礎上添加相應的程序即可。
此外，對大流量用水事件發生之後的停止用水，也可以不用流量計，而通過判斷水溫停止變化時間長短得知。具體而言，本實施例定為水溫停止變化超過3分鐘，則認為是停止用水。因此，本實施例的MCU中還含有用於比較水溫停止變化是否符合預定停水判定條件、從而判斷是否停止用水的比較器。
其具體的準量加熱控制過程參見圖4所示(與準量控制無直接關係的步驟略述)，有關步驟如下
存儲步驟——存儲控制加熱溫度的預設加熱溫度值Ts(例如冬天設定為70℃、夏天設定為50℃)；第一比較步驟——將水溫下降率與上述預定大流量用水判定條件進行比較，符合則進行以下步驟；第二比較步驟——將水溫停止變化情況與上述預定停水判定條件進行比較，符合則進行以下步驟；第三比較步驟——將溫度傳感器測得的用水停止後的水溫Te與預定溫度域(上限45℃、下限35℃)進行比較；運算步驟——當比較結果大於上限閾值、即測得的用水後水溫高於45℃時，將預設加熱溫度值減少5℃，改寫上述存儲器；反之，當比較結果小於下限閾值、即測得的用水後水溫低於35℃時，將預設加熱溫度值增加5℃，改寫上述存儲器。
這樣，如前次的預設加熱溫度值過高，在大流量用水後餘留熱水，則再次加熱時，熱水器將根據經改寫適當下調的預設加熱溫度值，合理降低加熱溫度，從而達到大流量用水後熱水器內不餘留熱水的目的，實現準量加熱控制，儘可能節省電能。反之，如用水停止時的水溫過低，則可以適當上調預設加熱溫度值，保證下次用水可以滿足使用需求。
本實施例不僅實現了熱水的準量控制，而且在不用流量計的情況下，巧妙通過水溫下降率、停止溫降時間的比較，判斷出大流量用水以及停止用水的情況，從而使熱水的準量控制更為科學合理、更具推廣意義。
實施例二本實施例的準量加熱電熱水器如圖4所示，與實施例一不同的是，在電熱水器的儲水內膽1的中部安置進水溫度傳感器T2、T2的上面安置控制/顯示溫度傳感器T1。因此其加熱控制電路也略有不同，如圖5所示，傳感器T1電路模塊包括Rt1、電阻R11、電容C11，輸出端接MCU的A/D轉換器PB0；傳感器T2電路模塊包括Rt2、電阻R12、電容C12，接MCU的A/D轉換口PB1。
本實施例的準量控制過程見圖6，其中T1內膽上部溫度傳感器的溫度T2加熱棒上方內膽中部溫度傳感器的溫度Ts預設加熱溫度值T1e放水結束時T1點溫度值T2e放水結束時T2點溫度值K放水結束時前2分鐘T1的平均變化率(℃/min)整個控制過程的主要步驟與實施例一類同，不同之處為1)、在第一比較步驟進行大流量用水判斷結果為「是」之後，先判斷一下預設加熱溫度值是否低於45℃；如「否」再進行以下判斷，如「是」則說明預設加熱溫度值已足夠低，無需進行後續步驟；2)、大流量用水事件發生後，以內膽上部溫度傳感器的溫度平均變化率K是否大於1作為停止用水的判定條件，這樣更具合理性；3)、先將內膽中部溫度傳感器測得的用水停止後的水溫T2e與預定溫度值40℃進行比較，如大於，則說明用水後內膽中部以上餘留較多熱水，因此將預設加熱溫度值Ts降低到45/60(即降低到75％)；如小於則進一步對內膽上部溫度傳感器的溫度平均變化率K進行比較，如小於0.3，說明內膽上部仍有溫度較高的熱水，因此將預設加熱溫度值Ts降低到50/60(即降低到83％)；如大於0.3，說明內膽上部雖有熱水，但餘量不多，因此將預設加熱溫度值Ts降低到55/60(即降低到92％)；
4)最後經過比較、賦值，確保經過以上過程的預設加熱溫度值Ts不低於42℃。
可以理解，本實施例由於採用了兩個溫度傳感器，併合理選擇其測量值分別作為水溫以及水溫變化率的對比值，因此更符合電熱水器的使用情況。此外，本實施例在判定有餘留熱水的前提下，巧妙通過中部水溫和上部水溫下降率兩步比較，可以得知餘留熱水量的多少，從而有針對性地下調預設加熱溫度值Ts，使準量控制更細緻合理。
