適應峰谷階梯電價的住宅空調系統的製作方法

2023-09-18 21:47:05 1

專利名稱：適應峰谷階梯電價的住宅空調系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於能源監測與控制技術領域，尤其涉及一種適應峰谷階梯電價的住宅空調系統。
背景技術：
電力系統實施削峰填谷的措施是因為電廠是全天候持續發電的，如果發出來的電不用掉，用於發電的能源就會浪費掉。一個發電廠發電能力通常是固定不變的，但是用電高峰通常在白天，造成白天電不夠用，晚上則是低谷，有多餘用不掉的電。針對此現象，如果能把一部分高峰負荷挪到晚上低谷期，從而利用晚上多餘的電力，也就達到了節約能源的目的。對於使用空調調節室內溫度的家庭而言，冬夏兩季的供熱與供暖質量的好壞對家庭生活產生重要的影響。以冬季為例，若選擇M小時不間斷供暖，雖然能夠保證溫度適宜，身體舒適，但供暖成本會很高，普通家庭難以承受；若選擇分階段供暖，又難以保證家人一定可以在進入家門的時候享受到溫暖的熱氣。夏季製冷也有類似的情況發生。使用普通空調製熱或者製冷，無法實現時間上的搬移。即白天開啟空調產生的熱量或者冷氣無法保存到夜間。這就無法在保證住宅室內溫度全天適宜的前提下，充分利用夜間低谷電價，為電網均衡用電負荷。
發明內容針對上述背景技術中描述的問題，本實用新型提供一種適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，用於克服目前使用的供暖供熱系統存在的不足。為了實現上述目，本實用新型的技術方案是，一種適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述系統包括溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器、第三繼電器、熱泵、儲水箱、電磁閥、太陽能熱水器和地暖管道；其中，所述溫度傳感器與控制電路相連；所述定時器與控制電路相連；所述控制電路分別與溫度傳感器、定時器、第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器相連；所述第一繼電器分別與控制電路和電磁閥相連；所述第二繼電器分別與控制電路和熱泵相連；所述第三繼電器分別與控制電路和熱泵相連；所述熱泵分別與第二繼電器、第三繼電器和儲水箱相連；所述電磁閥分別與第一繼電器、太陽能熱水器、地暖管道的出水口和地暖管道的入水口相連；所述太陽能熱水器與電磁閥相連；所述地暖管道纏繞在儲水箱內部，並貼在儲水箱的內壁。[0017]所述溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器製作在同一個電路板上。所述控制電路包括顯示屏。所述第一繼電器為固態繼電器，其型號為HFS32-12D-M0A2Z。所述第二繼電器為固態繼電器，其型號為HFS32-12D-M0A2Z。所述第三繼電器為固態繼電器，其型號為HFS32-12D-M0A2Z。所述電磁閥為二位二通常閉型電磁閥。本實用新型提供的系統可以實現普通空調製熱或者製冷在實現時間上的搬移，進而可以實現將用電高峰需要使用的電量轉移到用電低谷時間段使用；同時，該系統相比於普通空調，消耗的能源更低。

圖1是本實用新型提供的空調系統結構圖。圖2是本實用新型提供的空調系統冬季運行二維示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實用新型的範圍及其應用。圖1是本實用新型提供的空調系統結構圖。本實用新型提供的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統包括溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器、第三繼電器、熱泵、儲水箱、電磁閥、太陽能熱水器和地暖管道。其中，溫度傳感器與控制電路相連，用於測量室內溫度，並將測量結果發送至控制電路。定時器與控制電路相連，用於獲取當前時間，並將當前時間發送至控制電路。控制電路分別與溫度傳感器、定時器、第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器相連，用於根據當前時間和當前室內溫度，分別控制第一繼電器、第二繼電器或者第三繼電器工作。