CN110017604B - 一种热水器工作控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热水器工作控制方法及装置，该方法包括：至少一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间；当到达最后一次确定的所述启动时间，控制所述制热机构启动。本发明保证热水器热水供应量的同时，提高了热水器的工作效率并降低了热水器的工作能耗。

Description

一种热水器工作控制方法及装置

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，特别涉及一种储水式热水器工作控制方法及装置。

背景技术

现有热泵式热水器多为储水式热水器，热泵式热水器在制取热水时，为了保证可供使用的热水量，往往采用较大的储水箱，但仍然会存在热水量供应不稳定的情况，影响用户的使用和热泵式热水器技术的推广。

若确保热水量稳定供应，现有的解决方案是频繁启动制热机构，这将导致热水器的工作能耗较大、工作效率较低。

发明内容

为在保证热水量供应的前提下提高热水器的工作效率、降低工作能耗，本发明实施例提供一种热水器工作控制方法及装置。

本发明实施例提供一种热水器工作控制方法，包括：

至少一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间；

当到达最后一次确定的启动时间，控制所述制热机构启动。

本发明实施例还提供一种热水器工作控制装置，其特征在于，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于保存所述处理器执行计算机程序时所使用的数据；

所述处理器用于执行计算机程序以实现如下过程：

至少一次根据单位时间最大制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间；

当到达最后一次确定的启动时间，控制所述制热机构启动。

热水器的工作效率和工作能耗与单位时间目标制热量和单位时间耗热量有关，其中，目标制热量的取值范围为最大制热量的n倍，n不大于1，其取值范围为[0.85，1]。因此，本发明实施例根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定制热机构的启动时间，即可在保证热水供应量的前提下，提高工作效率、降低工作能耗。

附图说明

图1为本发明的一种热水器工作控制方法流程图；

图2为本发明的一种热水器结构示意图。

附图标号说明：

热水器100；储水箱20；冷水供水管8；热水循环供水管7；热水循环回水管6；出水管9。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供的方法可以但不仅限应用于带储水箱的热泵式热水器，是一种在热水器使用过程中达到节能目的的控制模式。因此，在执行本发明之前，热水器水箱内的水温已经加热至较高温度，且通常情况下热水器水箱已储满预定水量。

如图1所示，本发明实施例提供的方法包括如下操作：

步骤101、至少一次根据单位时间目标制热量Q_max和单位时间耗热量Q_c确定热水器的制热机构的启动时间t_g。

制热量是指热水器的制热机构的制热量。在热泵式热水器中，制热机构可以但不仅限于是压缩机。优选地，目标制热量为最大制热量。当然，在实际工程应用中，目标制热量也可以小于最大制热量。目标制热量可以是最大值热量的n倍，n不大于1，其取值范围可以为[0.85，1]。

耗热量是指热水器出水所消耗的热量。

步骤102、当到达最后一次确定的上述启动时间t_g，控制上述制热机构启动。

热水器的工作效率和工作能耗与单位时间目标制热量和单位时间耗热量有关。因此，本发明实施例根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定制热机构的启动时间，即可在保证热水供应量的前提下，提高工作效率、降低工作能耗。

本发明实施例中，在制热机构启动后，一种实现方式中，制热机构持续工作，直至热水器工作结束(即停止出水)；另一种实现方式中，制热机构在预先设定的工作时长内持续工作，若在热水器该设定的工作时长内结束工作，则制热机构也停止工作；又一种实现方式中，在制热机构启动后，监测出水量和/或水箱温度等参数，并据此判断制热机构是否继续工作，若制热机构启动后的制热量满足热水供应量的需求，则控制制热机构停止工作。

本发明实施例中，根据单位时间目标制热量Q_max和单位时间耗热量Q_c确定热水器的制热机构的启动时间t_g的实现方式有多种，下面例举其中一种实现方式：比较单位时间目标制热量Q_max和单位时间耗热量Q_c，根据比较结果确定热水器的制热机构的启动时间t_g。

更具体的，若单位时间目标制热量Q_max不小于单位时间耗热量Q_c，确定热水器水箱温度T₀达到热水器出水温度T₄时为制热机构的启动时间t；若单位时间目标制热量Q_max小于单位时间耗热量Q_c，根据热水器目标工作时长t₂内的热水器水箱失热量估计值

热水器目标工作时长内的耗热量估计值

和制热时长内的目标制热量估计值

之间的如下热量平衡关系，确定制热机构的启动时间t_g；

热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值

+制热时长内的目标制热量估计值

＝所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值

其中，制热时长为启动时间t_g到目标工作时长截止时间。应当指出的是，在另外的实现方式中，制热时长也可以有其他定义，如上所述，该制热时长可以是固定时长，也可以是根据参数监测结果确定的动态值。

