CN106931661B - 热水器节能控制方法及节能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热水器节能控制方法及节能热水器，包括热泵系统、光照度传感器和控制器。本发明利用光照度传感器检测环境的光照度，并在环境的光照度低于设定的下限值时，关闭热泵系统，避免电能的无谓消耗，而在环境的光照度大于等于设定的下限值时，开启热泵系统，并根据环境光照度的变化动态地调整热泵压缩机的转速，在环境光照度高的时间段内最大化地利用该时间段积累更多的热能，以使水箱内的水温能够更快地升高到设定的洗浴温度，并在水温达到预设温度时，及时关闭热泵系统，节约能源，达到了节能降耗的设计目的。本发明的热水器，热转换效率高，整机能耗低，可以适用于不同的天气环境和应用场合。

Description

热水器节能控制方法及节能热水器

技术领域

本发明属于热水器技术领域，具体地说，是涉及一种热水器的节能控制方法以及基于所述方法设计的节能热水器。

背景技术

热水器是一种通过各种物理原理，在一定时间内使冷水温度升高变成热水的装置，按照原理不同可分为电热水器、燃气热水器、太阳能热水器、磁能热水器、空气能热水器，暖气热水器等。其中，太阳能热水器和空气能热水器作为低能耗的产品发展势头较好，而且还逐渐出现了将太阳能热利用技术与热泵技术以互利形式相结合的太空能热水器。

采用热泵技术设计的热水器（例如空气能热水器、太空能热水器等），通过消耗少量的电能，将周围环境中的太阳能和空气能利用起来，经热泵压缩机压缩变为高品位能源，用于生活热水的生产。这种热水器不仅可以节约大量的优质能源，而且具有全天候性、耐候性等诸多优点，既适用于家庭供暖和热水供给，又可适用于集中供暖供热水系统。但是，热泵在夜间的热转换效率很低，一般为了节省能耗，都会关闭热泵。目前，控制热泵开关的方式都是采用设置时钟的方式，即，通过时钟对热泵的开启和关闭时间进行设置，例如将热泵的开启时间段设置为每天的9:00-18:00，尽量保证白天时间段一直开启热泵，积累足够的热能，而在晚上关闭热泵，降低能耗。

传统的基于热泵技术设计的热水器，在热泵开启的时间段内，无论环境光照度如何，热泵压缩机都始终工作在恒定转速下。而环境中的光照度是与热转效率成正相关关系的，因此，传统的热泵控制方式无法在阳光充足的时间段内充分利用环境中的太阳能和空气能，积累更多的热能，实现水温的快速提升。此外，季节不同、每天的天气状况不同，也会导致每个时间段的光照度不同。例如，冬季的17:00后以及乌云密布的白天，环境光强极弱，空气能和太阳能的能量极低，在这种光照度极弱的时间段，热泵运行只会导致电能的无谓消耗，并不会转换出有效的热能。因此，采用设置时钟控制热泵按时启停的控制方式仍存在热转换效率低，系统能耗大的问题。

发明内容

本发明针对基于热泵技术设计的热水器，提出了一种全新的热水器节能控制策略，根据环境中的光照度自动调节热泵压缩机的转速，以提升热泵的热转换效率，使热水器在尽可能短的时间段内快速提升水温，缩短热泵系统的运行时间，以达到降低整机能耗的设计目的。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明在一个方面提出了一种热水器节能控制方法，包括：检测环境的光照度Q；若光照度Q低于设定的下限值，则关闭热水器中的热泵系统；若光照度Q大于等于设定的下限值，则开启热水器中的热泵系统，并根据光照度Q的大小调整热泵压缩机的转速。

其中，在所述根据光照度Q的大小调整热泵压缩机的转速的过程中，按照“光照度Q越大、热泵压缩机的转速越高”的原则调整所述热泵压缩机的转速。即，环境中的光照度越大，表示太阳能和空气能的热能量越高，调节热泵压缩机的转速随光照度的增大而升高，有利于提高热泵系统的热转换效率，实现水温的快速升高。

作为热泵压缩机转速值的一种优选确定方式，本发明首先以所述下限值为起点形成多个光照度区间段，针对每个区间段设定该区间段所对应的热泵压缩机的转速值；然后，根据检测到的当前环境的光照度Q，确定当前环境的光照度Q所在的区间段，并读取该区间段所对应的热泵压缩机的转速值；最后，调整热泵压缩机的转速到达所述转速值，以获得最佳的热转换效率。

