CN110892208A - 利用能量计和可附接传感器的热水器使用配置 - Google Patents

利用能量计和可附接传感器的热水器使用配置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种用于在存储类型的水加热系统中使用的控制器系统和方法，其提供了显著的节能机会。控制器系统可以响应于用户设备的能量需求模式来调节水加热系统。该控制器系统可以检测热水使用的量并产生热水使用配置文件。该控制器系统可以在没有机械式流量计的情况下确定使用的热水的量或体积。该控制器系统可以包括具有成本效益的、精确的且易于安装的水温传感器，其在没有直接与水接触的情况下提供水温之间的差值的测量结果。水温传感器可以是通过捆绑或其他附接方法附接至水管的具有成本效益的且易于安装的传感器。

Description

利用能量计和可附接传感器的热水器使用配置
背景技术
水加热系统通常被用于住宅和商业建筑中以供应热水。水加热系统从建筑物的水源抽取冷水并将这水存储在贮水器中。加热元件(诸如贮水器内的浸入式电阻元件)通过将电能转换成热能来将被存储的水加热到期望的温度。存储在贮水器中的热水通过加热元件被保持在期望的温度。水加热系统被连接到建筑物的水分配系统并通过水出口将热水提供到建筑固定装置，诸如水龙头、淋浴设备、和洗碗机等。期望的温度一般为消费者选择的温度，其允许消费者在水出口接收一定温度的热水。当热水从贮水器中流出时，水加热系统将冷水抽取到贮水器的底部中并将冷水再加热到期望的温度。
水加热系统消耗电能或燃烧燃气来产生热水，并且许多节能措施通常被实施以减少水加热系统的能耗。例如，隔热材料可以被放置在贮水器与周围环境之间以减少热损失。用户还可以通过调节安装在水加热系统的外壳上的恒温器的设置来降低热水的期望温度从而减少能源使用。可替选地，长时间不需要热水期间用户可以关闭水加热系统以减少能源使用。然而，这种方法需要频繁的用户干预并且不便于实施。
为了方便，存储在水加热系统中的热水通常一直被维持在期望的温度。虽然隔热材料可以减少向周围环境散热，但是存储在贮水器中的热水以取决于以下多个因素的能量损失率损失热量：(i)热水温度；(ii)环境温度；(iii)隔热材料对传导热流的阻力。散热引起的能量损失通常被视为备用损失。即使没有有效使用热水，水加热系统也会损失能量，并定期地需要能量对水进行加热并将热水维持在期望的温度。能量损失率随着两个温度之差的减小而减小，而具有高热阻的隔热材料能带来低能量损失率。
由于水加热系统通常是住宅中的第二大能量负荷，所以存在减少水加热系统的能耗的需求。用户通常通过监测被连接到水加热系统电源的能量计来测量水加热系统的总能耗。水加热系统的热能输出也是关键信息，这是因为其指示了用户实际使用的热水总量。然而，监测水加热系统的热水使用和热能输出可能是具有挑战性的。常规水加热系统通常试图通过依赖于直接测量水入口和水出口温度的流量计、校正过的计算器和温度传感器来监测热水使用和推导热能输出。这些系统使用水流量和直接水温测量结果来推导热能输出的测量结果。然而，这些系统是昂贵的、不精确的、难以安装和维护的。例如，流量的直接测量需要机械式流量计，机械式流量计必须根据现有水管设施安装，现有水管设施通常难以安装并且容易发生故障且需要维护。
因此，存在提供用于减少水加热系统中的能耗的具有成本效益的、精确的且易于安装的热能输出计量的需求。
发明内容
本发明的实施例涉及用于在水加热系统中使用的控制器系统和方法，其提供了节能以及在各种公用电网集成使用案例中的应用的重要机会。控制器系统和方法允许控制水加热系统提供对公用电网集成应用的更有效的优化。控制器系统可以响应于用户设备的能量需求模式来调节水加热系统，并且至少通过最小化将热水维持在升高的温度下的时间来减少备用损失。控制器系统可以检测热水使用模式并产生热水使用配置文件(profile)。该热水使用配置文件包括与通常使用热水的时间以及所使用的量有关的能量含量(energycontent)信息。例如，控制器系统可以监测工作日与周末、一天中的不同时间、和/或不同季节之间的热水使用的差异。该控制器系统控制水加热系统基于能量需求曲线操作并随着需求变动来调节热能输出以减少备用损失。这允许用户监测它们的能量需求曲线并减少水加热系统的能耗。