其中，目标工作时长可以是默认值，也可以是用户设定值。

其中，热水器出水温度可以是默认值，也可以是用户设定值，还可以是实际检测值。

其中，热水器水箱温度T₀为实时值，实际应用中，热水器水箱温度T₀与水箱初始温度、冷水温度、水箱容积、水箱水流量等参数有关，且为对时间t的函数，因此，可以但不仅限于建立热水器水箱温度T₀的函数关系式，并通过检测相关参数计算得到热水器水箱温度T₀的实时值。

本发明实施例中，若单位时间目标制热量不小于单位时间耗热量，意味着热水器水箱中的水温升高速度不小于水温降低速度。因此，只要在热水器水箱温度降低至出水温度时再启动制热机构对热水器水箱中的水进行制热，即可保证热水供应量。不需要提早启动制热机构，也就降低了工作能耗。应当指出的是，在实际工程应用中，在单位时间目标制热量不小于单位时间耗热量的情况下，还可以将启动时间设置为热水器水箱温度降低至出水温度之前，本发明实施例对此不作限定。其具体提前量可以根据实际情况(例如热水器能耗参数等)确定，本发明实施例对此不作限定，作为距离而非限定，在热水器水箱温度下降至X度时，启动制热机构。其中，X与T₄的差值范围在0～5度范围之间。

本发明实施例中，若单位时间目标制热量(特别是最大制热量)小于单位时间耗热量，意味着热水器水箱中的温度升高速度小于水温下降速度，因此需要在水箱温度下降至出水温度之前启动制热机构。在此基础上，发明人在实现本发明的过程中，考虑到

和

之间满足上述热量平衡方程，因此，基于该热量平衡方程，可以确定出最佳的启动时间，使得在满足热水供应量的同时，提高工作效率、降低工作能耗。应当指出的是，在实际工程实现方案中，这种情况下确定出的启动时间不一定为该最佳的启动时间，也可以是在该最佳的启动时间基础上提前一定时间，本发明实施例不对该时间提前量进行限定，可以根据实际情况(例如热水器的能耗参数等)确定，作为举例而非限定，该事件提前量为0～10分钟。

在上述任意方法实施例中，其控制制热机构启动的具体实现方式可以但不仅限于是：控制制热机构启动并按照目标工作频率运行，目标工作频率为最后一次确定的启动时间到达时的热水器水箱温度、环境温度条件下，目标COP(制热能效比)对应的工作频率。

优选地，目标COP为最大COP。应当指出的是，在工程应用中，目标COP也可以不是最大COP，而是m倍的COP，m不大于1，其取值范围为[0.85，1]。

其中，对于热泵式热水器，环境温度优选是指室外温度，尤其是热水器的蒸发器附近的室外温度。

在环境温度和热水器水箱温度确定时，制热机构的工作频率影响热水器的COP，本发明实施例中，制热机构工作在目标COP对应的工作频率下，则可有效提高热水器的工作效率，降低其工作能耗。

本发明实施例中，可以预先确定在不同热水水箱温度、不同环境温度、不同工作频率下的COP，从而确定在一定的热水水箱温度、环境温度条件下，目标COP对应的工作频率或工作频率范围。相应的，在到达启动时间时，获取热水水箱温度实时值及环境温度实时值，并确定该温度条件下目标COP对应的工作频率作为目标工作频率。

在上述任意方法实施例中，还可以根据环境温度实时值、热水器水箱温度实时值、对应的工作频率，确定单位时间目标制热量。其中，对应的工作频率为环境温度实时值和热水器水箱温度实时值条件下，目标COP对应的工作频率。

具体的，可以在每一次确定启动时间的过程中，获取上述温度实时值，根据获取的温度实时值确定对应的工作频率，进而确定单位时间目标制热量。

在上述任意方法实施例中，还可以根据热水器水箱温度实时值、用于补充热水器水箱内水量的冷水温度实时值、单位时间内热水器水箱的水流量，确定单位时间耗热量。

具体的，可以在每一次确定启动时间的过程中，获取上述温度实时值以及水流量，进而确定单位时间耗热量。

在上述任意方法实施例中，还可以根据热水器水箱温度初始值、热水器水箱温度实时值和热水器水箱容积，确定热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值。

其中，热水器水箱温度初始值可以但不仅限于是指热水器开始工作时的水箱温度值。本发明实施例中，热水器工作是指热水器出水。

在该实现方式中，基于热水器水箱容积确定热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值的前提是，使用过程中，热水器水箱内的水量始终保持满水量的状态，即热水器水箱的水量容积为热水器水箱的容积。应当指出的是，在实际工程应用中，热水器水箱的水量也可以不是满水量，而是指定水量，水量的容积为r倍热水器水箱的容积，r不大于1。例如，热水器可工作在满箱状态和半箱状态，若根据用户的指示工作在满箱状态下，则根据热水器水箱容积确定热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值，若根据用户的指示工作在半箱状态下，则根据热水器水箱容积的一半确定目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值。

