CN108006811A - 蓄热式电暖器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓄热式电暖器,其解决了现有蓄热式电暖器无法自动蓄热、放热以及不能实现根据不同用电工况进行工作方式切换的技术问题,其包括连接在一起的保温壳体和散热壳体,保温壳体内设有上下两层蓄热砖层,两层蓄热砖层之间连接有加热棒,上下两层蓄热砖层组成整个蓄热层;散热壳体上设有散热孔,散热壳体连接有鼓风机,蓄热式电暖器还包括控制器和蓄热层温度传感器,控制器与保温壳体连接,蓄热层温度传感器与蓄热砖层连接,蓄热层温度传感器的信号输出端与控制器连接,加热棒与控制器连接。本发明广泛用于供暖技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及供暖技术领域,具体而言,涉及一种通过利用用电低谷期的低成本电能来节约成本的蓄热式电暖器。
背景技术
蓄热式电暖器使用时,在用电低谷时间段进行储存能量,在用电高峰期的白天供暖。可以实现电网削峰填谷,同时充分利用夜间廉价谷电为用户节省采暖费用。
现有的蓄热式电暖器没有自动控制系统,需要手动蓄热、放热,或半机械式蓄热、放热,不能根据用电低谷期和用电高峰期的情况自动切换工作方式。
发明内容
本发明就是为了解决现有蓄热式电暖器无法自动蓄热、放热以及不能实现根据不同用电工况进行工作方式切换的技术问题,提供了一种可以根据设定的温度自动进行用电低谷时间段加热并自动在第二天保持设定温度的蓄热式电暖器。
本发明的技术方案是,提供一种蓄热式电暖器,包括连接在一起的保温壳体和散热壳体,保温壳体内设有上下两层蓄热砖层,两层蓄热砖层之间连接有加热棒,上下两层蓄热砖层组成整个蓄热层;散热壳体上设有散热孔,散热壳体连接有鼓风机,蓄热式电暖器还包括控制器和蓄热层温度传感器,控制器与保温壳体连接,蓄热层温度传感器与蓄热砖层连接,蓄热层温度传感器的信号输出端与控制器连接,加热棒与控制器连接。
优选地,蓄热式电暖器包括室温传感器、挡风板控制电机和挡风板,挡风板控制电机连接于散热壳体,挡风板通过转轴与散热壳体转动地连接,挡风板控制电机的输出轴与转轴连接;室温传感器的信号输出端与控制器连接。
优选地,保温壳体的底部设有通风口,通风口与散热壳体的内腔连通。
本发明还提供一种使用蓄热式电暖器的控制方法,包括以下步骤:
(1)在控制器上设定用电高峰时段的室内预设温度;
(2)由控制器计算出保证用电高峰时段的室内实际温度达到预设温度的在用电低谷时段内需要加热的阈值温度;
(3)在用电低谷时段内,控制器控制加热棒给蓄热层加热,使蓄热层的温度达到阈值温度,通过蓄热层温度传感器采集当前蓄热层的实际温度,控制器根据蓄热层温度传感器反馈的温度信号判断蓄热层的温度是否达到阈值温度;
(4)在用电高峰时段内,由控制器开启蓄热式电暖器的散热模式进行室温加热。
优选地,控制器开启蓄热式电暖器的散热模式进行室温加热的过程中,通过室温传感器反馈室内温度给控制器,由控制器来控制放热。
优选地,步骤(2)中,通过以下公式计算出阈值温度Y:
Y=100+[2.04*S1*(T1-T2-3.74)*1.04*1.29*V]/(M*C)+(V/182.52)*[0.0002*(120*(S1+6))2-0.4172*120*(S1+6)+328.9]
其中,S1表示启动蓄热式电暖器工作向室内供暖的时间,S1的单位是小时;T1表示用电高峰时段的室内预设温度,单位是℃;T2表示用电高峰时段的室外温度,单位是℃;V表示房间体积,单位是m^3;M表示蓄热层的总质量,单位为Kg;C表示蓄热层的比热容,单位为kJ/(kg·K)。
优选地,当T2=10℃,S1=10小时,T1=25℃时,通过以下公式计算出阈值温度Y:
Y=100+308.1708*V/(M*C)+1.4527*V。
本发明的有益效果是,能够自动地在用电低谷期,用电成本较低的时候进行蓄热,并精确的做到次日用电高峰期时,进行放热,为室内提供足够的热量保证要求的温度。能够降低用电成本,节约能源。
