CN100555151C - 准量加热电热水器及准量加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过智能控制达到节能目的的电热水器，同时还涉及相应的控制方法，属于家用电器技术领域。该热水器包括储水内胆、安置在内胆中的电加热器件、含有微处理器的控制电路；所述微处理器的探测输入端接安置在内胆预定位置的水温传感器，控制输出端接电加热器件；所述微处理器中含有用于存储控制加热温度值的存储装置、用于将用水后水温与预定可用水温度值进行比较的比较装置、用于当比较结果大于预定阈值时递增预设加热温度值、反之递增的运算装置。本发明的实施成本十分经济，推广应用切实可行，并且在避免剩余热水浪费的同时，减少了保温的热损耗，因此节能效果更为明显。

Description

准量加热电热水器及准量加热控制方法

技术领域

本发明涉及一种通过智能控制达到节能目的的电热水器，同时还涉及相应的控制方法，属于家用电器技术领域。

背景技术

电热水器具有调控方便、使用安全的优点，因此已成为得到推广应用的家用电器。

为了使电热水器使用时更方便、节能，本专利申请人曾通过对电热水器微处理器控制的发明创造，提出了具有“自学习”功能的电热水器设计方案，并于2000年9月29日申请了00112584号、名称为《自适应节能电热水器》的中国发明专利。这种电热水器的微处理器可以通过“学习”，掌握用户的用水习惯，从而适时自动提前加热，即方便了用户的使用，又避免了加热时间过长导致的能源浪费。推出之后，受到了用户的普遍欢迎。

在深入进行研究的基础上，申请人发现，在保证使用方便的前提下，要想最大限度的节省电能，除了适时自动提前加热之外，热水器还应当能够根据用户不同季节用水习惯的变化，自动调适控制加热的热水量，从而实现适温、适时、尤其是适量(本专利申请将其称之为准量控制)的全方位自动控制。通俗些说，就是用户需要多少热水，热水器就自动适时将多少热水加热到合适温度，从而避免热水资源的浪费，达到最大限度节能的目的。

发明内容

由以上所述可知，本发明要解决技术问题是：提出一种准量加热电热水器，同时给出准量加热控制方法，从而在保证使用方便的前提下，以简单经济的方式，达到尽可能节省电能的目的。

假设热水器是一个在使用中只排出热水而不补充冷水的热水容器，实现热水准量控制并不非常困难。容易想到的技术方案是：在热水器中设置温度传感器的基础上，增设流量计，通过监测温度传感器和流量计，便可得知用户打开热水器后的热水用量。据此控制下次的热水加热量，便可在用户用水具有一定规律时，实现再次用水之后不留多余热水，从而达到尽可能节能的目的。

然而事实上，电热水器即使在用水时，始终保持充满状态，即当热水从内胆的出水口流出时，相应的冷水将由进水口进入。因此，实现热水的准量控制需要解决在动态过程中如何测得用户的热水用量、如何控制再次加热的热水量等一系列问题。

在进行反复实验摸索和分析研究的基础上，为了解决以上技术问题，申请人形成了以下准量加热电热水器的基本技术方案：

该电热水器包括储水内胆、安置在内胆中的电加热器件、电子电路；所述电子电路的探测输入端接安置在内胆预定位置的水温传感器，其控制输出端接电加热器件；所述电子电路中含有

存储装置——用于存储限制加热温度的预设加热温度值；

比较装置——用于将温度传感器测得的用水后水温或其变化值与对应预定域(包括当预定域上限等于下限而成为预定值的情况)进行比较；

运算装置——用于当比较结果大于预定域上限阈值时，通过运算适量降低存储装置中的预设加热温度值。

与上述技术方案对应的准量加热控制方法为，在包括储水内胆、安置在内胆中的电加热器件、电子电路的电热水器中，所述电子电路的探测输入端接安置在内胆预定位置的水温传感器，其控制输出端接电加热器件；所述电子电路的控制步骤为：

存储步骤——存储限制加热温度的预设加热温度值；

比较步骤——将温度传感器测得的用水后水温或其变化值与对应预定域(包括当预定域上限等于下限而成为预定值的情况)进行比较；

运算步骤——当比较结果大于预定域上限阈值时，通过运算适量降低预设加热温度值。

为了避免可能出现的预设加热温度值偏低的情况，以上运算装置或运算步骤在比较结果小于预定域下限阈值时，通过运算适量提高存储装置中的预设加热温度值(容易理解，当比较结果落在上限阈值与下限阈值之间时，保持原预设加热温度值)。