實施例三本實施例的準量加熱電熱水器與以上實施例不同的是，溫度傳感器可以進一步增加到三至五個，或更多個。本例對五個傳感器的情況進行說明，這五個溫度傳感器T1-T5分別安置在圖7所示的內膽從上到下各個位置。其加熱控制電路中MCU有五個A/D轉換口PB0-PB4，分別接各傳感器與對應電阻、電容組成的傳感器電路模塊的輸出端(參見圖8)。這樣設計的原因是，熱水器內膽中的水溫在用水時存在較為明顯的上高下低分層現象，在內膽從上到下不同位置設置傳感器可以了解水溫梯度，從而更合理地進行準量控制。
本實施例準量加熱的控制過程如圖9所示，其中Ki(i＝1，2，3，4，5)第i個溫度傳感器測得的水溫下降率；T5第5個溫度傳感器測得的水溫值；Te1第1個溫度傳感器用水後測得的水溫值；a降溫速率，本實施例定義a＝1℃/分鐘，先後用做大流量用水以及是否有餘留熱水的判定條件之一；Ts預設加熱溫度值。
整個控制過程的總體思路與實施例一相同，不同的是1)、第一比較步驟中——先將上層溫度傳感器測得的水溫下降率與預定大流量用水判定條件(每1分鐘內水溫降低大於1℃、連續3次出現)進行比較，不符合則對相鄰下一溫度傳感器測得的水溫下降率進行比較；無論哪層比較結果滿足條件，均認為發生了大流量用水事件；這樣可以監督整個內膽各層水溫變化情況，更為可靠及時地判斷出大流量用水事件；2)、在進行第二比較步驟判斷水溫停止變化超過3分鐘、滿足停止用水條件後，第三比較步驟中先將上層溫度傳感器測得的用水後水溫下降率與是否有餘留熱水條件進行比較，不滿足條件則對相鄰下一溫度傳感器測得的水溫下降率進行比較；3)、運算步驟——當任一比較結果滿足餘留熱水條件，則將預設加熱溫度值減少(i-1)x5℃，改寫存儲器。由於內膽較上部位水溫下降迅速說明餘留熱水較少，因此預設加熱溫度值下調量應當小些；反之，內膽下部水溫下降迅速說明餘留熱水較多，因此預設加熱溫度值下調量應當大些，這樣可以進一步準確、合理、儘快地實現熱水的準量控制。
為避免預設加熱溫度值過低而無法滿足熱水器的使用要求，本實施例以T5與Te1之和與根據經驗總結出的有關參數進行比較，從而酌情合理確定預設加熱溫度的上調值，其運算參見圖9可知，不詳細描述。
實施例四本實施例準量加熱電熱水器的溫度傳感器以及控制電路均與實施例2相同。不同的是，其控制過程與上文發明內容中的另一種技術方案對應，其主要裝置和步驟(參見圖10)可以描述為存儲裝置(步驟)——用於存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值以及預定對應關係表；
讀寫裝置(步驟)——(本例在在判斷出現大流量用水事件之後)用於根據溫度傳感器測得的用水後水溫，讀取預定關係表中的對應數值a，改寫存儲裝置中的預設加熱溫度值Ts。
以上預定對應關係表中的數值為根據實驗得出的經驗數據，考慮到各種綜合因素，具有足夠的精確性和合理性，因此可以讀取裝置(步驟)取代比較裝置(步驟)和運算裝置(步驟)，根據溫度傳感器測得的用水後水溫，讀取關係表中的對應數值，改寫存儲裝置中的預設加熱溫度值，即可達到準量控制的作用效果。
除上述實施例外，本發明還可以有許多其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。
權利要求
1.一種準量加熱電熱水器，包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、電子電路；所述電子電路的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，其控制輸出端接電加熱器件；其特徵在於所述電子電路中含有存儲裝置——用於存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值；比較裝置——用於將溫度傳感器測得的用水後水溫或其變化值與對應預定域進行比較；運算裝置——用於當比較結果大於預定域上限閾值時，通過運算適量降低存儲裝置中的預設加熱溫度值。