第一繼電器分別與控制電路和電磁閥相連，用於在控制電路的控制下，控制電磁閥的開啟或者閉合。第二繼電器分別與控制電路和熱泵相連，用於在控制電路的控制下，控制熱泵開始或者停止供熱。第三繼電器分別與控制電路和熱泵相連，用於在控制電路的控制下，控制熱泵開始或者停止製冷。溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器可以製作在同一個電路板上。該電路板由單片機(相當於控制電路，型號STC89C52)、溫度傳感器(型號DS18B20)、顯示屏(型號LCD-1602)、三極體(型號8050)、繼電器(型號HFS32-12D-240A2Z)、穩壓電路(型號:L78M05ABD2T)以及晶振(型號:12M)等組成。整個電路由12V直流電供電，單片機所需要的工作電壓是5V，繼電器所需要的工作電壓是12V。上述第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器為固態繼電器(Solid State Relay,縮寫SSR)，是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關。用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離。固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。固態繼電器有三部分組成輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CM0S兼容，正負邏輯控制和反相等功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。我們之所以選擇固態繼電器，是因為它有著以下的優點，更好的切合了節能減排的思想高壽命，高可靠靈敏度高，控制功率小，快速轉換，電磁幹擾小。上述固態繼電器可以採用型號為HFS32-12D-M0A2Z的固態繼電器。該固態繼電器上有四個引腳，低電平的兩個引腳連接12V電壓，高壓側連接220V外電路。由於單片機輸出的電壓最大為5V。所以我們運用模電知識，將5V電壓進行了放大。運用在MultiSIM2001中的仿真電路，當用單片機給基級輸出一個低電平時，三極體會導通，電流由集電極流進射級，繼而使得繼電器的兩個引腳接通電源，電感線圈內部產生磁場，並控制後端接通220V電源。熱泵分別與第二繼電器、第三繼電器和儲水箱相連，用於對儲水箱中的水供熱或者製冷。熱泵有如下優點節能效果顯著，用電量只是電鍋爐的1/4、柴油鍋爐的1/3 ；加熱方式完全不同於普通電加熱，從根本上杜絕了普通電加熱漏電、幹燒等安全隱患，完全實現水電分離。熱泵可以分為兩種模式，加熱模式用於在冬季加熱儲水箱和地暖管道中的水，製冷模式用於在夏季冷卻儲水箱和地冷管道中的水。電磁閥分別與第一繼電器、太陽能熱水器、地暖管道的出水口和地暖管道的入水口相連，電磁閥開啟時，太陽能熱水器和地暖管道形成循環系統，太陽能熱水器中的熱水通過地暖管道的入水口流入地暖管道，地暖管道中的涼水通過地暖管道的出水口流入太陽能熱水器。電磁閥採用二位二通常閉型電磁閥，斷電關閉，通電打開。採用頂尖式結構，自動密封補償大延長該閥使用壽命產品為系列化生產，體積小，流量大，適用範圍廣密封件採用聚四氟乙烯材料(Teflon)，以適用不同流體的開關控制電壓AC220VDC24V。電磁閥受第一繼電器控制，控制太陽能熱水器中熱水是否接入地暖系統，由於只有在冬季12:00 16:00間電磁閥才打開，為了節約電能，選擇常閉型電磁閥。太陽能熱水器與電磁閥相連，用於在電磁閥的控制下，將自身的熱水提供地暖管道。太陽能熱水器採用160L缸體。太陽能熱水器的體積一般是最少人均50L，三口之家一般選擇160L以上為宜。太陽能熱水器在本系統中有兩處用途，夏季時，電磁閥常閉，熱水不會流入地暖管道，用戶可以通過水龍頭使用。在冬季時，太陽能熱水器在晴天可以通過吸收太陽光光能，在7:00 12:00將水箱內的溫度提升到約60°C。地暖管道不同於暖氣片，由於其散熱面積大，故60°C的溫水可以作為地暖管道的熱補給水。