CN102121756A - 可接太阳能热水器的电热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可接太阳能热水器的电热水器，属于热水器技术领域。该电热水器具有接水源进水口和出水口，出水口接切换阀的第一进口；切换阀还具有接太阳能热水器出水管路的第二进口以及接混水阀热水进口的出口；混水阀的冷水进口接水源；切换阀具有第一进口与出口连通而第二进口阻断的第一状态，第二进口与出口连通而第一进口阻断的第二状态，以及保持第二进口完全接通并逐渐开启第一进口的第三状态。本发明可以通过切换阀的缓冲，在一定程度上抑制两种热水器同时供应热水时，压力不均引起的水温波动，从而保证混水阀的出水温度基本稳定。

Description

可接太阳能热水器的电热水器

技术领域

本发明涉及一种多功能热水器，尤其是一种可接太阳能热水器的电热水器，属于热水器技术领域。

背景技术

电热水器与太阳能热水器各具特点，因此均得到普遍应用。为了能相互取长补短，在保证满足使用需求的前提下，充分节能，将两者结合使用的热水器已不鲜见。例如，申请号为200320122674.6的中国用新型专利即公开了一种太阳能热水器与燃气或电加热热水器组合结构，可实现太阳能热水器热水与燃气或电热水器热水的切换。在太阳能热水器热水出口和燃气或电热水器 热水出口之间增加一只单向阀，并且单向阀的方向朝燃气或电热水器热水的出口，只要简单开关燃气或电热水器的手动进水阀，就可以实现太阳能热水器热水和燃气或电热水器热水的切换，不会引起现有的因许多手动阀控制失误造成太阳能热水器跑水现象，也防止了冷热水混合阀串水造成太阳能热水器漏水的情况。

然而，在实际应用中，由于电热水器和太阳能热水器通常分别为承压和非承压方式，因此在借助现有切换阀将两者的储水混合使用时，用户难以手动调节到适合洗浴的温度，并且难以解决压力失衡导致的水温波动问题，影响使用效果。例如，当承压的电热水器开启后，非承压方式的太阳能热水器即使完全开启，也有可能不出水，或出水很少，从而难以达到所需的水温调控目的。而且，现有阀门均同时改变两路进水口的流通面积，因此很容易引起水温波动。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种可接太阳能热水器的电热水器，该热水器可以较好地解决压力失衡引起的水温波动问题，从而通过切换阀的自动调节实现出水温度的稳定调控。

为了达到以上目的，本发明可接太阳能热水器的电热水器具有接水源进水口和出水口，所述出水口接切换阀的第一进口；所述切换阀还具有接太阳能热水器出水管路的第二进口以及接混水阀热水进口的出口；所述混水阀的冷水进口接水源；所述切换阀具有第一进口与出口连通而第二进口阻断的第一状态，第二进口与出口连通而第一进口阻断的第二状态，以及保持第二进口完全接通并逐渐开启第一进口的第三状态。

工作时，如果太阳能热水器没有热水（例如阴天），切换阀切换到第一状态时，以电热水器供应热水；当太阳能热水器具有所需热水，切换到第二状态时，以太阳能热水器供应热水；而当太阳能热水器的水位不够时，切换阀在保持太阳能热水器完全接通的状态下，逐渐开启电热水器的第三状态，加入热水，直至达到所需的控制水温。这种保持太阳能热水器完全接通，而逐渐加大电热水器出水流通面积可以有效保证太阳能热水器出水，并且由于最终的热水先经过切换阀控制，再进入用户直接调控的混水阀，因此可以通过切换阀的缓冲，在一定程度上抑制两种热水器同时供应热水时，压力不均引起的水温波动，从而保证混水阀的出水温度基本稳定。

本发明进一步的完善是，所述电热水器、太阳能热水器以及切换阀出口处的温度传感器信号输出端分别接含有MCU的控制电路信号输入端，所述控制电路的控制输出端接所述切换阀的转位驱动电机受控端，所述MCU用以根据混水温度传感器传来的实际出水温度，求出与预定混水温度的温度偏差T，并得出单位时间间隔的前后两次温度偏差的偏差变化率ΔT；所述MCU含具有模糊推理规则的模糊控制单元，所述模糊控制单元用以根据温度偏差T和偏差变化率ΔT，通过模糊推理计算和反模糊处理，得出阀偏转的方向和角度，并折算成切换阀转位精确控制信号输出到所述驱动电机的受控端。

