CN103727677A - 一种即热式热水器恒温控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种即热式热水器恒温控制系统及控制方法，所述控制系统包括沿热水器的进水口至出水口方向依次设置在水路上的热泵加热系统、即热加热系统和水量调节系统，所述控制方法通过检测热泵出水温度、总出水温度、水量和即热加热系统的输出功率，调节水量的大小、热泵加热系统的工作状态和即热加热系统的输出功率，使总出水温度维持在设定温度。本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1、采用热泵与即热混合加热，节能；2、通过独特的水量调节系统，可在较宽流量以及设定温度范围内，实现出水恒温控制。

Description

一种即热式热水器恒温控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，具体说是一种即热式热水器恒温控制系统及控制方法。

背景技术

公开号为CN102410636A的专利提出了一种即热恒温电热水器，当电热水器的功率足以提供加热时所需功率时，可以做到恒温出水且达到设定温度，但当进水温度较低，或水量增大，或设定温度较高，使得所需加热功率超过了即热恒温电热水器提供的最大功率，虽然可以保证出水恒温（功率100%输出），但无法保证出水温度能达到设定温度。

公开号为CN102997416A的专利提出了一种直热式热泵系统，虽然使用热泵系统可以直接加热热水，但是：1）一般热泵系统的稳定时间需要3～5min，在此过程中，制热量不断上升，出水温度不断上升；2）如果多个取水点用水，单个取水点的水流量容易发生波动。以上原因，都能导致通过热泵水箱和第一旁通管加热后的出水水温发生较大波动，影响舒适性。

公开号为CN103148594A的专利提出了一种直热式空气能热水器PID恒温调节控制系统，该发明主要是通过检测设定温度和实时的出水温度，通过控制水阀的开度，进而控制水量大小，从而控制出水的恒温。但当流经系统的总水量原本就相对小的时候（由于水压过低，管道阻力过大等原因），或者环境温度高、制热量大，但设定温度不高（一般当环境温度高时，自来水温度也高，用户用水的设定温度也会相对低），以上情况都可能导致当前出水温度大于设定温度，即使水阀开度不断调大，水量也无法增加，最终使出水温度超过设定温度，无法做到真正意义上的恒温。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种即热式热水器恒温控制系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：

一种即热式热水器恒温控制系统，包括沿热水器的进水口至出水口方向依次设置在水路上的热泵加热系统、即热加热系统和水量调节系统，所述热泵加热系统与进水口的连接管路上设置有进水温度传感器和水流开关，所述热泵加热系统与即热加热系统的连接管路上设置有热泵出水温度传感器，所述即热加热系统和水量调节系统的连接管路上设置有总出水温度传感器，所述水量调节系统和出水口的连接管路上设置有水量传感器，所述水量调节系统包括水量调节阀和步进电机，所述水量调节阀用于调节流过水路的水量，所述步进电机用于控制水量调节阀的开度，所述热泵加热系统、即热加热系统、进水温度传感器、热泵出水温度传感器、总出水温度传感器、水量传感器和步进电机分别与控制器电连接。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：

一种如上所述的即热式热水器恒温控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、开启热泵加热系统和即热加热系统，对进水口流入的水进行加热；

步骤2、检测热泵出水温度、总出水温度、水量和即热加热系统的输出功率，根据检测结果进行如下控制：

A、若即热加热系统的输出功率已经达到警戒值，而总出水温度仍然小于设定温度，则在满足水量高于最低流量值的基础上减小水量，直至总出水温度达到设定温度且即热加热系统的输出功率小于或等于最高设定值；

B、若总出水温度达到设定温度，而即热加热系统的输出功率小于最低设定值，则增大水量，直至水量调节阀的开度调至上限或即热加热系统的输出功率达到最高设定值；

C、若水量调节阀的开度调至上限，而热泵出水温度仍然超过设定温度，则降低热泵加热系统的制热量（通过热泵系统的旁通卸载方式实现，热泵的制热量是直接作用于水）或关闭热泵加热系统，使热泵出水温度低于设定温度，然后通过调整即热加热系统的加热功率使总出水温度维持在设定温度。