为了进一步提高热泵系统的热转换效率，本发明在所述针对每个区间段设定该区间段所对应的热泵压缩机的转速值的过程中，优选结合光照度和热水器的水箱容量共同确定热泵压缩机的转速值，且遵循“在每一个光照度的区间段内，设定水箱容量大的热水器所对应的热泵压缩机的转速值大于水箱容量小的热水器所对应的热泵压缩机的转速值”的原则。

优选的，优选设定所述下限值为100Lux，当环境的光照度Q<100Lux时，关闭热水器中的热泵系统；当环境的光照度100Lux≤Q<500Lux时，调整热泵压缩机的转速到n1，所述n1在[热泵压缩机所允许的最小转速，3000r/min]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n1的取值越大；当环境的光照度500Lux≤Q<1000Lux时，调整热泵压缩机的转速到n2，所述n2在[3000r/min，5500r/min]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n2的取值越大；当环境的光照度Q≥1000Lux时，调整热泵压缩机的转速到n3，所述n3在[5500r/min，热泵压缩机所允许的最大转速]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n3的取值越大。

为了降低热水器的整机能耗，本发明定时检测热水器的水箱内的水温，若水温达到预设温度，则关闭热水器中的热泵系统，以节约电能。

本发明在另一方面提出了一种节能热水器，包括水箱、用于对水箱内的水进行加热的热泵系统、检测环境的光照度Q的光照度传感器以及控制器；其中，在所述热泵系统中包括热泵压缩机，所述控制器接收所述光照度传感器输出的光照度检测信号，并在环境的光照度Q低于设定的下限值时，控制所述热泵系统关闭；在环境的光照度Q大于等于设定的下限值时，控制所述热泵系统开启，并根据光照度Q的大小调整所述热泵压缩机的转速。

进一步的，所述控制器根据接收到的光照度Q，查找预设的光照度与压缩机转速对应关系的对照表，确定当前环境的光照度Q在所述对照表中所在的区间段，并读取该区间段所对应的热泵压缩机的转速值，进而调整所述热泵压缩机的转速到达所述的转速值。

优选的，所述下限值优选设定为100Lux，所述控制器在环境的光照度Q<100Lux时，控制所述热泵系统关闭；在环境的光照度100Lux≤Q<500Lux时，调整所述热泵压缩机的转速到n1，所述n1在[热泵压缩机所允许的最小转速，3000r/min]区间内取值，且所述水箱的容量越大，n1的取值越大；所述控制器在环境的光照度500Lux≤Q<1000Lux时，调整所述热泵压缩机的转速到n2，所述n2在[3000r/min，5500r/min]区间内取值，且所述水箱的容量越大，n2的取值越大；所述控制器在环境的光照度Q≥1000Lux时，调整所述热泵压缩机的转速到n3，所述n3在[5500r/min，热泵压缩机所允许的最大转速]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n3的取值越大。

进一步的，在所述节能热水器中还包括温度传感器，用于检测所述水箱内的水温，并生成温度检测信号；所述控制器接收所述温度检测信号，并在水箱内的水温达到预设温度时，控制所述热泵系统关闭，以节约电能。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在具有热泵系统的热水器中增设光照度传感器，利用光照度传感器检测环境的光照度，并在环境的光照度低于设定的下限值时，关闭热泵系统，避免电能的无谓消耗，而在环境的光照度高于设定的下限值时，开启热泵系统，并根据环境光照度的变化动态地调整热泵压缩机的转速，在环境光照度高的时间段内最大化地利用该时间段积累更多的热能，以使水箱内的水温能够更快地升高到设定的洗浴温度，并在水温达到预设温度时，及时关闭热泵系统，节约能源。本发明的热水器，热转换效率高，整机能耗低，可以适用于不同的天气环境和应用场合。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是热水器中热泵系统的一种实施例的系统架构示意图；

图2是本发明所提出的节能热水器的一种实施例的电控系统框图；

图3是光照度的变化曲线与热泵压缩机转速的调节曲线的对应关系图；

图4是本发明所提出的热水器节能控制方法的一种实施例的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

在基于热泵技术设计的热水器中，都设置有热泵系统，如图1所示，主要包括空气热交换器1、热泵压缩机2、膨胀阀3、套管换热器4等组成部分。其中，空气热交换器1用于吸收空气中的低温热量（例如，空气能和太阳能等），经过冷媒介质气化后，通过热泵压缩机2压缩实现增压升温，然后通过套管换热器4将热泵压缩机2压缩后的高温热能传递给套管，以加热套管7中的水。所述套管7通过管路8与热水器的水箱6连通，水箱6中的水在水泵5的作用下在水箱6与套管7之间循环流动，继而使水箱6中的水温升高。膨胀阀3设置在由空气热交换器1、热泵压缩机2、套管换热器4等构成的冷媒介质循环管路中，以对高压冷媒进行节流降压。