由于ΔT间接反映了由于承压电热水器和非承压太阳能热水器之间压力差导致的混水温度调节的波动情况，而本发明进一步的完善中借助模糊控制理论，不仅考虑了温度调控的变化情况T，同时兼顾了其变化率ΔT，因此，不仅可以迅速实现所需的混水控制调控，而且更为有效地抑制了压力差导致的温度波动，彻底解决了压力失衡导致的水温波动难题。

本发明更进一步的完善是，所述MCU用以在切换阀与太阳能热水器的通水面积为S1、预定混水温度为Th条件下，根据温度传感器测得的电热水器温度T1和太阳能热水器温度T2，按照下式得出切换阀与电热水器的控制通水面积S2

S2 = （T2×S1 – T1×S1）/ （T2 –Th）

并折算成切换阀转位初始控制信号，在输出所述转位精确控制信号之前输出到所述驱动电机的受控端。

由于当太阳能热水器与电热水器出水流量相等的情况下，T1×S1+T2×S2=Th×（S1+S2），因此可以反推得出以上算式，据此进行混水温度控制可以先初调、再精调，从而不仅有助于达到本发明稳定水温的目的，而且可以加快调节速度。

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2a、图2b、图2c分别为图1实施例切换阀的切换状态示意图。

图3a、图3b、图3c分别为图1实施例中模糊运算的Triangular函数示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例可接太阳能热水器的电热水器基本结构如图1所示，其储水内胆1具有接水源W的进水口IN和出水口OUT，出水口OUT接切换阀2的第一进口Q1；切换阀2具有接太阳能热水器4出水管路的第二进口Q2以及接混水阀3热水进口H1的出口Q3。混水阀3的冷水进口H2接水源。切换阀2具有第一进口Q1与出口连通Q3而第二进口Q2阻断的第一状态（图2a），第二进口Q2与出口连通Q3而第一进口Q1阻断的第二状态（图2b），以及保持第二进口完全接通并逐渐开启第一进口的第三状态（图2c）。本实施例的其它结构特点是，切换阀具有转位驱动电机，切换阀的阀芯与第一进口连通的通水孔为圆心位于驱动电机转动轴线的弧形。此外，切换阀2的阀芯与第一进口连通的通水面积小于阀芯与第二进口连通的通水面积。

电热水器1、太阳能热水器4以及切换阀2出口处的温度传感器T1、T2、T3信号输出端分别接含有MCU的控制电路信号输入端（未示），该控制电路的控制输出端接切换阀2的转位驱动电机受控端。

工作时，控制电路分二步进行调控。首先采用粗略调节调控切换阀，即先通过控制切换阀转位驱动电机将切换阀调节到接近理想位置，然后再进入精确微调，这样可以快速实现所需混水温度的调节。

由于在切换阀与太阳能热水器的通水面积为S1、与电热水器的控制通水面积S2、预定混水温度为Th条件下，当设太阳能热水器与电热水器出水流量相等时，T1×S1+T2×S2=Th×（S1+S2）。因此可以反推得出S2 =（T2×S1 – T1×S1）/（T2 –Th）

即在测得T1、T2，并已知S1的情况下，MCU便可算出预定混水温度为Th（通常取45℃）时，切换阀与电热水器的控制通水面积S2，据此折算成切换阀转位初始控制信号输出到驱动电机的受控端，便可通过粗略调节，实现所需的混水温度初步自动调控。

接着，控制电路的MCU根据混水温度传感器（与现有技术相同设置）测得的实际出水温度，求出与预定混水温度Th的温度偏差T，并得出单位时间间隔（例如1秒间隔）的前后两次温度偏差的偏差变化率ΔT。

MCU含具有以下49条模糊推理规则的模糊控制单元，该规则中的数值不难通过实验得到，并采用AND真值表形式列表。模糊控制单元根据温度偏差T和偏差变化率ΔT，通过模糊推理计算和反模糊处理，得出阀偏转的方向和角度，并折算成切换阀转位精确控制信号输出到所述驱动电机的受控端。本实施例的具体模糊控制过程如下：

设定模糊变量：T为实际出水温度与目标出水温度的偏差、ΔT为出水温度偏差变化率、S为切换阀的开度，以步进电机转动的步数作为直接输出。

取T和ΔT作为模糊控制器的输入变量，用模糊语言变量表示为：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。对于输入变量T的论域取：{-10，-6，-2，0，2，6，10}，其模糊集合记作：F(T) ={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，其输入变量的隶属度如图所示，采用常用的Triangular函数，峰值的隶属度为1（参见图3a）。