因而12:00後電磁閥打開，使得太陽能熱水器中熱水流入地暖系統，實現供暖。在16:00以後，太陽光光能消失殆盡，這時電磁閥關閉，太陽能熱水器中水溫的下降不會影響到地暖管道的供熱。整個系統確保了太陽能的最大利用。地暖管道纏繞在儲水箱內部，並貼在儲水箱的內壁，地暖管道是整個空調系統的散熱部件，一般鋪設在房屋的地板下方。通過調節地暖管道中的水溫，實現室溫的調節。地暖管道中的水的溫度可以通過儲水箱中的水的溫度進行調節。為了實現更好的調溫效果，地暖管道應當使用熱傳導效能較好的材料製成。同樣地，儲水箱也應當使用熱傳導效能較好的材料製成，比如金屬等。儲水箱具有儲存加熱或製冷後水源並對其進行保溫的作用。當儲水箱體積為單位體積一立方米時，經計算整個空調系統已經可以有較大量能源的節約。在一定範圍內，隨著儲水箱體積的增大，夜間儲存的調溫水越多，空調系統在次日可以維持的時間就越長，可以節約更多的能源。依據目前大多數居民住房面積，本系統暫定儲水箱體積為一立方米。需要說明的是，在白天，我們並不是將儲水箱中的水釋放到地暖管道中，因為那樣的調溫方式會使溫度突變過大，不適宜人體居住。我們是通過儲水箱加熱回水管的方式，來實現對室內溫度的提升，這樣儲水箱中的熱可以緩慢的交換給地暖管道中的循環水，室內的溫度可以保持長久的舒適。下面以夏季和冬季為例，進一步說明本實用型新提供的空調系統的具體使用方法。在夏季，根據室內溫度和時間，做如下控制當時間為23 00-次日7 00時，並且室內溫度T > 20°C時，控制電路控制第三繼電器使熱泵開始製冷，儲冷並且為住宅製冷。當時間為23:00-次日7:00時，並且室內溫度T < 20°C時，室內溫度適宜，控制電
路控制第三繼電器使熱泵停止製冷。當時間為7:00-23:00時，並且室內溫度T 30°C，控制電路控制第三繼電器使熱泵工作，補充性製冷。圖2是本實用新型提供的空調系統冬季運行二維示意圖。圖2中，在冬季，根據室內溫度和時間，做如下控制當時間為23:00-次日7:00時，並且室內溫度T 25°C，住宅溫度適宜，控制電路
控制第二繼電器使熱泵停止供暖。當時間為7:00-23:00時，並且室內溫度T > 15°C，控制電路控制第二繼電器使熱
泵停止供暖。當時間為7:00-23:00時，並且室內溫度T > 15°C，控制電路控制第二繼電器使熱
泵工作，補充性供暖。當時間為12:00-16:00時，控制電路控制第一繼電器使電磁閥打開，太陽能熱水器中加熱過的循環水自動流入地暖管道。本實用新型提供的空調系統無論從經濟性還是供能效果，都優於普通空調。在經濟性方面，以冬季為例，假設全天共使用30度電，電價在白天尖峰時段(7:00-23:00)為0.48元/度，夜間低谷時段(23:00-次日7:00)為0.3元/度，則普通空調花費為Hl = 0.3X10+0. 48X20 = 12. 6元，而本實用新型提供的空調系統，由於白天供電尖峰時段基本使用太陽能熱水器供熱，不會使用到熱泵，因此其花費為H2 = 0.3X30 =9元。顯然，本實用新型提供的空調系統比普通空調更經濟。[0056]在供能效果上，以冬季供暖為例，傳統供暖方式為暖氣供暖，一天內暖氣片中水溫均值約為90°C。在此溫度下，假設住宅保溫係數(1-單位體積室內空氣散失的能量/單位體積室內空氣相對室外多出的能量)為0.7(目前國內住宅平均保溫係數值)，由於水是不斷流動的，室內單位體積空氣所均攤的水的質量近似為一個暖氣片組中水的質量，則有Q1 = CXMX (T1-T2) = 4. 3X 1000X30X (90-10) = 10320000Q' ！ = Q1XO. 7 = 10320000X0. 7 = 7224000其中，(^1為室內空氣相對室外多出的能量(單位焦耳)，Q'工為室內空氣散失的能量(單位焦耳)，C為水的比熱容(單位焦耳/千克X攝氏度)，M為暖氣片水的質量(單位千克)，T1為暖氣片中的水的開始溫度(單位攝氏度)，Τ2為暖氣片中的水的終止溫度(單位攝氏度)。本實用新型提供的空調系統，由於地暖管道中水也是不斷流動的，室內單位體積空氣所均攤的水的質量近似為室內地暖管道中的水量，則有Q2 = CXMX (Τ1-Τ2) = 4. 3X 1000X35X (60-10) = 7525000Q' 2 = Q2XO. 7 = 7525000X0. 