CN105650882A - 一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法，包括提出最适淋浴温度f(x)作为控制指标，根据引入的最适淋浴温度f(x)与外界温度x之间的曲线得到当前外界温度下的最适淋浴温度f(x)，产生冷水阀控制信号、热水阀控制信号对淋浴出水温度进行控制，使得冷热水按设定比例混合，保证混合后的出水温度满足最适淋浴温度。本发明还公开了一种智能型淋浴热水器出水温度调节系统，包括控制模块、输入模块以及操作模块；本发明能够在外界环境温度x变化的情况下，快速的改变淋浴出水温度，保证出水温度始终为最适淋浴温度，缩短调节时间，保证淋浴效果。

Description

一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法及系统

技术领域：

本发明涉及一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法及应用该方法的淋浴热水器出水温度调节系统。

背景技术：

随着人民生活水平的提高，市场上对人性化的智能产品需求也大大的提高。目前，在洗澡、洗手等用到热水的场所，绝大多数用水系统仍然是传统的手动调节方式。这种传统的热水用水系统存在着诸多不足：

(1)在不同季节，人体洗浴时最适淋浴温度范围不同，传统热水系统仅能由人自行手动调节，不仅浪费了水电，也浪费时间。

(2)传统的淋浴热水器对于出水温度都是需要人手动调节的，并且存在着一定的滞后性。手动调节出水温度过程缓慢，水温波动范围比较大，这导致人们在冬天时淋浴会变成一种考验。

(3)在淋浴过程中，随着淋浴时间的增加，热水器中的热水量减少，并且新补充的冷水会降低热水器水箱中的温度，这使得热水器淋浴出水温度不断的变化，需要人在淋浴过程中不断的调节出水阀，使得淋浴过程变得十分的繁琐而复杂。

作为人们淋浴的一种必备设施，传统的热水器模式单一，并没有针对不同年龄段最适淋浴温度不同的问题，设置多种淋浴模式，譬如对于儿童淋浴，淋浴温度高容易烫伤其敏感的肌肤，过低则会冻伤，所以儿童的淋浴温度应维持在一个稳定的温度范围。传统热水器水温会随着使用时间增加而降低，且其出水温度需人为测量后才可实现对温度的控制，这样做不仅影响儿童的淋浴效果也可能对其健康造成不利影响。

热舒适性是一种主观的感受，指人们对其所处的微小气候产生的温度感受评价，热舒适性研究起源于20世纪初，20世纪60年代ASHRAE在堪萨斯州立大学实验室进行了大量热舒适性实验，Fanger发表著名的热舒适性方程就是以此数据为基础。本实验参考热舒适性方程结合自身实验提出了最适淋浴温度f(x)以及最适淋浴温度f(x)与外界温度x之间的曲线的关系。

本发明基于上述存在的技术问题，提出了一种智能淋浴热水器出水调节方法及应用该方法的淋浴热水器出水调节系统。该方法基最适淋浴温度f(x)与外界温度x曲线及能量守恒定律，根据当前冷热水温度计算得到的冷热水流量的大小，淋浴热水器出水温度调节系统运用智能控制算法得到冷热水调节控制信号，配合原有的供水设备来自动智能的控制出水温度，解决淋浴过程中由于水温变化需要实时手动调节水温的问题。该方法针对外界温度x的大小将最适淋浴温度f(x)分为三个阶段，针对成人与儿童的不同体质设定了多种年龄淋浴模式。

发明内容：

本发明的技术解决方案是：一种基于最适淋浴温度f(x)的智能热水系统方法，其特征在于，可以解决淋浴初期由于水温调节存在的滞后性、调节出水温度出现的过程反复、出水温度波动较大导致出水温度到达最适淋浴温度f(x)过程缓慢的问题。依据在外界环境温度变化的情况下人体热舒适的研究，当外界温度x发生变化时，为使淋浴达到最佳效果，须快速、实时的对外界温度x变化响应做出反应，保证热水器的出水温度始终维持在最适淋浴f(x)。

基于上述方法，本发明包括以下步骤：

本文提供一种智能型淋浴热水器出水出水调节方法，其特征是针对外界温度x变化下，最适淋浴温度f(x)也应随之变化，提出最适淋浴温度f(x)，测量得到的外界温度x、热水箱水温T₁、冷水箱水温T₂，淋浴系统依据最适淋浴温度f(x)与外界温度x之间的曲线得到当前外界温度x下的最适淋浴温度f(x)并且产生冷水阀控制信号、热水阀控制信号；阀门控制信号经过放大电路放大后，分别输出至冷、热水阀门控制输入端；从而使得冷热水按设定比例混合，混合后的出水温度满足最适淋浴温度f(x)。水温度控制方法包括以下步骤：

