CN106322792A

CN106322792A - 一种太阳能热水器节水型温度调节装置

Info

Publication number: CN106322792A
Application number: CN201610832628.7A
Authority: CN
Inventors: 宋伟浩; 顾伟; 褚建新; 周贤文; 张薇
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2017-01-11

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水器节水型温度调节装置，包含：混合水箱，其进水口分别与太阳能热水器和储水罐相连，将热水和冷水引入至混合水箱；热水电动调节阀，其连接在混合水箱与太阳能热水器之间；冷水电动调节阀，其连接在混合水箱与储水罐之间；混合水电动调节阀、淋浴喷头，混合水箱出水口经由混合水电动调节阀与淋浴喷头相连；水泵，其一端连接在混合水电动调节阀出口的管路，另一端接入混合水箱，用于将使用完毕后管路残留水泵入混合水箱；调节控制系统，用于根据冷、热水温度控制冷、热水的注入流量，使得混合水箱内的水维持在预设液位及预设温度，且预设液位对淋浴喷头处的水压保持稳定。

Description

一种太阳能热水器节水型温度调节装置

技术领域

本发明涉及温度调节装置，特别涉及一种太阳能热水器节水型温度调节装置。

背景技术

目前市场上常用的太阳能热水器调温装置都是混水阀和恒温阀，但是混水阀和恒温阀使用起来都存在一定的缺点。利用混水阀调节水温时，由于调节过程存在滞后性，手动调节过程会耗时较长且其间流出的水也会无故浪费掉，另外由于水压不稳造成的水流忽大忽小也是混水阀的缺点之一。利用恒温阀调节水温时，水温的调控较为方便，但是也存在无法控制出水流量稳定的缺点，而且经过较长时间未使用后开启使用时，也会存在“放出冷水等热水”的情况，造成一定量的冷水浪费。在当今社会背景下，消费者更追求洗浴舒适便捷(也即具体要求水流稳定、调温方便)，也更强调节约水资源。

传统的太阳能水温调节都是通过混水阀的手动调节实现的。但是混水阀在开始使用的时候都需要将阀至淋浴喷头之间的冷水水排出，也即存在“排出冷水等热水”的情况，这些水会被浪费掉。另外混水阀需要人工手动调节，调节过程中万一操作失误，严重时会造成使用者烫伤。另外，由于混水阀和淋浴喷头之间有一段距离，这便造成了调节的滞后性，会使调节时间较长，使用起来不够便捷，当人工调节到合适温度的时候已然有不少水白白浪费掉了。再有，在某些情况下，由于水压的不稳定会使出水流量忽大忽小，给使用者造成了一定的困扰。总结起来，现有混水阀的缺点如下：

1、调节等待时间长，使用不便捷。

2、调节过程中存在水的浪费问题。

3、水压的变化会使得出水流量变化不定，降低使用舒适度。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能热水器节水型温度调节装置，解决了传统混水阀的缺点，使太阳能热水器的水温调节变得更加便捷有效，也在很大程度上节约了水资源。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能热水器节水型温度调节装置，其特点是，包含：

混合水箱，其进水口分别与太阳能热水器和储水罐相连，将热水和冷水引入至混合水箱；

热水电动调节阀，其连接在混合水箱与太阳能热水器之间；

冷水电动调节阀，其连接在混合水箱与储水罐之间；

混合水电动调节阀、淋浴喷头，所述混合水箱出水口经由混合水电动调节阀与淋浴喷头相连；

水泵，其一端连接在混合水电动调节阀出口的管路，另一端接入混合水箱，用于将使用完毕后管路残留水泵入混合水箱；

调节控制系统，用于根据冷、热水温度控制冷、热水的注入流量，使得混合水箱内的水维持在预设液位及预设温度，且所述预设液位对淋浴喷头处的水压保持稳定。

所述的调节控制系统包含：

热水温度传感器，用于检测从太阳能热水器流向热水电动调节阀热水温度；

冷水温度传感器，用于检测从储水罐流向冷水电动调节阀冷水温度；

混合水温度传感器，用于检测混合水箱内混合水的温度；

驱动电路，其输出端连接热、冷水电动调节阀和混合水电动调节阀的输入端，用于驱动热、冷水电动调节阀和混合水电动调节阀的开启；

控制器，其输入端连接热水温度传感器、冷水温度传感器和混合水温度传感器，输出端连接驱动电路，用于根据冷、热水和混合水的温度计算将冷、热水混合到预设温度，控制热、冷水电动调节阀的开度。

