CN102607183B

CN102607183B - 基于plc的热水器高效节水节能装置

Info

Publication number: CN102607183B
Application number: CN 201210111508
Authority: CN
Inventors: 刘永生; 房文健; 方津; 杨晶晶; 郭保智
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102607183A

Abstract

本发明涉及一种基于PLC的热水器高效节水节能装置，恒温控制装置分别通过水量调节阀与冷水进水管、热水出水管连接，出水口与用户用水出口管相连接，冷水量调节阀的冷水出口与热水量调节阀的冷水进口联通后与热水器的冷水进水管相连接；冷、热水量调节阀分别与阀芯转动传动装置连接，热水量调节阀与热水入管之间连接有水泵，热水入水管和用户用水管出口处分别装有温度传感器，温度传感器、阀芯转动传动装置和水泵分别与PLC自动控制装置连接。该装置通过在现有热水器上加装节水节能装置，利用热水器使用前、后的冷、热水，达到节能减排的目的；通过增加恒温阀，使热水器在使用时水温稳定，节约能源的同时提高使用的舒适度；并且该装置简单易用。

Description

基于PLC的热水器高效节水节能装置

技术领域

本发明涉及一种热水器节水节能装置，尤其是一种基于PLC控制的热水器节水节能装置。

背景技术

中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。

1949～2002年，全国总用水量增加了4000多亿立方米，大约每10年增加1000亿立方米，年平均增加约100亿立方米。1980年以后，全国总用水量的增长幅度略有下降，但年平均增长量仍有62亿立方米左右。在这期间，全国的用水结构也发生了变化，农业用水比例逐步下降，而工业、城镇生活用水比例则有所增加，与2001年比较，2002年生活用水量增加了19亿立方米。2008年全国总用水量5910亿立方米，其中生活用水占12.3%，与2007年比较，全国总用水量增加91亿立方米，其中生活用水增加19亿立方米，随着水资源短缺问题的出现，我们要提高惜水意识，只有意识到“节约水光荣，浪费水可耻”，才能时时处处注意节水，而且节水要从身边小事做起，发现日常生活中存在浪费水的现象，例如，热水器在应用中存在大量水资源的浪费问题，这些问题的解决能节约大量的水资源，符合国家的节能减排政策。

现有热水器存在以下几个问题：

1、热水器使用时刚开始总有一段冷水，一般家庭都会白白放掉，如果水管过长，冷水量过大将会对水资源造成巨大浪费，一些家庭也只是将其接入水桶，以便其它使用，但是这种方法不太方便。

2、用户用水前一般无法在刚开始就达到想要的温度，或许太冷或许太热，在调节的过程中不仅浪费了水资源而且浪费了能量，热水器使用过程中水有时会忽冷忽热，特别是太阳能热水器尤其严重，现在市场虽有一些改进措施，但总体效果欠佳，要不就是价格昂贵。

3、热水器使用后总有一部分热水残留在管道中，这不仅浪费水资源而且还损失了一部分热量，造成能量损失。

发明内容

本发明是要解决热水器节水节能的技术问题，而提供一种基于PLC的热水器高效节水节能装置，该装置通过加装节水节能装置，利用热水器使用前、后的冷、热水，达到节能减排的目的；通过增加恒温阀，使热水器在使用时水温稳定，节约能源的同时提高使用的舒适度；并且该装置简单易用，能对已有的热水器进行改造。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于PLC的热水器高效节水节能装置，包括水泵，恒温控制装置，阀芯转动传动装置，PLC自动控制装置，温度传感器，其特点是：恒温控制装置的冷、热水入口分别通过冷、热水量调节阀与冷水进水管、热水出水管连接，出水口与用户用水出口管相连接，冷水量调节阀的冷水出口与热水量调节阀的冷水进口联通后与热水器的冷水进水管相连接；冷、热水量调节阀分别与阀芯转动传动装置连接，热水量调节阀与热水入水管之间连接有水泵，热水入水管和用户用水管出口处分别装有温度传感器，温度传感器，阀芯转动传动装置和水泵分别与PLC自动控制装置连接。

温度传感器与电子显示器连接，用于显示所测水温。水泵供电电源可为家用电或光伏电池。

阀芯转动传动装置包括微型电机、传动齿轮、变速齿轮、蜗杆，蜗轮、传动轴、阀芯同轴齿轮、同步齿轮、反向磁铁、异步开关、微型电机输出轴上的传动齿轮与变速齿轮啮合，与变速齿轮同轴安装的蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮的传动轴与同步齿轮同轴连接，同步齿轮分别与两个阀芯同轴齿轮啮合连接，两个阀芯同轴齿轮分别与冷，热水量调节阀的阀芯同轴连接，阀芯同轴齿轮上面分别设有第一至第三铜环、以及与第一至第三铜环相接触的弹片，弹片与反向磁铁连接，第一至第三铜环通过导线与异步开关连接，异步开关与微型电机连接。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在现有的热水器上加装节水节能装置，利用热水器使用前、后的冷、热水，达到节能减排的目的；通过增加恒温阀，使热水器在使用时水温稳定，节约能源的同时提高使用的舒适度；并且该装置简单易用。