对于输入变量ΔT的论域取：{-8，-6，-2，0，2，6，8}，其模糊集合记作：F(ΔT)={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，其输入变量的隶属度如图所示，采用常用的Triangular函数，峰值的隶属度为1（参见图3b）。

模糊控制规则推理为：在该电动水阀恒温模糊控制系统中，采用 IF Ai and Bi THEN Ci为模糊控制规则。其中，Ai为温度偏差T的模糊子集，Bi为温度偏差变化率ΔT的模糊子集，Ci 为输出控制量S的模糊子集。根据模糊量Ai、Bi，通过模糊合成运算可得模糊输出量Ci =（Ai×Bi）R。其中，式中 R为模糊推理关系。

本实施例的模糊控制输出按照下表的模糊控制规则来实现。

通过加权的隶属度进行模糊推理，得到模糊化的输出量Ci，然后进入反模糊处理阶段，利用所得到的各种模糊输出值和数学方法计算最终的系统输出值。本实施例采用最大值法，规定用给定输出的Ci的最大值得出相应的精确输出量C。

由于太阳能热水器和电热水器两侧温度差的不同有可能导致水阀调节过程中控制效果的不同，因此宜引入比例因子Kc（可通过试验确定）对输出C进行相应的比例放大或缩小处理，再将其对应为步进电机旋转的方向和角度，去控制切换阀的开度S，从而达到精确稳定控制混水温度的目的。

总之，本实施例针对三通混水阀系统进水侧分别为太阳能热水器出水和电热水器出水往往存在着较大压力差、混水温度传感器反映滞后、混水温度调节非线性易超调的问题，为避免采用传统温度差调控存在的恒温控制效果较差、容易出现震荡超调的不良现象，借助二维模糊控制单元进行恒温水的调控，先粗调与后微调有机结合，即首先根据切换阀通水面积计算，使阀芯初步调节到理想混水温度位置附近，然后利用二维模糊控制策略，通过测算得到的温度变化量和温度变化率作为两个观测量，经过相应的模糊规则推理和精确化处理，对切换阀进行精确调控，从而很好的解决了阀两侧压力差异较大时恒温水调节速度慢、效果差的问题，达到调节速度快、稳定、准确的目的。试验证明，采用本实施例不仅能保证系统调节控制的稳定性，还可以显著减少温度的调节次数和震荡现象，达到理想的控制效果。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，采用更多的传感器作为输入量（比如流量传感器）使控制更精确，在模糊控制中也可以采用其它二次曲线函数等等。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 (5)

1.一种可接太阳能热水器的电热水器，具有接水源进水口和出水口，所述出水口接切换阀的第一进口；其特征在于：所述切换阀还具有接太阳能热水器出水管路的第二进口；所述切换阀具有第一进口与出口连通而第二进口阻断的第一状态，第二进口与出口连通而第一进口阻断的第二状态，以及保持第二进口完全接通并逐渐开启第一进口的第三状态。

2.根据权利要求1所述可接太阳能热水器的电热水器，其特征在于：所述切换阀阀芯与第一进口连通的通水面积小于阀芯与第二进口连通的通水面积。

3.根据权利要求1或2所述可接太阳能热水器的电热水器，其特征在于：所述切换阀具有转位驱动电机，所述切换阀的阀芯与第一进口连通的通水孔为圆心位于所述驱动电机转动轴线的弧形。

4.根据权利要求3所述可接太阳能热水器的电热水器，其特征在于：所述电热水器、太阳能热水器以及切换阀出口处的温度传感器信号输出端分别接含有MCU的控制电路信号输入端，所述控制电路的控制输出端接所述切换阀的转位驱动电机受控端，所述MCU用以根据混水温度传感器传来的实际出水温度，求出与预定混水温度的温度偏差T，并得出单位时间间隔的前后两次温度偏差的偏差变化率ΔT；所述MCU含具有模糊推理规则的模糊控制单元，所述模糊控制单元用以根据温度偏差T和偏差变化率ΔT，通过模糊推理计算和反模糊处理，得出阀偏转的方向和角度，并折算成切换阀转位精确控制信号输出到所述驱动电机的受控端。

5.根据权利要求4所述可接太阳能热水器的电热水器，其特征在于：所述MCU用以在切换阀与太阳能热水器的通水面积为S1、预定混水温度为Th条件下，根据温度传感器测得的电热水器温度T1和太阳能热水器温度T2，按照下式得出切换阀与电热水器的控制通水面积S2

S2 = （T2×S1 – T1×S1）/ （T2 –Th）

并折算成切换阀转位初始控制信号，在输出所述转位精确控制信号之前输出到所述驱动电机的受控端。

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