其中，所述步骤2的C中，热泵加热系统的降低的制热量为即热加热系统的输出功率的15%～60%，因此能保证热泵加热系统的制热量降低时，通过即热加热系统的及时补充加热，可实现总出水温度不出现较大波动，维持恒温。

其中，在步骤2中，所述水量的减小或增大由步进电机控制，所述步进电机按照预先设定好的步数进行调节，所述步进电机的调节周期与即热控制系统的PID计算周期一致。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：1、采用热泵与即热混合加热，节能；2、通过独特的水量调节系统，可在较宽流量以及设定温度范围内，实现出水恒温控制。

附图说明

图1所示为本发明实施例的即热式热水器恒温控制系统的结构示意图。

图2所示为本发明实施例的热泵加热系统的控制流程图。

图3所示为本发明实施例的即热加热系统的控制流程图。

图4所示为本发明实施例的水量调节系统的控制流程图。

图5所示为本发明实施例的即热式热水器恒温控制方法的控制流程图。

标号说明：

1、热泵加热系统；     2、即热加热系统；     3、水量调节系统；

4、进水温度传感器；     5、水流开关；     6、热泵出水温度传感器；

7、总出水温度传感器；     8、水量传感器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1至图5所示，本实施方式的即热式热水器恒温控制系统，包括沿热水器的进水口至出水口方向依次设置在水路上的热泵加热系统1、即热加热系统2和水量调节系统3，所述热泵加热系统1与进水口的连接管路上设置有进水温度传感器4和水流开关5，所述热泵加热系统1与即热加热系统2的连接管路上设置有热泵出水温度传感器6（即热进水温度），所述即热加热系统和水量调节系统的连接管路上设置有总出水温度传感器7，所述水量调节系统3和出水口的连接管路上设置有水量传感器8，所述水量调节系统包括水量调节阀和步进电机，所述水量调节阀用于调节流过水路的水量，所述步进电机用于控制水量调节阀的开度，所述热泵加热系统1、即热加热系统2、进水温度传感器4、热泵出水温度传感器6、总出水温度传感器7、水量传感器8和步进电机分别与控制器电连接。

一、热泵控制系统1可以采用多台压缩机，本发明以双压缩机为例，其工作原理为：热泵加热系统有大压缩机系统和小压缩机系统组成，两者都有独立的蒸发部件、主冷凝部件和卸压冷凝部件。根据制冷循环原理，压缩机系统按与水加热的热量大小分为三种：1）正常工作，此时制热量在正常的范围，换热器组合为：蒸发器+主冷凝器；2）卸载工作，此时一部分制热量通过卸压冷凝器释放，换热器组合为：蒸发器+主冷凝器+卸压冷凝器；3）旁通工作，此时系统按蒸发器和卸压冷凝器环路运行，不对水进行加热，换热器组合为：蒸发器+卸压冷凝器（为了使制冷系统的压缩机能正常回油，压缩机单次需至少连续运行3～5分钟，如连续运行不足3～5分钟但不用水，则切换成旁通工作，按压缩机-卸压冷凝器-节流阀-蒸发器的制冷流路运行）。

通过进水温度传感器4，根据不同的进水温度，并检测水流开关5（水流开关5接通，则判定为用水状态），启动相应的压缩机，可将进水温度划分为高温，中温和低温三个区域，当进水温度处于高温区域，仅启动小压缩机；当进水温度处于中温区域，仅启动大压缩机；当进水温度处于低温区域，启动小压缩机和大压缩机。

当已工作的压缩机，在工作时间＜最小工作时间（可设定，一般3～5min）时水流开关5断开，则该压缩机进入旁通状态（压缩机运行，但热量旁通，不对热泵换热器中的水加热）；当已工作的压缩机，在工作时间≥最小工作时间（可设定，一般3～5min）时水流开关5断开，则该压缩机关闭。