本发明的社会效益：

① 提高公民的节能减排的意识，保护环境是每个公民的应尽的责任，激发公民为环保事业尽一份自己的力量；

② 节约水资源、减少能量损失，促进国家节能减排的发展，为人民提供更好的生活环境；

③ 通过热水器改造，优化了热水器的使用，提高人民的生活水平和生活质量；

④ 节约公民在生活用水上的资金投入。

本发明的现实意义：

中国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。

本发明的应用前景：

该设备节约了水能、减少热能的损失，符合节能减排的要求，而且用户在5年内就能将投入资金回收，在使用寿命期内还有所收益，收益额为215.3 ￥，投资回报率为108%，通过经济价值计算，使用该设备具有较可观的经济效益。该设备不仅节能环保而且还可以为用户提供经济效益，因而，预测该设备将会被大规模的推广和应用，前景是非常可观的。

附图说明

图1是本发明的系统管路图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的阀芯转动传动装置的传动部分立体示意图；

图4是本发明的阀芯转动传动装置的阀芯同轴齿轮与同步齿轮连接示意图；

图5是本发明的阀芯转动传动装置的控制电源连接示意图；

图6是本发明的PLC控制流程图；

基中：(a)上冷水，加热水阶段，（b）用户用水前排空出水管内的冷水，（c）用户用水，（d）用户用水结束

图7是本发明的阀芯转动PLC控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1，2所示，本发明的基于PLC的热水器高效节水节能装置，包括水泵P，恒温控制装置6，阀芯转动传动装置，PLC自动控制装置，温度传感器7，电子显示器等。

恒温控制装置6的冷、热水入口分别通过冷、热水量调节阀5，4与冷水进水管3、热水入水管1连接，出水口与用户用水出管8相连接。自动控制出水温度，用户可以在一定范围内调节出水温度。

冷水量调节阀5的冷水出口与热水量调节阀4的冷水进口联通后与热水器的冷水进水管2相连接；冷、热水量调节阀5，4分别与阀芯转动传动装置连接，热水量调节阀4与热水入水管1之间连接有水泵P，热水入水管1和用户用水出管8处分别装有温度传感器7，温度传感器7，阀芯转动传动装置和水泵P 分别与PLC自动控制装置连接。

温度传感器与电子显示器连接，用于显示所测水温。水泵P供电电源为可家用电或光伏电池。水泵P安装热水入水管1处，并使热水入水管1与热水器的冷水进水管2联通时管内水循环。

热水入口处的温度传感器向PLC控制单元反馈热水入口管内的水温，用于判断是否启动水泵P及通道的联通方式。

如图3至图5所示，阀芯转动传动装置包括微型电机11、传动齿轮12、变速齿轮13、蜗杆15，蜗轮14，传动轴17，阀芯同轴齿轮 19、同步齿轮 20，反向磁铁26，异步开关30（一端通电、另一端断电），微型电机11输出轴上的传动齿轮12与变速齿轮13啮合，与变速齿轮13同轴安装的蜗杆15与蜗轮14啮合，蜗轮14的传动轴17与同步齿轮 20同轴连接，同步齿轮 20分别与两个阀芯同轴齿轮 19啮合连接，两个阀芯同轴齿轮 19分别与冷，热水量调节阀5，4的阀芯同轴连接，阀芯同轴齿轮 19上面分别设有第一至第三铜环23，24，25、以及与第一至第三铜环23，24，25相接触的弹片27，弹片27与反向磁铁26连接，第一至第三铜环23，24，25通过导线29与异步开关30连接，异步开关30与微型电机11连接。导线29固定在支撑杆21上，支撑杆21固定在装置壁22，第一铜环23（每隔30°有一小凹槽）。

如图6所示，本发明的PLC控制流程图：

1) 当用户需要给热水器上冷水时，按上水按钮，则装置连接冷水进水管2、冷水进水管3管道，此时热水入水管1处于截断状态，热水器上水。

2) 当用户需要用户用水时，按用户用水按钮，则PLC单元依据热水入水管1处的温度，控制是否启动热水入水管1、冷水进水管2连接，如需要连接则机械传动装置启动使之连接，同时启动水泵P。当热水入水管1处温度达到设定温度后，则装置控制阀芯转动传动装置联通管热水入水管和用户用水出管8，此时装置发出提醒声音，用户可以用户用水。