所述的调节控制系统还包含：

液位传感器，其输出端连接控制器输入端，用于检测混合水的水位；

所述的控制器根据混合水的水位控制热、冷水电动调节阀的开度。

所述的调节控制系统还包含：

人机交互单元，其与控制器相连，用于设定水温和调节混合水电动调节阀的放水流量。

所述的驱动电路输出端连接水泵，当使用完毕后，控制器输出水泵启动信号至驱动电路，并开启水泵将管路中残存水泵入混合水箱。

所述的驱动电路输出端还连接一蜂鸣器，用于提示使用者水温调节到预设温度和异常操作报警。

所述的人机交互单元包含：键盘，其与控制器相连；显示屏，其与控制器输出端相连。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)水温的调节过程使用者仅需通过操作键盘设定使用温度即可，当水温调节好后蜂鸣器会发出提示音来提示使用者水温调节完毕可以用于洗浴。水温的调节是由控制器根据各传感器采集的数据进行适当的判断与计算，并将处理结果交付给执行器执行，从而达到自动调节温度的目的。

(2)本发明免去了传统混水阀的手动调节环节，并且增加了使用完毕后水泵回水设计避免了传统调温方式中的将管路中残存的冷水排放出来才能进行调温情况，使得整个装置有了很强的的节水作用。另外手工调节混水阀调温既费时又难以合理调控温度，且调节过程时间较长会造成水的浪费。在本发明中，使用者每次使用完毕后管路中残存水都会由小型水泵泵入混合水箱，而且水温调节过程都是在混合水箱中完成，当调节好水温后混合水电动调节阀会根据使用者下达的指令将温水会排入无水的管路，这样由淋浴喷头流出的水就是调好温度的温水，可直接用于洗浴，避免手动调温环节造成的水浪费。

(3)在传统的调温混水阀使用过程中，由于水压的不稳定会造成淋浴喷头出水的不均匀不稳定。在本发明中，当混合水箱内的水温度调节好后，控制器就会控制调节阀使冷水和热水按一定流量关系式和流量值注入水箱，既保证混合水维持在设定温度又保证了液位的稳定。这便使得混合水箱内的水位波动范围很小，也就保证了该液面对淋浴喷头处的水压不变，从而保证了出水的均匀稳定，提高了使用者使用的舒适度。

附图说明

图1为本发明一种太阳能热水器节水型温度调节装置的结构图；

图2为本发明调节控制系统的结构示意图；

图3为本发明调节控制系统的系统框图；

图4为本发明一种太阳能热水器节水型温度调节装置的控制流程图

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种太阳能热水器节水型温度调节装置，包含：混合水箱3，其进水口分别与太阳能热水器和储水罐相连，将热水和冷水引入至混合水箱3；热水电动调节阀8，其连接在混合水箱与太阳能热水器之间；冷水电动调节阀2，其连接在混合水箱3与储水罐之间；混合水电动调节阀8、淋浴喷头15，所述混合水箱出水口经由混合水电动调节阀8与淋浴喷头15相连；水泵，其一端连接在混合水电动调节阀6出口的管路，另一端接入混合水箱3，用于将使用完毕后管路残留水泵入混合水箱3；调节控制系统，用于根据冷、热水温度控制冷、热水的注入流量，使得混合水箱内的水维持在预设液位及预设温度，且所述预设液位对淋浴喷头处的水压保持稳定。