以上技术方案依据的基本热力学原理是：通常电热水器的预设加热温度值总是大于可用水温(例如，洗澡时的预设加热温度值可以为70℃，而实际的可用水温可以为40℃±δ℃)。加热时，电子电路、尤其是含有微处理器的控制电路在水温达到预设加热温度时，自动切断电加热器件。用水过程中，由于不断有冷水从进水口补充，因此热水器中的水温逐渐下降。用水后，如果测得的热水器内胆中水温高于可用水温；或者用水后，测得的水温下降率不足以使用水结束时的水温落在可用水温范围，都说明内胆中尚存有可用的热水，即意味着将有剩余热量不能被利用。因此，只要根据可用水温，合理确定用水后水温或其下降率的预定域(比较范围)，在用户有规律用水的情况下，当电子电路通过比较装置的比较，“得知”尚有剩余热水的结果后，将自动通过运算装置，适量降低存储装置中的预设加热温度值，从而使下一次的加热水温有所下降。而当预设加热温度值过低、用水后热水可能出现短缺时，又将适当调高预设加热温度值。通过若干次“学习”，对预设加热温度值自动修正(每次修正的量可以采用递减或递增、插补、优选等各种运算量)，本发明的电热水器就可以实现用水之后的余水温度恰巧落在可用水温范围，即在保证不出现水温过低、切实满足使用需求的前提下，实现准量加热控制，达到尽可能节省电能的目的。

本发明以上技术方案的显著优点如下：

1、可以在不增加新硬件设施(例如流量计)的情况下实现，因此实施成本十分经济，推广应用切实可行；

2、合理降低预设加热温度值不仅避免了剩余热水的浪费，同时减少了保温的热损耗，因此节能效果更为明显。

由此可见，本发明突破了常规思维，从分析电热水器实际使用情况的独特角度出发，以巧妙合理的技术方案，进一步“挖掘”出电子电路(尤其是含有微处理器的控制电路)的“自学习”功能，实现了尽可能节省电能的智能化控制。

依托上述技术方案，如果通过实验，将有关比较运算结果预先量化，实现本发明目的的一种简化技术方案是，根据统计实验，预先在存储装置中存储一份对应关系表，从而以读取装置取代上述比较装置和运算装置，或者以读取步骤取代比较步骤和运算步骤，根据温度传感器测得的用水后水温，读取预定对应关系表中的对应数值，改写存储装置中的预设加热温度值。这样，显然可以实现基本相同的准量控制作用效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为图1实施例的控制电路原理图。

图3为图1实施例的控制过程框图。

图4为本发明实施例二的结构示意图。

图5为图4实施例的控制电路原理图。

图6为图4实施例的控制过程框图。

图7为本发明实施例三的结构示意图。

图8为图7实施例的控制电路原理图。

图9为图7实施例的控制过程框图。

图10为本发明实施例四的控制过程框图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的准量加热电热水器如图1和图2所示，在电热水器的储水内胆1(A为圆截面、B为矩形截面)的下部安置有电加热棒2，偏上部位安置有温度传感器3，其加热控制电路如图2所示，以微控制器芯片MCU(MC68HC908JL3)为核心，水温传感器Rt以及分压电阻R4、电容C2构成温度传感器电路模块，其输出接MCU作为探测输入端的A/D转换口PB0脚。工作时，MCU通过分析Rt与R4分压电压值的变化感知热水器内胆内传感器位置处的水温的变化情况。图中，MCU的输出控制电平引脚PD2接由继电器J、驱动三极管T1、电容C3、电阻R3构成的电加热棒控制电路模块。加热时，MCU对较温度测量值与存储在MCU存储器中的预设加热温度值进行比较。若前者小于后者，则PD2输出“1”，驱动继电器工作，电加热棒工作；反之输出“0”，停止电加热棒工作。

以上加热控制电路的其它部分与现有技术相同，因此不另赘述。

为了能够实现合理的准量控制——即再次用水之后不留多余热水，从而达到尽可能节能的目的，MCU中的比较器除了在加热阶段进行上述比较之外，还将温度传感器测得的用水后水温与预定域进行比较。本实施例中，当测得的用水后水温高于45℃时，通过运算器将预设加热温度值减低5℃，改写存储器；反之，当测得的用水后水温低于35℃时，将预设加热温度值增加5℃，改写存储器；否则不改变预设加热温度值。

在对电热水器使用情况进行调查后，申请人发现：热水的使用可以归纳为洗手、洗碗之类的小流量用水事件和以洗浴为主的大流量用水事件。容易理解，由于大流量用水事件和小流量用水事件引起的热水器水温下降率不同，因此通过监测热水器内胆的水温变化率不难作出判断。通常洗浴之类的大流量用水事件具有一定的规律，对其进行准量控制才更有意义。所以，在进行上述准量控制之前，可以采取以下方法，对是否是大流量用水事件进行判断：即通过判断设定时间间隔热水器水温的下降率，达到判断目的。具体而言，本实施例定为每1分钟内水温降低大于1℃、连续3次出现则认为发生了大流量用水事件。因此，本实施例的MCU中还含有用于比较水温下降率是否符合预定大流量用水判定条件、从而判断是否是大流量用水事件的比较器。可见，此法不用增设流量计，在原有硬件设施的基础上添加相应的程序即可。