本发明进一步的特征,将在以下具体实施方式的描述中,得以清楚地记载。
附图说明
图1是蓄热式电暖器的立体图;
图2是蓄热式电暖器的主视图;
图3是蓄热式电暖器的侧视图;
图4是蓄热式电暖器的俯视图;
图5是蓄热式电暖器连接室温传感器和上位机的示意图;
图6是在散热壳体上安装挡风板的示意图;
图7是电源模块的电路原理图;
图8是主控模块的电路原理图;
图9是继电器控制模块的电路原理图;
图10是鼓风机驱动模块;
图11是L9110S驱动芯片的电路图。
图中符号说明:
1.保温壳体,101.第一蓄热砖层,102.第二蓄热砖层,103.第三蓄热砖层,104.第四蓄热砖层,105.第五蓄热砖层,106.第六蓄热砖层,2.控制器,1-1.通风口;201.继电器控制模块,3.鼓风机,4.顶部保温板,5.第一加热棒,6.第二加热棒,7.第三加热棒,8.散热壳体,8-1.散热孔,9.蓄热层温度传感器,11.上位机,12.室温传感器,13.挡风板,14.挡风板控制电机,15.金属弹性压片。
具体实施方式
以下参照附图,以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-6所示,蓄热式电暖器包括保温壳体1、控制器2、鼓风机3、顶部保温板4、第一加热棒5、第二加热棒6、第三加热棒7、散热壳体8、蓄热层温度传感器9、上位机11和室温传感器12,保温壳体1内从上到下依次连接有第一蓄热砖层101、第二蓄热砖层102、第三蓄热砖层103、第四蓄热砖层104、第五蓄热砖层105、第六蓄热砖层106,第一蓄热砖层101、第二蓄热砖层102、第三蓄热砖层103、第四蓄热砖层104、第五蓄热砖层105和第六蓄热砖层106组成整个蓄热层;第一加热棒5连接于第一蓄热砖层101和第二蓄热砖层102之间,第二加热棒6连接于第三蓄热砖层103和第四蓄热砖层104之间,第三加热棒7连接于第五蓄热砖层105和第六蓄热砖层106之间。散热壳体8与保温壳体1的底部连接,散热壳体8上设有若干个散热孔8-1。鼓风机3与散热壳体8的侧面连接,鼓风机3的输出端与散热壳体8的内腔连通。顶部保温板4与保温壳体1的顶部连接。
控制器2与保温壳体1的侧面连接,蓄热层温度传感器9安装在其中一个蓄热砖层内。蓄热层温度传感器9的信号输出端与控制器2连接。控制器2上连接有三个继电器控制模块201,第一加热棒5、第二加热棒6、第三加热棒7分别与三个继电器控制模块201连接。外部电源与控制器2的电源输入端连接,控制器2的电压输出端通过三个继电器控制模块201向第一加热棒5、第二加热棒6、第三加热棒7供电。
在保温壳体1的外部设置上位机11和室温传感器12,室温传感器12的信号输出端与控制器2连接,控制器2的信号输出端与上位机11连接。室温传感器12用于检测室内实际温度。
第一加热棒5、第二加热棒6、第三加热棒7得电对第一蓄热砖层101、第二蓄热砖层102、第三蓄热砖层103、第四蓄热砖层104、第五蓄热砖层105、第六蓄热砖层106加热,蓄热砖层储存热量。蓄热层温度传感器9能够检测蓄热砖层的温度,并将温度信号发送给控制器2。
如图6所示,挡风板控制电机14安装在散热壳体8上,挡风板13通过转轴与散热壳体8转动地连接,挡风板控制电机14的输出轴与该转轴连接。挡风板控制电机14工作时,挡风板控制电机14的输出轴带动转轴转动,转轴带动挡风板13转动,实现挡风板13从盖住散热孔8-1的状态到逐渐打开的功能,从而调输出的散热风量的大小。挡风板控制电机14正转时,挡风板13向上打开出风;挡风板控制电机14反转,挡风板13向下关闭。挡风板控制电机14由L9110S驱动芯片来控制,通过控制转动时间来控制挡风板开启角度。
保温壳体1的底部设有八个通风口1-1,通风口1-1与散热壳体8的内腔连通。八个通风口1-1契合蓄热砖层的空洞,方便鼓风机3输出的气流在蓄热砖内循环后从散热孔8-1吹出。
鼓风机3用来产生散热气流,通过散热孔8-1输出为房间加热。