步骤一：依据淋浴的对象选择相应的模式，分为成人模式还是儿童模式。依据当前的外界环境温度，根据所选模式的不同，确定当前最适淋浴温度f(x)。

a.成人模式

依据环境温度变化的动态环境下人体舒适度的研究，最适淋浴温度f(x)与外界温度x之间的关系分为三种情况：

其中：

P₁＝-0.0007270；

P₂＝-0.5381；

P₃＝47.96.

当外界温度x低于0℃时，最适淋浴温度f(x)设定为一个定值为48℃；

当外界温度x处于0℃到35℃时，最适淋浴温度f(x)的范围处于28℃与48℃之间；

当外界温度x高于35℃时，最适淋浴温度f(x)设定一个定值为28℃。

b.儿童模式

儿童模式下，最适淋浴的温度f(t)与淋浴时间t之间的关系如下式所示。

$f\left(t\right)=\{\begin{array}{cc}36+0.25t& t\≤8\\ 38& t>8\end{array}---\left(2\right)$

其中，t为淋浴时间，单位min；

步骤二：利用阀门控制器对阀门进行控制，依据能量守恒定律，热水温度T₁，冷水温度T₂及冷热水经过混合之后出水温度T之间的关系式如(3)所示：

T＝(V₁T₁+V₂T₂)(V₁+V₂)，

V＝Qt＝(1/R)[1+(R-1)L_x]t(3)

式中：V₁，V₂分别表示热水与冷水的体积、Q代表流量、R为常数可调比、L_x为阀门开度。控制系统发出控制信号经过放大电路后输出到阀门控制器输入端，阀门控制器依据控制信号调节阀门开度，使冷热水按设定比例混合，从而让出水温度为最适淋浴温度f(x)。

本发明涉及一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法的淋浴热水器出水温度调节系统，其特征在于包括输入模块、控制模块、操作模块。

所述输入模块分别采集得冷、热水温度与外界环境温度x，并依据本发明所述最适淋浴温度f(x)与外界温度x关系计算当前最适淋浴温度f(x)，同时判断热水箱的水是否需要加热；所述控制器依据基于所述输入模块当前最适淋浴温度f(x)与热水箱是否需要加热的信息，分别生成控制信号，输出到冷热水阀门控制端和加热装置输入端；所述操作模块依据控制信号调整加热状态；冷热水阀门依据控制信号调整阀门开度，调整所述热水器的出口水温，使得所述热水器的出口水温为最适淋浴温度f(x)。

本发明具有以下有益效果：

1)依据最佳淋浴温度f(x)与外界温度x的关系，控制出水温度实现淋浴的最佳效果；2)设定采样频率，不断的对淋浴系统所需测量的温度进行采样，实时的调整出水温度，保证淋浴效果；3)与传统淋浴设备相比，无需淋浴初期手动调节水温，较为快速的度过淋浴初期水温不稳定状况，大大缩短等待时间，节约资源。4)设置两种淋浴模式，扩大了淋浴系统适用范围。

附图说明：

图1为本发明最适淋浴温度f(x)与外界温度x的关系曲线图

图2为本发明智能热水系统出水温度控制流程图

图3本发明系统结构图

图4为本发明淋浴出水温度随时间变化图

具体实施方式：

图1所示为本发明于最适淋浴温度f(x)与外界温度x的关系曲线图。

本发明所述的一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，基于在外界环境温度变化的情况下人体热舒适的研究，提出最适淋浴温度f(x)，针对外界温度x变化，人体淋浴温度也应随之变化。为保证淋浴的效果，依据淋浴的对象选择相应的模式，确定成人模式还是儿童模式。依据当前的外界环境温度，根据所选模式的不同，确定当前最适淋浴温度f(x)。

a.成人模式

依据环境温度变化的动态环境下人体舒适度的研究，最适淋浴温度f(x)与外界温度x之间的关系分为三种情况：

其中：

P₁＝-0.0007270；

P₂＝-0.5381；

P₃＝47.96.