2.根據權利要求1所述準量加熱電熱水器，其特徵在於所述運算裝置還用於當比較結果小於預定域下限閾值時，通過運算適量提高存儲裝置中的預設加熱溫度值。
3.根據權利要求2所述準量加熱電熱水器，其特徵在於所述電子電路為含有微處理器的控制電路。
4.根據權利要求3所述準量加熱電熱水器，其特徵在於所述微處理器中中含有——用於比較水溫下降率是否符合預定大流量用水判定條件、從而判斷是否是大流量用水事件的比較器；——用於比較水溫停止變化是否符合預定停水判定條件、從而判斷是否停止用水的比較器。
5.一種準量加熱電熱水器，包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、電子電路；所述電子電路的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，控制輸出端接電加熱器件；其特徵在於所述電子電路中含有存儲裝置——用於存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值以及預定對應關係表；讀寫裝置——用於根據溫度傳感器測得的用水後水溫，讀取預定關係表中的對應數值，改寫存儲裝置中的預設加熱溫度值。
6.一種電熱水器準量加熱控制方法，在包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、電子電路的電熱水器中，所述電子電路的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，其控制輸出端接電加熱器件；所述電子電路的控制步驟為存儲步驟——存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值；比較步驟——將溫度傳感器測得的用水後水溫或其變化值與對應預定域進行比較；運算步驟——當比較結果大於預定域上限閾值時，通過運算適量降低預設加熱溫度值。
7.根據權利要求6所述熱電熱水器準量加熱控制方法，其特徵在於所述運算步驟還包括當比較結果小於預定域下限閾值時，將預設加熱溫度值適量提高。
8.根據權利要求7所述熱電熱水器準量加熱控制方法，其特徵在於所述比較步驟之前，還有第一比較步驟——將水溫下降率與預定大流量用水判定條件進行比較，符合則進行後續步驟；第二比較步驟——將水溫停止變化情況與預定停水判定條件進行比較，符合則進行後續步驟。
9.一種電熱水器準量加熱控制方法，在包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、電子電路的電熱水器中，所述電子電路的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，其控制輸出端接電加熱器件；所述電子電路的控制步驟為存儲步驟——存儲限制加熱溫度的預設加熱溫度值以及預定對應關係表；讀寫步驟——根據溫度傳感器測得的用水後水溫，讀取預定關係表中的對應數值，改寫存儲裝置中的預設加熱溫度值。
全文摘要
本發明涉及一種通過智能控制達到節能目的的電熱水器，同時還涉及相應的控制方法，屬於家用電器技術領域。該熱水器包括儲水內膽、安置在內膽中的電加熱器件、含有微處理器的控制電路；所述微處理器的探測輸入端接安置在內膽預定位置的水溫傳感器，控制輸出端接電加熱器件；所述微處理器中含有用於存儲控制加熱溫度值的存儲裝置、用於將用水後水溫與預定可用水溫度值進行比較的比較裝置、用於當比較結果大於預定閾值時遞增預設加熱溫度值、反之遞增的運算裝置。本發明的實施成本十分經濟，推廣應用切實可行，並且在避免剩餘熱水浪費的同時，減少了保溫的熱損耗，因此節能效果更為明顯。
文檔編號G05D23/24GK1808321SQ20051009493
公開日2006年7月26日 申請日期2005年10月21日 優先權日2005年10月21日
發明者丁威, 邱步, 鞠平, 萬華新 申請人:艾歐史密斯(中國)熱水器有限公司