本实施例为了提高热泵系统的热转换效率，在热水器中增设光照度传感器9，如图2所示，利用所述光照度传感器9检测环境中的光照度Q，并生成光照度检测信号发送至热水器控制板上的控制器11。所述控制器11根据接收到的光照度检测信号换算出环境的光照度Q，根据环境的光照度Q对热泵系统进行启停控制。具体来讲，当控制器11检测到环境的光照度Q低于设定的下限值S_min时，认为环境中的热能量极低，不适合热能量的转换。此时，控制器11可以控制热泵系统关闭，避免电能的无谓消耗。当控制器11检测到环境的光照度Q大于等于设定的下限值Q_min时，可以控制热泵系统开启，并根据环境光照度Q的实时变化动态地调整热泵压缩机2的转速，以获得最佳的热转换效率。

由于环境的光照度越大，空气中的空气能和太阳能的热能量越高，因此调节热泵压缩机2的转速随光照度Q的增大而升高，由此可以对不同时间段内的空气能和太阳能的热能量进行充分利用，实现热能的快速积累，更快地将水箱内的洗澡水加热到预设温度，通过缩短热泵系统的运行时间，最终达到降低系统整机能耗的设计目的。

由于在不同的天气情况下，即便在白天的同一时间段内，环境中的光照度也会存在很大的差异，例如,阴天室外的光照度通常在50Lux-500Lux之间变化；晴天室外的光照度通常在100Lux-1000Lux之间变化（全年平均变化范围）；而对于天气晴朗的夏天中午，室外的光照度有时可以达到几十万勒克斯度。由于不同天气情况下，每天不同时间段的空气热能量不同，因此需要根据空气热能量的实时变化动态地调节热泵压缩机2的转速，以始终获得最佳的热转换效率。

为了便于确定热泵压缩机2在不同环境光照度下的转速值，本实施例优选采用查表法获取热泵压缩机转速与环境光照度之间的对应关系。具体来讲，可以以所述下限值Q_min为起点，将光照度划分成连续的多个区间段，针对每一个区间段设定该区间段所对应的热泵压缩机的转速值，形成“光照度与压缩机转速对应关系”的对照表，保存在控制器11中或者与控制器11外接的存储器中，以供热水器在系统运行时调用。例如，在对照表中可以形成三个光照度区间段，分别为：Q_min≤Q<Q₁；Q₁≤Q<Q₂；Q≥Q₂；针对每一个光照度区间段，设定该区间段所对应的热泵压缩机的转速值，例如，分别为：n1、n2、n3，从而形成“光照度与压缩机转速对应关系”的对照表。

作为本实施例的一种优选方案，优选设定下限值Q_min=100Lux，Q₁=500Lux，Q₂=1000Lux，即，形成100Lux≤Q<500Lux；500Lux≤Q<1000Lux；Q≥1000Lux三个光照度区间段。针对第一区间段100Lux≤Q<500Lux，设定热泵压缩机2的转速值为n1，所述n1优选在[热泵压缩机2所允许的最小转速，3000r/min]的区间内取值；针对第二区间段500Lux≤Q<1000Lux，设定热泵压缩机2的转速值为n2，所述n2优选在[3000r/min，5500r/min]的区间内取值；针对第三区间段Q≥1000Lux，设定热泵压缩机2的转速值为n3，所述n3优选在[5500r/min，热泵压缩机2所允许的最大转速]的区间内取值，如图3所示的光照度与压缩机转速的对应关系曲线图。

在针对每一个光照度区间段选定热泵压缩机2转速值的过程中，除了考虑光照度与热转换效率成正相关关系外，还应考虑热水器的水箱6容量与热泵压缩机转速之间的对应关系。在设定热泵压缩机2的转速时，应根据水箱6的容量的不同而不同，为正相关关系，水箱6的容量越大，需要热泵压缩机2的转速也就越高。因此，在针对每一个光照度区间段选定热泵压缩机2的转速值时，水箱6的容量越大，n1、n2、n3在自身所对应的取值区间内的取值就应越大。即，在每一个光照度区间段内，设定水箱容量大的热水器所对应的热泵压缩机的转速值大于水箱容量小的热水器所对应的热泵压缩机的转速值。