二、即热加热系统2包括即热发热元件、可控硅等。其工作原理为：由于热泵加热后的出水水温始终不超过设定温度，即热控制系统2是对经过热泵加热系统1的水进行二次加热，通过即热加热系统2精确的功率输出控制，从而达到出水恒温。

即热发热元件为纯电阻发热丝，每组发热丝用一个双向可控硅控制，为简化控制，两组双向可控硅并联控制，用MCU的1个IO通过光耦来进行隔离控制。

当检测到水流开关5接通以及水流量大于某设定值（为了排除因漏水的影响以及安全性考虑，比如水流量≥2L/min）时，即热加热系统2开始作用。可控硅控制的核心在控制导通角，通过控制导通角来实现发热丝的功率控制。导通角的计算采取PID算法计算为主。通过即热的出水温度（总出水温度传感器7检测）与水流量（水量传感器8检测）之乘积，作为PID算法的输入量，以目标温度（设定温度）与水流量的乘积为目标控制量。由于水流与水温有一定的滞后，为实现恒温控制，不能采用纯粹的PID进行控制。必须依据即热进水温度与水流量，计算出理论导通角，并留出余量，作为PID输出的上下限。考虑水管道中有残留水，会引起控制的偏差，实际算法只控制输出上限，不控制其下限。根据行业经验，PID调节时间为300到500毫秒一次。其控制流程如图3所示。

三、水量调节系统3主要通过步进电机或直流电机进行水量调节。当水量较大或者进水温度较低而使热泵加热系统1与即热加热系统2的总热量不足时，降低水量来降低热量需求，可以保证出水的恒温，水量调节系统3为双向调节，当热量有一定富余的情况下（比如即热加热系统的功率输出在85%以下时），通过水量调节系统3，增大水量。由于步进电机可以很好做到开环控制，相比直流电机，不存在断电后的惯性而导致的累积误差，较优地，采用步进电机。同时可以对水量调节设置流量上限和下限。最理想的步进电机控制，是能按照步数与流量对应关系进行控制，但由于不同用水水压下，步进电机不同的开度下，相同的步数增量导致的流量变化并不一致，经过反复试验，为避免水量波动太大，不建议采取恒步数控制策略。通过对若干组不同水压下，初始流量与步进电机开度的关系，可以近似按照一定的变化步伐，实现流量的近似等比例控制。

其工作原理为：恒温控制系统上电时，先把水量调节阀的步进电机复位到一个复位开度。在进行即热加热系统2的PID控制过程中，当即热加热系统2已经满功率（较优地，设定某一功率输出上限，即警戒值，超过该警戒值，即热加热系统应对水量波动时的调节能力会减弱）输出达一定时间，而总出水温度依然无法达到设置温度，则向流量减少方向调节一次步进电机，并不断进行判断和调节，直至总出水温度达到设定温度且即热加热系统2的输出功率小于或等于最高设定值（最高设定值为即热加热系统正常工作时允许的最高输出功率），在实际操作中，调节时，流量必须大于某一最低流量值，而且步进电机开度大于某一最小开度。当即热加热系统2的功率有一定富余，且总出水温度在设置温度之上（可设置一偏差范围），则向水量增大方向调节一次步进电机，并不断进行判断和调节，直至即热加热系统2的输出功率控制在预先设定的区域内（以达到充分利用即热加热系统2的目的以及用户用水的舒适性考虑，最佳状态为输出功率达到最高设定值）或者水量调节阀的开度调至上限，较优地，水量可以设置一上限值。调节时，步进电机开度必须小于最大开度。步进电机的调节周期与即热加热系统2的PID计算周期一致。其控制流程如图4所示。