对于散热壳体8上设置八个散热孔8-1的具体位置结构,可以将散热壳体8的侧板分成两个活动的隔板,在每个活动的隔板上开四个圆孔,这样就有八个用于散热的圆孔。如图6所示,每个隔板和散热壳体8底部之间连接金属弹性压片15。当鼓风机3输出的风力过大时,或者通风口1-1堵塞时,或者挡风板13未打开时,或者风机反向转动使内压过大造成散热壳体鼓涨,隔板活动并微微漏出缝隙使风漏出。保证整个结构不会受损。
控制器2上设有电源模块、主控模块、继电器控制模块、挡风板控制电机驱动模块、鼓风机驱动模块。
如图7所示,电源模块将市电220V转换为DC12V,再将DC12V转换为DC5V和DC3.3V供主控模块、继电器控制模块、挡风板控制电机及鼓风机驱动模块。
如图8所示,主控模块包括STM32F103R8T6芯片及及其外围电路。
如图9所示,继电器控制模块采用ULN2003芯片驱动,七重达林顿阵列,输出是集电极开路,输入高电平时,输出低电平,继电器导通。继电器控制模块包括继电器J2、继电器J3、继电器J4,市电与各个继电器连接,继电器J2、继电器J3、继电器J4分别通过光耦和三极管连接至STM32F103R8T6芯片的第9、10、11引脚。STM32F103R8T6芯片的第9、10、11引脚发出信号来控制继电器J2、继电器J3、继电器J4的通断,从而控制市电给第一加热棒5、第二加热棒6、第三加热棒7供电的通断。
如图10和11所示,鼓风机驱动模块通过串联电容实现,有两个档位,一个串电容档,一个不串电容档位,实现输出全速与一档风速,通过L9110S驱动芯片控制,从而使散热速度可调。
STM32F103R8T6芯片的串口连接wifi模块,温度、时间等数据通过wifi模块传送给上位机。
为了实现在用电低谷期,用电成本较低的时候进行蓄热,并精确的做到次日用电高峰期时,进行放热,为室内提供足够的热量保证要求的温度,通过以下控制方法来实现。
步骤(1),在控制器2上设定次日室内预设温度T1。
步骤(2),控制器2通过公式计算出保证次日室内实际温度达到预设温度T1的今夜间需要加热的阈值温度;
理想密封性完美的情况下,根据能量温度公式W=CM(T-T0),该公式中,C表示比热容,M表示质量,T表示末温,T0表示初温;加热棒恒定功率不变,温度变化理论上是一个一次函数,实际情况是二次函数,原因在于温度升高的同时,向外界散发热量的速度越快。测试的屋子的体积是7.8*7.8*3=182.52m^3,空气的密度是1.29kg/m^3,空气比热容为1.0*103J/(kg·K)。根据热力学第二定律,加热的过程保温性能不好,温度通过缝隙自发的向低温室内空气传递。由公式W=CM(T-T0)得,温差越大的时候,热量散发的就越快,比例系数为182.52*1.29*10^3,单位为J。
我们结合多次实验数据得到:
温度与加热时间的关系公式为:
Y=-0.0002x2+0.4679x+64.876 (1)
公式(1)中,x表示时间,Y表示温度;在体积为7.8*7.8*3=182.52m^3的测试房间内,经过反复实验从前述公式(1)进一步得到温度散发函数为:
Y=0.0002x2-0.4172x+328.9 (2)
前述公式(1)和(2)中,x的单位是30s。
同样由定理公式W=CM(T-T0)可得能量与时间函数的关系:
W=CM(Y-Y0) (3)
根据公式(3),能量W可以由蓄热层的总质量M与蓄热层的比热容C求得,C=1.07-1.21千焦/℃·Kg。
根据实验数据回归函数综合热量守恒定律得到加热阈值温度Y的计算公式为:
Y=100+[2.04*S1*(T1-T2-3.74)*1.04*1.29*V]/(M*C)+(V/182.52)*[0.0002*(120*(S1+6))2-0.4172*120*(S1+6)+328.9] (4)
其中,S1表示次日恒温时间,即启动蓄热式电暖器工作向室内供暖的时间,S1的单位是小时;T1表示次日室内预设温度,单位是℃;T2表示次日室外温度,单位是℃;V表示房间体积,单位是m^3;M表示蓄热层的总质量,单位为Kg;C表示蓄热层的比热容,单位为kJ/(kg·K)。