在一些实施例中，控制系统可以在有效使用热水之后通过从水加热系统消耗的总能量中减去备用损失来测量热能输出。控制器系统可以使用在没有热水从水加热系统流出时的电能消耗来直接测量备用损失。对于燃气热水器，所消耗的热能和备用损失可以使用在本公开中所描述的方法来确定。例如，热水器控制器可以使用实时监测的热水温度传感器和冷水温度传感器以及燃气热水器的能耗等级和能量效率来确定所消耗的热能和备用损失。
在一些实施例中，控制器系统可以在没有机械式流量计的情况下确定使用的热水的量或体积。使用水加热系统的热能输出，控制器系统可以检测每个热水抽取事件的定时并通过使用诸如热水和冷水之间的温度差的信息来测量所使用的水的体积。实际上，所推导的计量方法允许在不依赖管路接入式(plumbed-in)传感器技术的情况下详细了解任意给定时间处的系统状态和使用。
在一些实施例中，控制器系统可以通过测量冷水入口管和热水出口管的外部温度来推导水加热系统的冷水和热水之间的温度差。控制器系统可以包括具有成本效益的、精确的且易于安装的温度传感器，并且在没有直接与水体接触的情况下提供冷水和热水之间的温度差。例如，可附接的传感器(诸如可附接的冷温度传感器)可以在贴近贮水器的位置处被附接至冷水入口管的外部。在一些实施例中，可附接的传感器(诸如负温度系数(NTC)温度传感器)可以被附接至水箱的加热外部，例如，水加热系统的温度和压力(T&P)端口/阀。水管温度传感器可以是通过捆绑或其他附接方法被附接至水管的具有成本效益且易于安装的传感器。另外，温度补偿过程可以被应用以获得对热水管和冷水管内的水温的精确且实时的测量。温度补偿过程可以包括温度补偿算法，其基于各种因素(诸如例如温度传感器的位置、暴露于周围环境的传感器表面和任何其他合适的因素)调整从温度传感器获得的数据。温度补偿过程还允许最小隔热或无隔热以进一步降低成本并易于改造到现有热水器中。因此，温度补偿过程允许在电热水器或燃气热水器进行简单且低成本的温度测量。
直接测量热能输出通常需要流量计、管路接入式温度传感器和校正过的计算器。使用线平均和箱内传感器的精确的计量方法可以计量在存储类型的热水器中的能量输入、输出和损失。题为“Thermal Energy Metering Using an Enthalpy Sensor”并且在2014年4月8日提交的美国专利申请号US 2015/0285690A1中描述了一种更简单的、线平均的、箱内传感器示例，并且通过引用将其整体并入本文。
然而，箱内传感器方法可能要求将传感器改造到现有水箱中使得该传感器在物理上处于被测量的热水中。在本申请中描述的装置和方法不仅与精确的计量方法兼容，而且还提供了绕过对箱内传感器的需求的好处。仅需要在外部附接的温度传感器和电功率计量来提供存储类型的水加热系统的使用配置文件和能量含量信息。这样的装置和方法可以在改造背景下体现或者体现为新的水加热系统内的组件。
以下参考附图详细描述了本发明的更多特征和优点、以及其各实施例的结构和操作。应指出的是，本发明不被限制于本文所描述的特定实施例。这样的实施例仅出于说明性目的在本文中提出。基于本文所包含的教导，另外的实施例将对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。
附图说明
将参考本发明的实施例，其示例可以在附图中示出。这些图旨在是说明性的而非限制性的。尽管本发明一般在这些实施例的上下文中描述，但是其应该被理解的是，其不旨在将本发明的范围限制于这些特定实施例。
图1是根据一些实施例的具有控制器系统的水加热系统的示意性表示。
图2是根据一些实施例的控制器系统的示意性表示。
图3A和图3B是根据一些实施例的水加热系统的部分的示意性表示。
图4是根据一些实施例的时间与冷水入口处的冷水温度的图。
图5是根据一些实施例的热水出口传感器和冷水入口管传感器获得的温度测量结果的示意性表示。
图6是根据一些实施例的在水加热系统的热循环和再加热循环期间热水传感器测量结果和冷水入口管温度测量结果的示意性表示。