7 = 526700其中，( 為室內空氣相對室外多出的能量(單位焦耳)，Q' 2為室內空氣散失的能量(單位焦耳)，C為水的比熱容(單位焦耳/千克X攝氏度)，M為暖氣片水的質量(單位千克)，τ 為地暖管道中的水的開始溫度(單位攝氏度)，T2為地暖管道中的水的終止溫度(單位攝氏度)。太陽能熱水器可以在4小時內將100千克的水的溫度從10攝氏度提升至60攝氏度，則有Q3 ^ 100X4. 2 X 1000 X (60-10) = 2100000將太陽能平均化，則有Q' 3 = Q3/100 = 210000Q4 = Q' 2-Q' 3 = 5057500其中，Q3是太陽能熱水器產生的熱量(單位焦耳)，Q' 3是太陽能平均化的結果(單位焦耳)，A是室內空氣散失的能量(單位焦耳)。從中可以看出，本實用新型提供的空調系統散失的熱量小於普通暖氣片散失的熱量。綜上所述，本實用新型可以實現普通空調製熱或者製冷在實現時間上的搬移，進而可以實現將用電高峰需要使用的電量轉移到用電低谷時間段使用；同時，該系統相比於普通空調或暖氣片，消耗的能源更低。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求1.一種適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述系統包括溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器、第三繼電器、熱泵、儲水箱、電磁閥、太陽能熱水器和地暖管道；其中，所述溫度傳感器與控制電路相連；所述定時器與控制電路相連；所述控制電路分別與溫度傳感器、定時器、第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器相連；所述第一繼電器分別與控制電路和電磁閥相連；所述第二繼電器分別與控制電路和熱泵相連；所述第三繼電器分別與控制電路和熱泵相連；所述熱泵分別與第二繼電器、第三繼電器和儲水箱相連；所述電磁閥分別與第一繼電器、太陽能熱水器、地暖管道的出水口和地暖管道的入水口相連；所述太陽能熱水器與電磁閥相連；所述地暖管道纏繞在儲水箱內部，並貼在儲水箱的內壁。
2.根據權利要求1所述的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器和第三繼電器製作在同一個電路板上。
3.根據權利要求1或2所述的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述控制電路包括顯示屏。
4.根據權利要求1或2所述的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述第一繼電器為固態繼電器，其型號為HFS32-12D-M0A2Z。
5.根據權利要求1或2所述的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述第二繼電器為固態繼電器，其型號為HFS32-12D-M0A2Z。
6.根據權利要求1或2所述的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述第三繼電器為固態繼電器，其型號為HFS32-12D-M0A2Z。
7.根據權利要求1或2所述的適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，其特徵是所述電磁閥為二位二通常閉型電磁閥。
專利摘要本實用新型公開了能源監測與控制技術領域中的一種適應峰谷階梯電價的住宅空調系統，用於克服目前使用的供暖供熱系統存在的不足。該系統包括溫度傳感器、定時器、控制電路、第一繼電器、第二繼電器、第三繼電器、熱泵、儲水箱、電磁閥、太陽能熱水器和地暖管道。本實用新型實現了普通空調製熱或者製冷在實現時間上的搬移，進而可以實現將用電高峰需要使用的電量轉移到用電低谷時間段使用；同時，該系統相比於普通空調，消耗的能源更低。
文檔編號F25B49/00GK202304091SQ20112038044
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月9日 優先權日2011年10月9日
發明者高尚 申請人:華北電力大學