上述的调节控制系统包含：热水温度传感器9，用于检测从太阳能热水器流向热水电动调节阀热水温度；冷水温度传感器1，用于检测从储水罐流向冷水电动调节阀热水温度；混合水温度传感器4，用于检测混合水箱内混合水的温度；驱动电路11，其输出端连接热、冷水电动调节阀和混合水电动调节阀的输入端，用于驱动热、冷水电动调节阀和混合水电动调节阀的开启；控制器13，其输入端连接热水温度传感器9、冷水温度传感器1和混合水温度传感器4，输出端连接驱动电路，用于根据冷、热水和混合水的温度计算将冷、热水混合到预设温度，控制热、冷水电动调节阀的开度。

上述的调节控制系统还包含：液位传感器7，其输出端连接控制器13输入端，用于检测混合水的水位；所述的控制器13根据混合水的水位控制热、冷水电动调节阀的开度。

上述的调节控制系统还包含：人机交互单元，其与控制器13相连，用于设定水温和调节混合水电动调节阀的放水流量。人机交互单元包含：键盘14，其与控制器相连；显示屏10，其与控制器输出端相连。

上述的驱动电路输出端连接水泵5，当使用完毕后，控制器输出水泵启动信号至驱动电路，并开启水泵将管路中残存水泵入混合水箱。所述的驱动电路输出端还连接一蜂鸣器12，用于提示使用者水温调节到预设温度和异常操作报警。

本发明的组成部分可大致分为两类，一类为混合水箱和各管路；另一类就调节控制系统，包括各传感器、调节阀、控制电路。混合水箱和各管路部分较简单这里不做赘述。调节控制系统的构成简图如图2所示。控制系统需要根据不同模块的电气要配以不同的规格电源。使用者通过操作键盘14和显示屏10与系统进行交互，使用者可通过键盘14进行水温设定、调节电动调节阀6控制放水流量等操作并可以在显示屏上观看系统运行状态、当前水温等。控制器13用各传感器采集的信号数值与使用者的设定温度数值进行计算，将计算结果转换成控制量通过驱动电路来控制电磁阀进行水温调节。调节好水温后驱动电路11会驱动蜂鸣器12响起提示音提示使用者可以正常使用。当使用者使用完毕时可以按下相应按钮表示使用结束，这时控制器会控制调节电动调节阀6关闭，并启动小型水泵5将管路中残存水泵入混合水箱3。

控制器13是整个系统的核心，整个系统的任务协调与分配都是由控制器来完成。控制器控制水泵、调节阀和蜂鸣器协调动作，进而使整个系统正常运转。水温调节作用是通过控制器控制电动调节阀的开度进而调节冷、热水流量使得两者混合后达到设定温度。整个系统的控制流程如图3所示。

首先，初始化完成后，控制器读取各传感器的测量量，并等待设定温度输入，若使用者输入合理的设定温度后(对于不合理设定值，蜂鸣器会报警提示)，控制器会将设定温度与混合水箱水温进行对比，比对结果分成三种情况：

如果混合水箱内水温大于设定水温，这时便需要向水箱中注入适量冷水(热水电动调节阀保持关闭)以使两者混合后达到设定温度。

如果混合水箱内水温小于设定水温，这时便需要向水箱中注入适量热水(冷水电动调节阀保持关闭)以使两者混合后达到设定温度。

如果混合水箱内水温等于设定水温，这时便需要向水箱中按一定关系式注入冷水和热水以维持混合水箱内水温恒定。

在水温调节完毕后，调节阀2和8关闭，蜂鸣器12响起提示声告知使用者准备完毕。在使用者开始使用后，控制器13会在保证冷、热水注入的满足流量关系式的前提下，根据液位和液位变化量调整电动调节阀2和8开度使得冷、热水注入流量得到控制以维持液位在合理水平，保证混合水箱对淋浴喷头的水压保持稳定，避免出现水流不均匀不稳定的情况。在使用完毕后，使用者将使用完毕信号通过控制键盘14传达至控制器13，控制器会关闭调节阀6，随后开启小型水泵5将调节阀6至淋浴喷头间管路内残存水泵入混合水箱3。