图7是根据一些实施例的检测并测量热水温度传感器和冷水管温度传感器再加热事件的示意性表示。
图8是根据一些实施例的与基于温度传感器数据触发状态的改变而识别水箱再加热状态有关的有限状态图。
图9是根据一些实施例的推导热水使用的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本公开是参考针对特定应用的说明性实施例做出的，但是应当理解的是本公开并不限于此。获取本文教导的本领域技术人员将认识到在其范围内的其他修改、应用和实施例以及本公开将应用到其中的其他领域。
图1是水加热系统100的示意性表示。水加热系统100可以包括热水器水箱102、冷水入口103、冷温度传感器104、热水出口105、热温度传感器106、T&P阀107和热水器控制器108。使用电、气、油或者其他能源的加热元件可以被浸入水加热系统100，并且为了简单起见在图1中未示出。热水器控制器108可以包括互联网110、能量计112、继电器开关114和微控制器116。在一些实施例中，对应的冷温度传感器104和热温度传感器106是热水器控制器108的集成部分。
水加热系统100利用外部能源来提升在其热水器水箱102中存储的水的温度。当能量输入Qin被传递到热水器水箱102中的水时，水箱中水的平均温度将升高。例如，能量输入Qin可以是被供应到水加热系统100的电能，并且电能可以以接近100％的效率经由浸入式加热元件转换成水的热能。Qin可以使用电源的供应电压和供应电流、以及所供应的功率的时间段来确定。对于燃气热水器，Qin可以使用特定热水器的BTU等级和热水器效率、以及激活燃气燃烧器的时间段来确定。
能量计112可以使用低成本电子器件和软件调节过的校准来提供外部电源的供应电压和供应电流的精确测量结果。外部电源将电压和电流提供到浸入式加热元件，并且电能可以被转换为用于提升热水器水箱102中的水的温度的热能。
燃气热水器使用气量计来测量用于加热所存储的水而消耗的燃气的量。然而，相比于从电能表获得信息，直接从气量计获得使用信息可能是具有挑战性的。本公开提出了用于通过使用热温度传感器和冷温度传感器以及容易得到的燃气热水器信息来确定燃气热水器所消耗的热能及其备用损失的替代方案。例如，热水器品牌和型号提供了关于燃气加热器的燃气燃烧器的“BTU等级”的输入，并且还提供了特定品牌和/或型号的燃气热水器的效率。BTU(英热单位)等级是水加热系统的加热能力的表示。如果燃气热水器的品牌和/或型号信息不是容易得到的，则水箱容积信息可以被用作替代方案，这是因为燃气热水器的水箱容积和BTU等级是强相关的。例如，普通的家用40加仑的燃气热水器具有约为35000的BTU等级，而75加仑的燃气热水器能够具有约为75000的BTU等级。如下面将更详细描述的，热温度传感器数据和冷温度传感器数据的实时监测允许确定燃气加热事件的开始和停止以及其持续时间。
图1还示出了从能量输入Qin开始的水加热系统100的能量流。热能平衡可适用于水加热系统100，热能平衡表示Qin＝Quse+Qloss，其中Quse是热能输出，而Qloss是备用能量损失。
水的平均温度的增加直接正比于被传递到热水器水箱102的能量输入Qin的量。能量输入Qin可以将热水器水箱102中的水温增加根据以下等式的温度差ΔT：Qin＝m*Cp*ΔT。Qin是以例如焦耳为单位所测量的输入能量的量；m是热水器水箱102中的水的质量；Cp是水的热容(例如，对于在典型的操作温度和压力下的液态水约为4.183J/g.K，并随系统温度的变化而变化)；并且ΔT是以例如开氏温度为单位测量的测量期间的温度(例如，平均的水箱温度)变化。