举例说明：对于采用本实施例的节能控制策略设计的热水器，其水箱6的容量可以为200-250L。对于转速范围在1200-7200r/min的热泵压缩机来说，在光照度的第一区间段100Lux≤Q<500Lux，若水箱容量为200L，则可以设定热泵压缩机2的转速值为1200r/min 或者2000r/min；而若热水器的水箱容量为250L，则应设定泵压缩机2的转速值为2500r/min甚至3000r/min，以达到快速提升水温的目的。同理，在光照度的第二区间段500Lux≤Q<1000Lux，若水箱容量为200L，则可以设定泵压缩机2的转速值为3000r/min或者3500r/min；而若热水器的水箱容量为250L，则应设定泵压缩机2的转速值为5000r/min甚至5500r/min。在光照度的第三区间段Q≥1000Lux，若水箱容量为200L，则可以设定泵压缩机2的转速值为5500r/min或者6000r/min；而若热水器的水箱容量为250L，则应设定泵压缩机2的转速值为6800r/min甚至7200r/min。

针对每一台热水器的水箱容量和热泵压缩机的转速范围的不同，确定适用于该台热水器的“光照度与压缩机转速对应关系”对照表，写入控制器11或与控制器11外接的存储器中，供系统调用。

当热水器启动运行后，执行如下的节能控制策略，结合图4所示，包括：

S401、系统上电；

系统上电后，热泵系统并不启动，仅对热水器中主控板上的控制电路上电，例如控制器11等，并启动温度传感器10，以用于对水箱6内的水温进行检测。

S402、检测水箱6内的水温，并判断水箱6内的水温是否达到预设温度，若是，则保持当前的水温检测和判断过程；否则，执行后续步骤；

在本实施例中，可以在热水器的水箱6内或者连接水箱6的出水管路中安装温度传感器10，以检测水箱6内的洗澡水温度。结合图2所示，温度传感器10根据检测到的水温，生成温度检测信号传输至控制器11，控制器11根据接收到的温度检测信号换算出水箱6内的实际水温值，与事先设定的预设温度（所述预设温度可以是固定值，也可以根据用户输入的洗浴人数自动生成）进行比较。若水箱6内的水温已达到预设温度，则无需加热洗澡水，持续对水温进行检测；若水箱6内的水温低于预设温度，则需要执行后续步骤对水箱6内的水进行加热。

S403、检测环境的光照度Q；

启动光照度传感器9，检测环境的光照度，并生成光照度检测信号发送至所述的控制器11。所述控制器11根据接收到的光照度检测信号换算出当前环境的光照度Q，以用于热泵系统的启停控制以及热泵压缩机2的转速调节。

S404、若环境的光照度Q<Q_min，则控制热泵系统处于关闭状态，并返回步骤S403继续执行环境光照度的检测过程；若环境的光照度Q≥Q_min，则执行后续步骤；

由于环境的光照度在小于Q_min时，热泵系统的热转换效率是非常低的，此时若开启热泵系统，热泵系统所消耗的电能会远大于其转换生成的热能，因此只会造成能源的浪费。本实施例在环境的光照度Q<Q_min时，采用控制热泵系统关闭的方式，以达到节约能源的目的。

S405、启动热泵系统，根据环境的光照度Q调节热泵压缩机2的转速；

在本实施例中，控制器11根据当前环境的光照度Q查找预设的“光照度与压缩机转速对应关系”的对照表，判断当前环境的光照度Q所在的区间段，

若Q_min≤Q<Q₁，则调节热泵压缩机2的转速到n1；

若Q₁≤Q<Q₂，则调节热泵压缩机2的转速到n2；

若Q≥Q₂，则调节热泵压缩机2的转速到n3。

S406、检测水箱6内的水温，判断洗澡水是否加热到预设温度；若水箱6内的水温达到预设温度，则关闭热泵系统；若水箱6内的水温未达到预设温度，则返回步骤S403。

本实施例在根据环境的光照度Q调节热泵压缩机2转速的过程中，根据环境的光照度Q在一天内的实时变化，动态地调整热泵压缩机2的转速随光照度Q的增大而升高。当一天中的环境光照度Q达到最高时，热泵压缩机2高速运转，快速积累空气中的热能量，使水箱6内的洗澡水快速升高，直到升高到设定的预设温度时，控制器11自动关闭热泵系统，以降低整机能耗。