当次日室外温度T2=10℃,次日恒温时间S1=10小时,次日室内预设温度T1=25℃时,计算前述公式(4)进一步得出:
Y=100+308.1708*V/(M*C)+1.4527*V (5)
步骤(3),在用电低谷时间内,控制器2控制多个加热棒给整个蓄热层加热,通过控制器2控制加热时间与加热棒工作数量加热到阈值温度并保持,通过蓄热层温度传感器9采集当前蓄热层的实际温度,控制器2判断当前蓄热层的实际温度是否达到加热阈值温度Y,如果是,则停止加热,否则继续加热。
步骤(4),次日白天提前开启散热模式,控制器2控制挡风板打开,控制器2控制鼓风机3工作将整个蓄热层的热量从散热孔8-1散发出去,进行室温加热。
步骤(5),通过室温传感器12反馈室内实际温度信号给控制器2,由控制器来控制放热。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。
Claims (7)
1.一种蓄热式电暖器,包括连接在一起的保温壳体和散热壳体,保温壳体内设有上下两层蓄热砖层,两层蓄热砖层之间连接有加热棒,上下两层蓄热砖层组成整个蓄热层;散热壳体上设有散热孔,散热壳体连接有鼓风机,其特征在于,所述蓄热式电暖器还包括控制器和蓄热层温度传感器,控制器与保温壳体连接,蓄热层温度传感器与蓄热砖层连接,蓄热层温度传感器的信号输出端与控制器连接,所述加热棒与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的蓄热式电暖器,其特征在于,所述蓄热式电暖器包括室温传感器、挡风板控制电机和挡风板,所述挡风板控制电机连接于散热壳体,所述挡风板通过转轴与散热壳体转动地连接,所述挡风板控制电机的输出轴与转轴连接;室温传感器的信号输出端与控制器连接。
3.根据权利要求2所述的蓄热式电暖器,其特征在于,所述保温壳体的底部设有通风口,所述通风口与散热壳体的内腔连通。
4.一种使用如权利要求1所述的蓄热式电暖器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)在控制器上设定用电高峰时段的室内预设温度;
(2)由控制器计算出保证用电高峰时段的室内实际温度达到预设温度的在用电低谷时段内需要加热的阈值温度;
(3)在用电低谷时段内,控制器控制加热棒给蓄热层加热,使蓄热层的温度达到阈值温度,通过蓄热层温度传感器采集当前蓄热层的实际温度,控制器根据蓄热层温度传感器反馈的温度信号判断蓄热层的温度是否达到阈值温度;
(4)在用电高峰时段内,由控制器开启蓄热式电暖器的散热模式进行室温加热。
5.根据权利要求4所述的蓄热式电暖器的控制方法,其特征在于,控制器开启蓄热式电暖器的散热模式进行室温加热的过程中,通过室温传感器反馈室内温度给控制器,由控制器来控制放热。
6.根据权利要求4所述的蓄热式电暖器的控制方法,其特征在于,所述步骤(2)中,通过以下公式计算出阈值温度Y:
Y=100+[2.04*S1*(T1-T2-3.74)*1.04*1.29*V]/(M*C)+(V/182.52)*[0.0002*(120*(S1+6))2-0.4172*120*(S1+6)+328.9]
其中,S1表示启动蓄热式电暖器工作向室内供暖的时间,S1的单位是小时;T1表示用电高峰时段的室内预设温度,单位是℃;T2表示用电高峰时段的室外温度,单位是℃;V表示房间体积,单位是m^3;M表示蓄热层的总质量,单位为Kg;C表示蓄热层的比热容,单位为kJ/(kg·K)。
7.根据权利要求6所述的蓄热式电暖器的控制方法,其特征在于,当T2=10℃,S1=10小时,T1=25℃时,通过以下公式计算出阈值温度Y:
Y=100+308.1708*V/(M*C)+1.4527*V。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20191011 Termination date: 20201208 |