如上所述，存储在贮水器中的热水以能量损失率损失热量，能量损失率取决于环境和水的温度，以及隔热材料对传导热流的阻抗。备用损失甚至在未有效使用能量的情况下发生，并且需要水加热系统100的再加热循环以便维持热水器水箱102中的期望的水温。通常，能量损失率R对于给定的水加热系统是相对恒定的，并且存储在热水器水箱102中的水被再加热到相同的温度水平。另外，使用热水器控制器108的电子恒温控制系统可以提供到原始温度水平的水的精确的再加热。在没有有效使用能量的再加热事件期间，Quse＝0从而Qin＝Qloss。因此，能量损失率R可以使用在各个再加热循环中消耗的输入能量Qin和在各个再加热循环之间经过的时间来计算。在一些实施例中，能量损失率R可以随着时间不断调整以确保最大精度。根据已确定的能量损失率R，任何特定时间段的备用能量损失Qloss可以通过将该时间段与能量损失率R相乘来推导。
热能输出Quse是被有效使用的水加热系统100的能量并且是关键信息，这因为其指示了用户实际使用的热水的体积。热能输出Quse可以使用能量输入Qin减去能量损失Qloss来推导，如以下等式所示：Quse＝Qin–Qloss。对于给定时间t’，热能输出Quse可以被推导为Quse＝Qin-R*t’。
一旦确定特定的能量输出Quse，则所用热水的体积V可以使用V＝Quse/(ρ*Cp*ΔT)来推导，其中ρ是液态水的密度(例如，在典型的操作温度和压力下约为1g/cm3，并且随系统温度的变化而变化)，并且ΔT为冷水和热水之间的温度差。如通过以上等式所示出的，为了推导所用热水的体积V，需要温度差ΔT。另外，还需要知道在再加热之前是否发生过热水的有效使用。然而，使用流量计和管路接入式传感器推导所用热水的体积的传统的系统和方法可能是昂贵的、不可靠的和难以维持的。
本公开的各实施例提供了一种检测热水使用和推导所使用的热水的体积的易于安装的、低成本的和可靠的装置。可附接的温度传感器可以被用于测量冷水管和热水管的外部温度，并且水加热系统可以使用所测量的温度来推导冷水和热水之间的温度差。从冷温度传感器和热温度传感器获得的时序数据的算法分析提供了一种用于监测是否发生与何时发生热水使用的可行且可靠的方法。另外，对冷温度传感器和热温度传感器的算法分析可以推导每个单独的热水使用事件的持续时间，其进而可以被用于通过使用所推导的温度差来确定所用热水的体积。热水使用数据为创建热水使用配置文件提供了有价值的信息并且能够提高能量效率并且实现需求响应应用。因此，所推导的计量方法提供了在不需要管路接入式传感器技术的情况下对任意给定时间下的水加热系统的能量状态和使用模式的详细了解。
热水与冷水之间的温度差ΔT可以通过使用相应热水管和冷水管的外部的温度测量结果来推导。在一些实施例中，管材料具有对传导热流的低阻抗，并且管的外部的温度可以与达到热平衡之后的管内的水温相等。在一些实施例中，即使管的外部的温度与管内的水温不同，所测量的冷水管与热水管的外部温度之间的温度差也仍然是在相应管内流动的冷水和热水的温度差的精确指示。
可附接的温度传感器可以被安装在冷水管上测量冷水温度，以及安装在热水管上测量热水温度。可附接的温度传感器可以是例如能被容易地附接到水管上或从水管上移除的捆绑式传感器。
在一些实施例中，冷温度传感器104被安装冷水管上且接近热水器水箱102的顶部。在一些实施例中，冷水入口位于热水器水箱102的底部附近，并且冷温度传感器104可以被安装在冷水入口103上。在未发生有效使用热水的时间段内，由于热水可以经由热传导和经由热水的热膨胀延伸到冷水入口端口，因此冷温度传感器可以加温。冷温度传感器可以被捆绑在接近热水器水箱102的任何冷水入口管，例如，捆绑在顶部具有冷水入口的热水器水箱上以在不抽取热水的期间实现冷水温度传感器的水箱再加热。在一些实施例中，冷温度传感器104被定位在冷水入口103上并尽可能地靠近热水器水箱102。绝对的温度读数对于精确检测热水抽取事件的开始和持续时间不是必须的，但是其对检测和确定温度变化和/或波动是有用的。
在一些实施例中，热温度传感器106可以被安装在热水管上，诸如例如被捆绑到水加热系统100的T&P阀107上。该配置可以允许稳定的顶部水箱温度读数，其可以被用于热水器水箱102的恒温温度控制。T&P阀通常位于或接近加热器水箱102的顶部，并且相比于热水出口105(尤其是在热水的抽取期间)，T&P阀的外部温度通常波动较小。因此，根据一些实施例，被附接到T&P阀107的热温度传感器106可以产生更精确且稳定的温度读数。根据一些实施例，虽然被附接到T&P阀107的温度传感器可以提供更稳定和/或可靠的温度测量结果，但是由于热水器配置或空间限制，热温度传感器106还可以被附接到热水出口105。可附接的温度传感器被配置为测量管外部的温度并能够使用任何合适的设备或连接件(诸如例如电缆、无线传输、其他合适的连接和/或其组合)将温度测量结果发送到热水器控制器108。