此外，对大流量用水事件发生之后的停止用水，也可以不用流量计，而通过判断水温停止变化时间长短得知。具体而言，本实施例定为水温停止变化超过3分钟，则认为是停止用水。因此，本实施例的MCU中还含有用于比较水温停止变化是否符合预定停水判定条件、从而判断是否停止用水的比较器。

其具体的准量加热控制过程参见图3所示(与准量控制无直接关系的步骤略述)，有关步骤如下：

存储步骤——存储控制加热温度的预设加热温度值Ts(例如冬天设定为70℃、夏天设定为50℃)；

第一比较步骤——将水温下降率与上述预定大流量用水判定条件进行比较，符合则进行以下步骤；

第二比较步骤——将水温停止变化情况与上述预定停水判定条件进行比较，符合则进行以下步骤；

第三比较步骤——将温度传感器测得的用水停止后的水温Te与预定温度域(上限45℃、下限35℃)进行比较；

运算步骤——当比较结果大于上限阈值、即测得的用水后水温高于45℃时，将预设加热温度值减少5℃，改写上述存储器；反之，当比较结果小于下限阈值、即测得的用水后水温低于35℃时，将预设加热温度值增加5℃，改写上述存储器。

这样，如前次的预设加热温度值过高，在大流量用水后余留热水，则再次加热时，热水器将根据经改写适当下调的预设加热温度值，合理降低加热温度，从而达到大流量用水后热水器内不余留热水的目的，实现准量加热控制，尽可能节省电能。反之，如用水停止时的水温过低，则可以适当上调预设加热温度值，保证下次用水可以满足使用需求。

本实施例不仅实现了热水的准量控制，而且在不用流量计的情况下，巧妙通过水温下降率、停止温降时间的比较，判断出大流量用水以及停止用水的情况，从而使热水的准量控制更为科学合理、更具推广意义。

实施例二

本实施例的准量加热电热水器如图4所示，与实施例一不同的是，在电热水器的储水内胆1的中部安置进水温度传感器T2、T2的上面安置控制/显示温度传感器T1。因此其加热控制电路也略有不同，如图5所示，传感器T1电路模块包括Rt1、电阻R11、电容C11，输出端接MCU的A/D转换器PB0；传感器T2电路模块包括Rt 2、电阻R12、电容C12，接MCU的A/D转换口PB1。

本实施例的准量控制过程见图6，其中

T1：内胆上部温度传感器的温度

T2：加热棒上方内胆中部温度传感器的温度

Ts：预设加热温度值

T1e：放水结束时T1点温度值

T2e：放水结束时T2点温度值

K：放水结束时前2分钟T1的平均变化率(℃/min)

整个控制过程的主要步骤与实施例一类同，不同之处为：

1)、在第一比较步骤进行大流量用水判断结果为“是”之后，先判断一下预设加热温度值是否低于45℃；如“否”再进行以下判断，如“是”则说明预设加热温度值已足够低，无需进行后续步骤；

2)、大流量用水事件发生后，以内胆上部温度传感器的温度平均变化率K是否大于1作为留有热水的判定条件，这样更具合理性；

3)、先将内胆中部温度传感器测得的留有热水的水温T2e与预定温度值40℃进行比较，如大于，则说明用水后内胆中部以上余留较多热水，因此将预设加热温度值Ts降低到45/60(即降低到75％)；如小于则进一步对内胆上部温度传感器的温度平均变化率K进行比较，如小于0.3，说明内胆上部仍有温度较高的热水，因此将预设加热温度值Ts降低到50/60(即降低到83％)；如大于0.3，说明内胆上部虽有热水，但余量不多，因此将预设加热温度值Ts降低到55/60(即降低到92％)；

4)最后经过比较、赋值，确保经过以上过程的预设加热温度值Ts不低于42℃。

可以理解，本实施例由于采用了两个温度传感器，并合理选择其测量值分别作为水温以及水温变化率的对比值，因此更符合电热水器的使用情况。此外，本实施例在判定有余留热水的前提下，巧妙通过中部水温和上部水温下降率两步比较，可以得知余留热水量的多少，从而有针对性地下调预设加热温度值Ts，使准量控制更细致合理。

实施例三

本实施例的准量加热电热水器与以上实施例不同的是，温度传感器可以进一步增加到三至五个，或更多个。本例对五个传感器的情况进行说明，这五个温度传感器T1-T5分别安置在图7所示的内胆从上到下各个位置。其加热控制电路中MCU有五个A/D转换口PB0-PB4，分别接各传感器与对应电阻、电容组成的传感器电路模块的输出端(参见图8)。这样设计的原因是，热水器内胆中的水温在用水时存在较为明显的上高下低分层现象，在内胆从上到下不同位置设置传感器可以了解水温梯度，从而更合理地进行准量控制。