3) 用户用水过程中用户可以通过旋转恒温控制装置6，调节出水温度，通过旋转水量调节阀控制出水流量。

4) 用户用水将要结束时，用户依据PLC自动计算后显示的热水可使用时间，按实际需求开启旁通管10的阀门（图1），此时由于冷水管直接接通热水管起始端，使热水管中热水排出，当热水入水管1处温度低于设定温度时PLC自动控制装置处于上水状态，而由于热水入水管1处阀门截断，因此恒温控制装置6自动截断出水口水流，亦即用水结束，此时用户关闭旁通管10的阀门即可。

如图7所示，阀芯转动PLC控制流程图，阀芯传动装置主要是通过微型电机11带动传动齿轮12、变速齿轮13、蜗杆15，蜗轮14和传动轴17旋转，通过齿轮系旋转实现阀芯的旋转，通过异步开关（一端通电则另一端断电）实现阀芯旋转的角度控制。

本发明改进后的热水器主要有四个工作状态：热水器上冷水，用户用水前出口管内的冷水循环利用，用户用水，用户用水结束。

1) 热水器上冷水

要求：用户用水出管8不通，热水入水管1与热水器冷水进水管2不通，冷水进水管3与热水器冷水进水管2通。

2) 用户用水前出口管内的冷水循环利用

要求：用户用水出管8不通，热水入水管1与热水器冷水进水管2通，冷水进水管3与热水器冷水进水管2不通。

3) 用户用水

要求：用户用水出管8通，热水入水管1与热水器冷水进水管2通，冷水进水管3与热水入水管1通。

4）用户用水结束

要求：出口管内的热水完全用完。

下表为工作状态时逻辑表

热水器上冷水	R₁	C₁
			用户用水前出口管内的冷水循环利用	R₂	C₂
用户用水	R₃	C₃
			用户用水结束	R₁	C₁

如图2所示，（R1-R3和C1-C3分别表示冷、热水量调节阀5，4 的阀芯开口）其中R1、R2、R3之间相距30°。C1、C2、C3之间相距30°。

（1) 当使热水器处于工作状态1)时，则可以通过旋转齿轮带动冷、热水量调节阀5，4 的阀芯分别顺时针与逆时针旋转至R1、C1处，则此时热水入水管1与热水器冷水进水管2不通，冷水进水管3与热水器冷水进水管2通。

（2) 当使热水器处于工作状态2)时，则可以通过旋转齿轮带动冷、热水量调节阀5，4 的阀芯分别顺时针与逆时针旋转至R2、C2处，热水入水管1与热水器冷水进水管2通，冷水进水管3与热水器冷水进水管2不通。

（3) 当使热水器处于工作状态3)时，则可以通过旋转齿轮带动冷、热水量调节阀5，4 的阀芯分别顺时针与逆时针旋转至R3、C3处，热水入水管1与用户用水出管8通，冷水进水管3与用户用水出管8通。

Claims

1.一种基于PLC的热水器节水节能装置，包括水泵（P），恒温控制装置（6），阀芯转动传动装置，PLC自动控制装置，温度传感器（7），其特征在于：所述恒温控制装置（6）的冷、热水入口分别通过冷、热水量调节阀（5，4）与冷水进水管（3）、热水入水管（1）连接，出水口与用户用水出口管（8）相连接，冷水量调节阀（5）的冷水出口与热水量调节阀（4）的冷水进口联通后与热水器冷水进水管（2）相连接；冷、热水量调节阀（5，4）分别与阀芯转动传动装置连接，热水量调节阀（4）与热水入水管（1）之间连接有水泵（P），热水入水管（1）和用户用水出管（8）出水口处分别装有温度传感器（7），温度传感器（7），阀芯转动传动装置和水泵（P）分别与PLC自动控制装置连接；所述阀芯转动传动装置包括微型电机（11）、传动齿轮（12）、变速齿轮（13）、蜗杆（15）、蜗轮（14）、传动轴（17）、阀芯同轴齿轮（19）、同步齿轮（20）、反向磁铁（26）、异步开关（30），微型电机（11）输出轴上的传动齿轮（12）与变速齿轮（13）啮合，与变速齿轮（13）同轴安装的蜗杆（15）与蜗轮（14）啮合，蜗轮（14）的传动轴（17）与同步齿轮（20）同轴连接，同步齿轮（20）分别与两个阀芯同轴齿轮（19）啮合连接，两个阀芯同轴齿轮（19）分别与冷，热水量调节阀（5，4）的阀芯同轴连接，阀芯同轴齿轮（19）上面分别设有第一至第三铜环（23，24，25）以及与第一至第三铜环（23，24，25）相接触的弹片（27），弹片（27）与反向磁铁（26）连接，第一至第三铜环（23，24，25）通过导线（29）与异步开关（30）连接，异步开关（30）与微型电机（11）连接。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的热水器节水节能装置，其特征在于：所述温度传感器（7）与电子显示器连接，用于显示所测水温。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的热水器节水节能装置，其特征在于：所述水泵（P）供电电源可为家用电或光伏电池。