当外界温度x低于0℃时，最适淋浴温度f(x)设定为一个定值为48℃；

当外界温度x处于0℃到35℃时，最适淋浴温度f(x)的范围处于28℃与48℃之间；

当外界温度x高于35℃时，最适淋浴温度f(x)设定一个定值为28℃。

b.儿童模式

儿童模式下，最适淋浴的温度f(t)与淋浴时间t之间的关系如下式所示。

$f\left(t\right)=\{\begin{array}{cc}36+0.25t& t\≤8\\ 38& t>8\end{array}---\left(2\right)$

其中，t为淋浴时间，单位min；

步骤二：由于控制器无法实现对出水温度的直接控制，所以需要通过中介即输出控制电压的大小来实现对阀门开度的控制，进一步实现对出水温度的控制。由于控制器输出的控制电压为V₁(0-5v)，而一般的阀门控制电压均为0-12v，所以需线性放大后才可实现对阀门的正确控制，设定V₂＝KV₁，其中K为常数，此时系统的输出电压就为V₂利用阀门控制器对阀门进行控制，依据能量守恒定律，热水温度T₁，冷水温度T₂及冷热水经过混合之后出水温度T之间的关系式如(3)所示：

T＝(V₁T₁+V₂T₂)(V₁+V₂)，

V＝Qt＝(1/R)[1+(R-1)L_x]t(3)

式中：V₁，V₂分别表示热水与冷水的体积、Q代表流量、R为常数可调比、L_x为阀门开度。控制系统发出控制信号经过放大电路后输出到阀门控制器输入端，阀门控制器依据控制信号调节阀门开度，使冷热水按设定比例混合，从而让出水温度为最适淋浴温度f(x)。

依据所述的一种智能型淋浴热水器出水温度调节系统：包括控制模块、输入模块以及操作模块。

需要说明的是，所述热水管(44)与冷水管(45)下端都靠近临时储水器(54)的底部，在淋浴临时储水器(54)底部略微缓冲，冷热水便会按比例混合在临时储水器(54)中，随后便立即沿着淋浴喷头(53)流出。保证淋浴水温即为最适淋浴水温。

参考图2和图3，本发明所述的智能淋浴热水器出水温度调节系统(10)，包括输入模块(20)、控制模块(30)、操作模块(40)。

输入模块(20是智能淋浴热水器进行数据采集的模块，具有温度传感器(21)-(23)数据采集系统(28)、信号传递电路(24)-(27)、淋浴开关(29)等。按下淋浴开关(29)，热水水温传感器(21)采集热水箱(51)中热水温度经电路(26)传递到数据采集系统(28)，冷水水温传感器(22)采集冷水箱(52)中冷水水温数据经电路(25)传递到数据采集系统(28)，外界环境温度传感器(23)采集数据经电路(24)传递到数据采集系统(28)，数据采集系统(28)依据采集信息输出所需控制目标经电路(27)与控制(31)相连。

控制模块(30)是智能淋浴热水器输出控制信号的模块，具有控制器(31。依据数据采集系统(28)所传递信息通过电路(46)发出加热信号；依据数据采集系统(28)给出的最适淋浴温度f(x)，控制器(31)输出控制信号，经放大电路(41)与阀门控制器相连。

操作模块(40)是智能淋浴热水器对控制器(31)指令执行操作的模块，具有热水阀门控制器(44)，冷水阀门控制器(45)，加热模块(47)等。加热模块(47)通过电路(46接收控制器(31)信号，对热水箱(51)中的热水加热。控制器(31)输出的控制信号经放大电路(41)放大后，分别对热水阀门(42)与冷水阀门(43)控制，热水阀门(42)通过阀门开度实现对热水管道(44)中流出的热水流量进行控制，冷水阀门(43)对冷水管道(45)中流出的冷水流量进行控制，热水与冷水在临时储水器(54)中混合并通过淋浴喷头(53)流出，用于淋浴。

本发明的实验结果如图4所示。关于如上所述构成的智能淋浴热水器出水温度调节系统(10)淋浴出水温度控制方法的一个例子进行说明

基于成人模式下，通过外界环境温度传感器或者此时的外界温度x＝28.7℃，那么利用公式：

f(x)＝-0.000727x2-0.5381x+47.96

得出此时最适淋浴温度f(x)＝31.92℃。控制器(31)基于数据采集系统(28)检测得到的信息f(x)＝31.92℃，，产生控制信号放大电路(41)，经放大后输入冷热水阀门控制器。其通过置于淋浴出水口温度传感器获得调节响应过程如图4所示，传统热水器调节出水温度到31.92℃的响应过程也置于图4。