本实施例准量加热的控制过程如图9所示，其中

Ki(i＝1，2，3，4，5)：第i个温度传感器测得的水温下降率；

T5：第5个温度传感器测得的水温值；

Te1：第1个温度传感器用水后测得的水温值；

a：降温速率，本实施例定义a＝1℃/分钟，先后用做大流量用水以及是否有余留热水的判定条件之一；

Ts：预设加热温度值。

整个控制过程的总体思路与实施例一相同，不同的是：

1)、第一比较步骤中——先将上层温度传感器测得的水温下降率与预定大流量用水判定条件(每1分钟内水温降低大于1℃、连续3次出现)进行比较，不符合则对相邻下一温度传感器测得的水温下降率进行比较；无论哪层比较结果满足条件，均认为发生了大流量用水事件；这样可以监督整个内胆各层水温变化情况，更为可靠及时地判断出大流量用水事件；

2)、在进行第二比较步骤判断水温停止变化超过3分钟、满足停止用水条件后，第三比较步骤中先将上层温度传感器测得的用水后水温下降率与是否有余留热水条件进行比较，不满足条件则对相邻下一温度传感器测得的水温下降率进行比较；

3)、运算步骤——当任一比较结果满足余留热水条件，则将预设加热温度值减少(i-1)x5℃，改写存储器。由于内胆较上部位水温下降迅速说明余留热水较少，因此预设加热温度值下调量应当小些；反之，内胆下部水温下降迅速说明余留热水较多，因此预设加热温度值下调量应当大些，这样可以进一步准确、合理、尽快地实现热水的准量控制。

为避免预设加热温度值过低而无法满足热水器的使用要求，本实施例以T5与Te1之和与根据经验总结出的有关参数进行比较，从而酌情合理确定预设加热温度的上调值，其运算参见图9可知，不详细描述。

实施例四

本实施例准量加热电热水器的温度传感器以及控制电路均与实施例2相同。不同的是，其控制过程与上文发明内容中的另一种技术方案对应，其主要装置和步骤(参见图10)可以描述为：

存储装置(步骤)——用于存储限制加热温度的预设加热温度值以及预定对应关系表；

读写装置(步骤)——(本例在在判断出现大流量用水事件之后)用于根据温度传感器测得的用水后水温，读取预定关系表中的对应数值a，改写存储装置中的预设加热温度值Ts。

以上预定对应关系表中的数值为根据实验得出的经验数据，考虑到各种综合因素，具有足够的精确性和合理性，因此可以读取装置(步骤)取代比较装置(步骤)和运算装置(步骤)，根据温度传感器测得的用水后水温，读取关系表中的对应数值，改写存储装置中的预设加热温度值，即可达到准量控制的作用效果。

除上述实施例外，本发明还可以有许多其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种准量加热电热水器，包括储水内胆、安置在内胆中的电加热器件、电子电路；所述电子电路的探测输入端接安置在内胆预定位置的水温传感器，其控制输出端接电加热器件；其特征在于：所述电子电路中含有

存储装置——用于存储限制加热温度的预设加热温度值；

比较装置——用于将温度传感器测得的用水后水温或其变化值与对应预定域进行比较；

运算装置——用于当比较结果大于预定域上限阈值时，通过运算适量降低存储装置中的预设加热温度值；所述运算装置还用于当比较结果小于预定域下限阈值时，通过运算适量提高存储装置中的预设加热温度值；

所述电子电路为含有微处理器的控制电路；所述微处理器中含有

——用于比较水温下降率是否符合预定大流量用水判定条件、从而判断是否是大流量用水事件的比较器；

——用于比较水温停止变化是否符合预定停水判定条件、从而判断是否停止用水的比较器。

2.一种电热水器准量加热控制方法，在包括储水内胆、安置在内胆中的电加热器件、电子电路的电热水器中，所述电子电路的探测输入端接安置在内胆预定位置的水温传感器，其控制输出端接电加热器件；所述电子电路的控制步骤为：

存储步骤——存储限制加热温度的预设加热温度值；

第一比较步骤——将水温下降率与预定大流量用水判定条件进行比较，符合则进行后续步骤；

第二比较步骤——将水温停止变化情况与预定停水判定条件进行比较，符合则进行后续步骤。

第三比较步骤——将温度传感器测得的用水后水温或其变化值与对应预定域进行比较；

运算步骤——当比较结果大于预定域上限阈值时，通过运算适量降低预设加热温度值；

当比较结果小于预定域下限阈值时，将预设加热温度值适量提高。

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