T&P阀可以由黄铜材料制成并且通常被放置在环境温度环境中。例如，T&P阀107可以被放置在热水器水箱102的外面并且包括颈部，该颈部延伸穿过隔热材料层并插入热水器水箱102的钢制水箱壁中的端口内。铜管通常被附接到T&P阀107，从T&P阀排出大量的热量。因此，该构造形成了显著的温度梯度，导致相比于存储在热水器箱102的上部的热水的水温，T&P阀107的外表面处的温度更低。类似地，温度梯度也存在于冷水入口103和热水出口105中，这是因为这两个管从热水水箱102中穿过隔热材料层伸出。由于可附接的温度传感器被附接(例如，被捆绑在)至T&P阀、热水或冷水管上，因此它们实际上直接测量阀或水管的外表面的温度，而不是在其中流动的水的温度。然而，通过在阀或水管外部之上计量的对热水或冷水的精确测量可以通过应用温度补偿过程来获得，热水器控制器108或者其他合适的处理器可以从冷温度传感器104和热温度传感器106接收温度测量并确定实际水温。例如，在热水器水箱102的上部的热水的温度可以从由被附接在T&P阀107上且紧邻热水器水箱102的热温度传感器106获得的测量结果中推导出。热水的温度可以使用以下等式了来推导：Ttop_actual＝Ttop_measured+(Ttop_measured-T_ambient)/k,其中Ttop_actual指的是所推导的在热水器水箱102的上部处的水温；Ttop_measured指的是从热温度传感器106获得的温度测量结果；T_ambient指的是环境温度(例如，20℃)；并且k指针对特定热水器水箱配置根据经验确立的补偿因子。补偿因子k可以通过诸如例如以下的各种因素来确定：管材料、T&P阀的配置、热水器水箱的品牌和型号隔热、暴露于环境温度下的温度传感器表面的量、其他适当的因素和/或其组合。例如，可以针对具有不同长度的T&P阀提供不同的补偿因子。在一些实施例中，补偿因子可基于是否附接了排水管和/或基于排水管材料(例如，铜、PVC、CPVC或任何适合的管材料)而不同。另外，环境温度传感器可以被放置在周围环境中精确测量环境温度。直接测量环境温度可以允许在热水器水箱未处于受制约的环境中时进行温度补偿。例如，热水器水箱可以位于环境温度不同于普通住宅室内温度的多功能用房中。在一些实施例中，可以获得温度测量并通过电信信道或互联网连接将其递送到服务器。服务器可以自动确定温度测量是否异常(例如，比预设的温度阈值更高或者更低)，并且如果是这样，则应用自定义的补偿因子来获得实际的水温。在一些实施例中，热水器控制器108可以应用自定义的补偿和/或通知用户异常温度测量结果。因此，温度补偿过程允许在使用捆绑式温度传感器时精确的顶部水箱温度读数并且进而减少或消除对传感器进行隔热的需求。
图2是热水器控制器108的示意性表示。热水器控制器108可以包括互联网110、继电器114、微控制器116、AC/DC转换器202、AC电压传感器204、无线电206和AC电流传感器208。热水器控制器108还可以包括模数转换器(ADC)。在一些实施例中，可以使用高分辨率(例如，24位)ADC。在一些实施例中，可以使用较低分辨率(例如，10位或12位)ADC。ADC将从温度传感器接收到的模拟信号转换成数字信号用于进一步的数字信号处理。该信号可以被用于确定温度差和/或有效热水使用的开始和结束时间。在一些实施例中，热水器控制器108还可以包括振荡器或时钟，诸如用于生成时钟信号、测量时间间隔或测量当前本地时间(可能经由互联网被同步到时间服务器)的时钟。例如，热水器控制器108可以处理以周期性的间隔从温度传感器接收到的测量结果。该间隔可以是固定周期，诸如每秒、每两秒、每五秒、每十秒等一个测量结果，如所期望的。