本发明的控制器计算分为两部分，第一部分是根据设定温度以及混合和水箱中水温与液位计算所需注入冷水(热水)的量；第二部分是当混合水箱中的水达到设定温度后，计算冷水和热水的注入流量函数关系来维持混合水箱中的水温维持在设定温度。如图1所示，设定温度T_s由人工通过操作键盘设定。冷水温度传感器1、热水温度传感器9和混合水温度传感器4分别能测量冷水温度T_c、热水温度T_h和混合水温度T_m，液位传感器7用于测量水箱液位H(此处混合水箱为底面积为S的长方体水箱)。

针对第一部分计算，也即开始使用时向混合水箱内注入冷水(或热水)使得其与混合水箱内留存水混合后达设定温度调节过程的计算。控制器会依据公式(1)(ρ为水的密度)计算混合水箱内水的质量。

m_m＝ρSH······························⑴

在T_s＞T_m时，只打开热水调节阀，根据公式：

Q＝cmΔT·····························⑵

可得混合水到达设定温度需吸收热量Q₁和热水到达设定温度需释放热量Q₂为:

Q₁＝cm_m(T_S-T_m)·······················⑶

Q₂＝cΔm(T_h-T_s)·························⑷

令Q₁＝Q₂可得所需注入热水的量：

Δ m = \frac{m_{m} (T_{s} - T_{m})}{T_{h} - T_{S}} ... (5)

根据算式(5)算得需要注入的热水质量后，由控制器确定需要打开热水阀的开度与时间。

在T_S＜T_m时，只打开冷水调节阀，根据算式(6)计算需要注入的冷水质量(计算过程类似，不再赘述)。

Δ m = \frac{m_{m} (T_{m} - T_{s})}{T_{m} - T_{c}} ... (6)

针对第二部分计算也即在T_S＝T_m且液位H数值较小时，打开冷水和热水调节阀并控制其开度使两股水流混合后水温等于设定温度又使液位H维持在相对稳定的位置。在T_S＝T_m后，考虑到混合水箱内的水温会由于热量的散失而有所降低，这时会有T_h＞T_S＞T_m＞T_c，在某一时刻热水和冷水流量函数关系应为(Q_h、Q_c分别为热水和冷水的流量值，不同于上文提到的热量值)：

Q_{h} = m_{m} \frac{T_{s} - T_{m}}{T_{h} - T_{S}} + Q_{c} \frac{T_{s} - T_{c}}{T_{h} - T_{S}} ... (7)

需要作出特别说明的是：①整个过程中的各数值以及计算结果都是动态更新的。②针对第一部分的温度调节过程可以用PID等算法来实现混合水箱内水温调节。

综上所述，本发明一种太阳能热水器节水型温度调节装置，通过引入混合水箱3使得水温的调节更均匀准确；通过引入混合水箱3以及水泵5使得整个系统节水效果明显；通过混合水箱3内的冷、热传感器和液位传感器采集数值计算得到混合水箱3内水达到设定水温需变化的热量值；通过冷水温度传感器和热水传感器采集数值以及能量变化关系计算得到欲达设定水温需注入水的质量；达到设定温度时，通过计算冷、热水的注入流量的函数关系式来维持水温恒定；通过控制冷水、热水调节阀的开度来调节两者注入流量使得混合水箱内液位稳定；通过人家交互装置的引入使得系统的便捷性和人性化大大提高。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，包含：

热水电动调节阀，其连接在混合水箱与太阳能热水器之间；

冷水电动调节阀，其连接在混合水箱与储水罐之间；

2.如权利要求1所述的太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，所述的调节控制系统包含：

混合水温度传感器，用于检测混合水箱内混合水的温度；

3.如权利要求2所述的太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，所述的调节控制系统还包含：

4.如权利要求3所述的太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，所述的调节控制系统还包含：

5.如权利要求2-4任一项所述的太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，所述的驱动电路输出端连接水泵，当使用完毕后，控制器输出水泵启动信号至驱动电路，并开启水泵将管路中残存水泵入混合水箱。

6.如权利要求2所述的太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，所述的驱动电路输出端还连接一蜂鸣器，用于提示使用者水温调节到预设温度和异常操作报警。

7.如权利要求4所述的太阳能热水器节水型温度调节装置，其特征在于，所述的人机交互单元包含：键盘，其与控制器相连；显示屏，其与控制器输出端相连。