在上述任意方法实施例中，可以在热水器开始工作时即第一次确定启动时间，也可以在热水器开始工作后一段时间内第一次确定启动时间。这一段时间可以是固定值，具体根据需要或通过仿真等方式确定。这一段时间也可以是动态值，即在首次检测到环境温度、用于补充所述热水器水箱内水量的冷水温度、和/或单位时间内所述热水器水箱的流量有变化时，第一次确定启动时间。相应的，在第一次根据单位时间最大制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间后，监测环境温度、用于补充所述热水器水箱内水量的冷水温度、和/或单位时间内所述热水器水箱的流量；若所述环境温度、所述冷水温度、和/或单位时间内所述热水器水箱的流量有变化，再次根据单位时间最大制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间。

和

均与热水器水箱温度有关，因此，在环境温度、冷水温度、单位时间内热水器水箱流量等参数不变的前提下，一旦确定了启动时间，不会发生变化，不需要频繁确定启动时间。若环境温度、冷水温度、单位时间内热水器水箱流量中有一个参数发生变化，则根据上述热量平衡方程确定的启动时间就会发生改变，因此，为达到良好的控制效果，需要重新确定启动时间。

下面以图2所示的热水器为例，说明本发明实施例提供的方法在具体应用场景中的实现方式。

图2所示的热水器100包括储水箱20，冷水供水管8，热水供水管7，热水回水管6，和出水管9；所述冷水供水管8的进水口与冷水水源(例如自来水)连接，冷水供水管8的一个出水口与出水管9连接，另一个出水口与储水箱20连接；热水供水管7的进水口与储水箱20连接，热水供水管7的出水口与出水管9连接；热水回水管6的出水口与储水箱20连接，进水口与出水管9连接。

应当指出的是，在图1所示的结构中，出水管与冷水供水管、热水供水管、热水回水管通过四通接头连接，因此，热水回水管的进水口与热水供水管的出水口连接，即与出水管连接。

该热水器100还包括图中未示出的结构，例如设置于室外的蒸发器、储水箱的冷凝器、制热用压缩机、控制面板、处理器、存储器等。

用户可以通过控制面板设置目标工作时长、出水温度等参数，热水器的处理器将用户设置的参数保存到存储器中。

预先通过拟合或其他方法确定制热量函数，其中，制热量Q＝f(环境温度，热水器水箱温度，m)，m为给定变频压缩机工作频率下单位时间给定制冷剂质量流量m，制热量为热泵热水器对热水器水箱的补热量。

通过预先分析压缩机在不同室外温度和储水箱水温的情况下，变频压缩机在不同工作频率下整机的COP，得到在不同室外温度(蒸发器侧环境温度)和储水箱水温(冷凝器侧环境温度)条件下，COP最大时变频压缩机的工作频率或者工作频率范围。

热水器开始工作，即通过出水管9出水，此时热水器水箱内的水温即为初始水温T₁，处理器获取该初始温度，保存在存储器中，并开始计时。另外，存储器中还保存有热水器水箱的容积V。