当然，本实施例对光照度的区间划分也可以采用更加细分的方式，以提高热泵压缩机转速调节的精确度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种热水器节能控制方法，其特征在于，

检测环境的光照度Q；

若光照度Q低于设定的下限值，则关闭热水器中的热泵系统；

若光照度Q大于等于设定的下限值，则开启热水器中的热泵系统，并根据光照度Q的大小以及热水器的水箱容量调整热泵压缩机的转速，所述转速的确定方式为：

以所述下限值为起点形成多个光照度区间段；

针对每一个光照度区间段设定热泵压缩机的转速值，且遵循以下设定原则：

光照度Q越大、热泵压缩机的转速越高；并且

水箱容量与热泵压缩机的转速成正相关关系。

2.根据权利要求1所述的热水器节能控制方法，其特征在于，

根据检测到的当前环境的光照度Q，确定当前环境的光照度Q所在的区间段，读取该区间段所对应的热泵压缩机的转速值；

调整热泵压缩机的转速到达所述转速值。

3.根据权利要求2所述的热水器节能控制方法，其特征在于，设定所述下限值为100Lux，

当环境的光照度Q<100Lux时，关闭热水器中的热泵系统；

当环境的光照度100Lux≤Q<500Lux时，调整热泵压缩机的转速到n1，所述n1在[热泵压缩机所允许的最小转速，3000r/min]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n1的取值越大；

当环境的光照度500Lux≤Q<1000Lux时，调整热泵压缩机的转速到n2，所述n2在[3000r/min，5500r/min]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n2的取值越大；

当环境的光照度Q≥1000Lux时，调整热泵压缩机的转速到n3，所述n3在[5500r/min，热泵压缩机所允许的最大转速]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n3的取值越大。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热水器节能控制方法，其特征在于，还包括：

检测热水器的水箱内的水温，若水温达到预设温度，则关闭热水器中的热泵系统。

5.一种节能热水器，其特征在于，包括：

水箱；

热泵系统，用于对水箱内的水进行加热，其包括热泵压缩机；

光照度传感器，检测环境的光照度Q，并生成光照度检测信号；

控制器，接收所述光照度检测信号，并在环境的光照度Q低于设定的下限值时，控制所述热泵系统关闭；在环境的光照度Q大于等于设定的下限值时，控制所述热泵系统开启，并根据光照度Q的大小以及水箱容量调整所述热泵压缩机的转速，所述转速的确定方式为：以所述下限值为起点形成多个光照度区间段；针对每一个光照度区间段设定热泵压缩机的转速值，且遵循：光照度Q越大、热泵压缩机的转速越高；并且水箱容量与热泵压缩机的转速成正相关关系的设定原则。

6.根据权利要求5所述的节能热水器，其特征在于，所述控制器根据环境的光照度Q，查找预设的光照度与压缩机转速对应关系的对照表，确定当前环境的光照度Q在所述对照表中所处的区间段，并读取该区间段所对应的热泵压缩机的转速值，进而调整所述热泵压缩机的转速到达所述的转速值。

7.根据权利要求6所述的节能热水器，其特征在于，所述下限值为100Lux，

所述控制器在环境的光照度Q<100Lux时，控制所述热泵系统关闭；

所述控制器在环境的光照度100Lux≤Q<500Lux时，调整所述热泵压缩机的转速到n1，所述n1在[热泵压缩机所允许的最小转速，3000r/min]区间内取值，且所述水箱的容量越大，n1的取值越大；

所述控制器在环境的光照度500Lux≤Q<1000Lux时，调整所述热泵压缩机的转速到n2，所述n2在[3000r/min，5500r/min]区间内取值，且所述水箱的容量越大，n2的取值越大；

所述控制器在所述光照度Q≥1000Lux时，调整所述热泵压缩机的转速到n3，所述n3在[5500r/min，热泵压缩机所允许的最大转速]区间内取值，且热水器的水箱容量越大，n3的取值越大。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的节能热水器，其特征在于，还包括：

温度传感器，检测所述水箱内的水温，并生成温度检测信号；

所述控制器接收所述温度检测信号，并在水温达到预设温度时，控制所述热泵系统关闭。

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