图4中曲线1为智能淋浴热水器出水温度调节系统1出水温度随时间变化的曲线图，而曲线2为传统淋浴热水系统的变化曲线图，从图中可以看出，曲线1波动明显比曲线2小，其超调量τ₁＝2.2％，τ₂＝9.5％，两种热水器达到稳态值的时间t_s1＝5s，而t_s2＝10s，可以看出智能淋浴热水器可以较为快速的度过淋浴初期水温波动较大的阶段。随着淋浴时间的增加，外界环境温度x会有所上升，为保证淋浴效果，控制器(31)会实时的改变控制电压，淋浴喷头(53)的出水温度会略微下降，而传统热水器随着淋浴时间超过十分钟，其温度下降幅度较大，会影响人体淋浴的舒适度。

通过以上分析可知：智能淋浴热水器出水温度调节系统(10)可以在保证淋浴出水温度波动较小的情况下，快速让淋浴喷头(53)的出水温度为最适淋浴温度f(x)。同时，随着淋浴时间的增长，淋浴喷头(53)的出水温度与传统淋浴热水器相比，会随着环境温度的变化只产生细微的变化，保证淋浴效果保持最佳。

以上实施例结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种智能型淋浴热水器出水调节方法，其特征在于，引入最适淋浴温度f(x)与外界温度x的曲线关系作为淋浴热水器出水温度的控制指标，利用阀门控制器产生控制信号，调整冷热水出水比例，实现对出水温度的控制。

包括以下步骤：

步骤一：依据淋浴的对象选择相应的模式，分为成人模式还是儿童模式。依据当前的外界环境温度，根据所选模式的不同，确定当前最适淋浴温度f(x)。

a.成人模式

依据环境温度变化的动态环境下人体舒适度的研究，最适淋浴温度f(x)与外界温度x之间的关系分为三种情况：

其中：

P₁＝-0.0007270；

P₂＝-0.5381；

P₃＝47.96.

当外界温度x低于0℃时，最适淋浴温度f(x)设定为一个定值为48℃；

当外界温度x处于0℃到35℃时，最适淋浴温度f(x)的范围处于28℃与48℃之间；

当外界温度x高于35℃时，最适淋浴温度f(x)设定一个定值为28℃。

b.儿童模式

儿童模式下，最适淋浴的温度f(t)与淋浴时间t之间的关系如下式所示。

$f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}36+0.25t& t\≤8\\ 38& t>8\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，t为淋浴时间，单位min；

步骤二：利用阀门控制器对阀门进行控制，依据能量守恒定律，热水温度T₁，冷水温度T₂及冷热水经过混合之后出水温度T之间的关系式如(3)所示：

T＝(V₁T₁+V₂T₂)(V₁+V₂)，

V＝Qt＝(1/R)[1+(R-1)L_x]t(3)

式中：V₁，V₂分别表示热水与冷水的体积、Q代表流量、R为常数可调比、L_x为阀门开度。控制系统发出控制信号经过放大电路后输出到阀门控制器输入端，阀门控制器依据控制信号调节阀门开度，使冷热水按设定比例混合，从而让出水温度为最适淋浴温度f(x)。

2.一种应用如权利要求1所述一种智能型淋浴热水器出水温度调节方法的淋浴热水器出水温度调节系统，其特征在于包括输入模块(20)、控制模块(30)、操作模块(40)。

3.根据权利要求2所述的淋浴热水器出水温度调节系统，其特征在于：

所述输入模块(20)分别采集得热水温度T₁，冷水温度T₂与外界环境温度x，并依据本发明所述最适淋浴温度f(x)与外界温度关系x，数据采集模块(28)计算当前最适淋浴温度f(x)，同时判断热水箱的水是否需要加热；

所述控制器(31)依据基于所述输入模块的信息，分别生成控制信号，经放大电路(41)输出到冷热水阀门控制端和加热装置输入端；

所述操作模块(40)依据控制信号调整加热模块(47)运行状态，同时热水阀门(42)与冷水阀门(43)依据控制信号调整阀门开度，调整所述热水系统的出口水温，使得所述淋浴喷头(53)的出口水温为最适淋浴温度f(x)。