热泵加热系统1、即热加热系统2和水量调节系统3三者的工作配合原理如下：当水流开关5接通，且压缩机工作：

1）当热泵出水温度传感器6检测到热泵出水温度不断上升，即热加热系统2通过PID控制，不断调节即热的加热功率，若出水温度达到设定温度且即热的加热功率盈余较多（或者说即热加热系统的输出功率小于最低设定值，比如当前的即热输出功率比小于85%，剩余大于15%，以85%作为最低设定值），则水量调节阀往流量增大的方向调阀，直至开度调至上限或者即热加热系统2的输出功率达到最高设定值，停止水流调节阀的调节；当水量调节阀调至最大开度（意味着该系统的水量已达到最大），热泵出水温度超过设定温度某一值（比如超温0.5℃。热泵出水温度超过设定温度，意味着即热加热系统2不需加热，功率输出比为0%），则热泵加热系统1进行卸载，热泵制热量下降，导致热泵出水温度降低，此时分两种情况：①卸载后的热泵制热量仍较大，热泵出水温度仍超过设定温度某一值（仍达到卸载的条件），此时则关闭该压缩机，即进入二级卸载。②卸载后热泵出水温度低于设定温度，此时即热加热系统2通过PID不断增加功率，使总出水温度维持在设定温度。较优地，通过热泵加热系统1的优化设计，使卸载的热泵制热量占即热加热系统2的总功率的15%～60%，在上述各种条件下三者的配合工作时，能使流量的变化平缓，而且出水温度控制在较高的精度水平。

2）当热泵加热系统1和即热加热系统2工作，如果即热加热系统2功率输出达到警戒值（比如95%）而出水温度仍低于设定温度某一值（比如1.2℃），此时水量调节系统3按一定步伐向下调节，使水量缓慢减小，直至出水温度达到设定温度范围内，且即热功率输出比在某一值以内（比如95%），如果由于热泵制热量不断上升，导致热泵出水温度上升而即热功率输出比不断下降至某一值，则按上述1）进行相应动作。较优地，为了保证水量调节阀，设置一最低开度值，当前开度到达此值则不再下调，同时，为了保证正常的用水，水量也设置一最低流量值（比如4L/min），低于此值，即使当前阀开度未低于最低开度且符合下调条件，水量调节阀也不再下调。其控制流程如图5所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种即热式热水器恒温控制系统，其特征在于：包括沿热水器的进水口至出水口方向依次设置在水路上的热泵加热系统、即热加热系统和水量调节系统，所述热泵加热系统与进水口的连接管路上设置有进水温度传感器和水流开关，所述热泵加热系统与即热加热系统的连接管路上设置有热泵出水温度传感器，所述即热加热系统和水量调节系统的连接管路上设置有总出水温度传感器，所述水量调节系统和出水口的连接管路上设置有水量传感器，所述水量调节系统包括水量调节阀和步进电机，所述水量调节阀用于调节流过水路的水量，所述步进电机用于控制水量调节阀的开度，所述热泵加热系统、即热加热系统、进水温度传感器、热泵出水温度传感器、总出水温度传感器、水量传感器和步进电机分别与控制器电连接。

2.一种如权利要求1所述的即热式热水器恒温控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、开启热泵加热系统和即热加热系统，对进水口流入的水进行加热；

步骤2、检测热泵出水温度、总出水温度、水量和即热加热系统的输出功率，根据检测结果进行如下控制：

A、若即热加热系统的输出功率已经达到警戒值，而总出水温度仍然小于设定温度，则在满足水量高于最低流量值的基础上减小水量，直至总出水温度达到设定温度且即热加热系统的输出功率小于或等于最高设定值；

B、若总出水温度达到设定温度，而即热加热系统的输出功率小于最低设定值，则增大水量，直至水量调节阀的开度调至上限或即热加热系统的输出功率达到最高设定值；

C、若水量调节阀的开度调至上限，而热泵出水温度仍然超过设定温度，则降低热泵加热系统的制热量或关闭热泵加热系统，使热泵出水温度低于设定温度，然后通过调整即热加热系统的加热功率使总出水温度维持在设定温度。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2的C中，热泵加热系统的降低的制热量为即热加热系统的输出功率的15%～60%。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：在步骤2中，所述水量的减小或增大由步进电机控制，所述步进电机按照预先设定好的步数进行调节，所述步进电机的调节周期与即热控制系统的PID计算周期一致。

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