在该实施例中，热水器开始工作后，进行第一次启动时间的确定。具体的：

获取热水器水箱温度实时值T₀，环境温度实时值T₃，冷水管8处的冷水水温T₂，通过传感器检测到的单位时间水流量变化率实时值q’。

根据q’确定单位时间内热水器水箱的实时水流量q₁＝a+q’t，其中a为水流基准流量，该公式中的t为单位时间，保存在存储器中。

根据存储器中保存的水密度ρ，q₁，T₀和T₂，确定单位时间耗热量Q_c。

根据T₃、T₀确定当前COP最大时的压缩机工作频率，并查找该工作频率下的流量质量m_best。

根据T₃、T₀和m_best确定单位时间目标制热量Q_max＝f(T₃，T₀，m_best)。

比较Q_max与Q_c：

①当Q_max等于Q_c时：

当水箱内水温降到出水温度时，为开启压缩机给储水箱补热的最佳时间点；

②当Q_max大于Q_c时：

当水箱内水温降到出水温度时，为开启压缩机给储水箱补热的最佳时间点；

③当Q_max小于Q_c时：

需要提前开启室外压缩机进行补热，具体的：

计算

和

其中：

其中T₀是对时间t的函数。

具体的，可以根据水箱中冷热水混合后的热量平衡建立混水后温度T₀与时间t的方程：

流入水箱的冷水得热Q_m冷＝原水箱热水失热Q_m热，即：

C_m冷ΔT＝C_m热ΔT

C_m冷ΔT3∫ρq1(T0-T2)dt

C_m热ΔT＝∫ρ(V+q1)(T1-T0)dt

即∫ρq1(T0-T2)dt＝∫ρ(V+q1)(T1-T0)dt

进而建立水箱温度对时间的函数T₀＝f(T₂,T₁，t，V，q₁)。T₂,T₁,V为已知值或者检测值,q₁为时间t的函数。

根据如下热量平衡方程确定启动时间t_g。

在完成上述启动时间的确定后，继续检测室外温度、冷水温度以及单位时间热水器水箱流量，若其中至少一个参数有变化，则按照上述处理过程再次确定启动时间。

当到达最后一次确定的启动时间，确定此时最大COP对应的工作频率，触发压缩机按照该工作频率进行工作。

基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供一种热水器工作控制装置，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于保存所述处理器执行计算机程序时所使用的数据；

所述处理器用于执行计算机程序以实现如下过程：

至少一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间；

当到达最后一次确定的启动时间，控制所述制热机构启动。

可选的，所述根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间，包括：

比较所述单位时间目标制热量和单位时间耗热量；

若所述单位时间目标制热量不小于所述单位时间耗热量，确定所述热水器水箱温度达到所述热水器出水温度时为所述制热机构的启动时间；

若所述单位时间目标制热量小于所述单位时间耗热量，根据所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值、所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值、和制热时长内的制热量估计值的如下热量平衡关系，确定所述制热机构的启动时间；

所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值+制热时长内的目标制热量估计值＝所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值

所述制热时长为所述启动时间到所述目标工作时长截止时间。

可选的，所述控制所述制热机构启动，包括：

控制所述制热机构启动并按照目标工作频率运行，所述目标工作频率为所述最后一次确定的启动时间时的热水器水箱温度、环境温度下，目标COP对应的工作频率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特性进行等同替换；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范围。

Claims (8)

1.一种热水器工作控制方法，其特征在于，包括：

至少一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间；

当到达最后一次确定的所述启动时间，控制所述制热机构启动；

所述根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间，包括：

比较所述单位时间目标制热量和单位时间耗热量；

若所述单位时间目标制热量不小于所述单位时间耗热量，确定所述热水器水箱温度达到所述热水器出水温度时为所述制热机构的启动时间；

若所述单位时间目标制热量小于所述单位时间耗热量，根据所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值、所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值、和制热时长内的目标制热量估计值的如下热量平衡关系，确定所述制热机构的启动时间；

所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值+制热时长内的目标制热量估计值＝所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值；

所述制热时长为所述启动时间到所述目标工作时长截止时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述制热机构启动，包括：

控制所述制热机构启动并按照目标工作频率运行，所述目标工作频率为所述最后一次确定的启动时间时的热水器水箱温度、环境温度下，目标COP对应的工作频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据环境温度实时值、所述热水器水箱温度实时值、对应的工作频率，确定所述单位时间目标制热量，所述对应的工作频率为所述环境温度实时值和所述热水器水箱温度实时值条件下，目标COP对应的工作频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述热水器水箱温度实时值、用于补充所述热水器水箱内水量的冷水温度实时值、单位时间内所述热水器水箱的水流量，确定所述单位时间耗热量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述热水器水箱温度初始值、所述热水器水箱温度实时值和所述热水器水箱容积，确定所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间，包括：

在第一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间后，监测环境温度、用于补充所述热水器水箱内水量的冷水温度、和/或单位时间内所述热水器水箱的流量；

若所述环境温度、所述冷水温度、和/或单位时间内所述热水器水箱的流量有变化，再次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间。

7.一种热水器工作控制装置，其特征在于，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于保存所述处理器执行计算机程序时所使用的数据；

所述处理器用于执行计算机程序以实现如下过程：

至少一次根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间；

当到达最后一次确定的启动时间，控制所述制热机构启动；

所述根据单位时间目标制热量和单位时间耗热量确定所述热水器的制热机构的启动时间，包括：

比较所述单位时间目标制热量和单位时间耗热量；

若所述单位时间目标制热量不小于所述单位时间耗热量，确定所述热水器水箱温度达到所述热水器出水温度时为所述制热机构的启动时间；

若所述单位时间目标制热量小于所述单位时间耗热量，根据所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值、所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值、和制热时长内的制热量估计值的如下热量平衡关系，确定所述制热机构的启动时间；

所述热水器目标工作时长内的热水器水箱失热量估计值+制热时长内的目标制热量估计值＝所述热水器目标工作时长内的耗热量估计值；

所述制热时长为所述启动时间到所述目标工作时长截止时间。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制所述制热机构启动，包括：

控制所述制热机构启动并按照目标工作频率运行，所述目标工作频率为所述最后一次确定的启动时间时的热水器水箱温度、环境温度下，目标COP对应的工作频率。

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