互联网110可以经由任何类型的互联网连接(诸如有线连接或无线连接)来提供。在一些实施例中，互联网110可以是局域网络(LAN)、专用网络、蜂窝网络(例如，4G或LTE网络)、云服务或任何其他类型的网络。联网设备，诸如网络服务器、个人计算机或诸如智能电话或平板电脑的其他设备可以经由诸如互联网110的网络从传感器控制器存取信息。在一些实施例中，诸如个人计算机的设备可以(经由有线或无线连接)被直接连接到热水器控制器的接口或路由器的接口。
热水器控制器108可以包括一个或多个诸如微控制器116的处理器，其可以被配置为根据来自一个或多个非暂时性处理器可读存储介质(诸如存储单元)的指令来操作。热水器控制器108可以被配置为接收对存储单元中存储的固件指令的固件更新。热水器控制器108可以接收各种各样的技术中的固件更新。例如，可以使用有形介质通过有线接口手动应用固件更新，或者经由路由器通过网络自动接收无线固件更新。在一些实施例中，可以配置存储单元以用于存储测量结果或计算结果。在一些实施例中，可以提供不同的存储单元以用于存储测量结果或计算结果。微控制器108还可以包括任何合适的连接端口，其提供到水加热系统100的其他组件(诸如例如RGB LED、顶部温度传感器、可选的焓传感器、冷管传感器、泄露检测传感器、关闭阀控制、燃气箱控制接口、蜂鸣器和/或其他合适的组件)的连接。虽然此处使用术语“微控制器”，但是用于传感器控制器的处理单元可以包括能够实施所识别功能类型的任何形式的通用或者专用处理电路，包括专用集成电路。
图3A和图3B分别是根据一些实施例的水加热系统300A和300B的部分的示意性表示。图3A和图3B包括热水器水箱302、冷水入口303、冷温度传感器304、热水出口305和热温度传感器306。其他结构可以包括在内并且为了简单起见将其省略。在水加热系统300A和300B两者中，冷水入口303在水箱的顶部表面处被连接到热水器水箱102。在一些实施例中，冷水入口303可以被附接到热水器水箱102的下部。如图3A和图3B中所示，冷温度传感器304被安装在冷水入口303处，并且紧邻热水器水箱302，使得在热水抽取事件发生后，冷温度传感器303可以检测并测量由于热量从存储在热水器水箱302中的热水传导到冷水入口303而引起的感测温度的上升。如果冷温度传感器304被进一步远离热水器水箱302安装，则温度梯度可能导致温度上升太小而冷温度传感器304无法检测到，或者导致信噪比降至冷温度传感器304的灵敏度阈值以下并因此无法检测到。冷温度传感器304的标称位置可以取决于各种因素，诸如例如冷水入口管配置、管材质、周围温度、任何其他适当的因素和/或其组合。水加热系统300A还包括被安装在热水器水箱302的上部的侧壁上的T&P阀307A，而水加热系统300B包括被安装在热水器水箱302的上表面上的T&P阀307B。根据一些实施例，在水加热系统300A和300B中，热温度传感器306被安装在T&P阀307A和307B上。在一些实施例中，热温度传感器306还可以被安装在热水出口305上。图3A和图3B中示出的各元件可以与图1中所描述的相应元件类似，并且为了简单起见这里不再详细描述。
通过对在冷水入口管处的冷水温度的精确测量获得的关键信息可以被用于温度变化的动态分析。例如，冷水温度测量结果可以被用于精确检测热水抽取及其持续时间，以及热水器水箱再加热过程及其持续时间。与在热水出口或T&P阀处感测到的温度相比，冷水温度测量结果可以提供更多的好处。例如，热水抽取事件将即刻触发冷水入口303处的冷水温度测量结果的急剧下降，从而提供快速响应时间和实时监测的好处。此外，相比于在热水出口305或T&P阀307处获得的温度测量结果，在冷水入口303处获得的温度测量结果包含更少的信号噪声和波动，其进而提供了提高可靠性的好处。在一些实施例中，可以通过在长时间的热水抽取期间内监测在冷温度传感器304处获得的最低温度测量结果来确定冷水温度。在长时间的热水抽取期间，冷水被持续地供应给热水器水箱302并且由于热平衡而引起冷水和冷水入口303外部的温度相等。最低冷温度全年可能会发生变化，并且在不同地理位置会发生很大变化。冷水入口温度对于正确确定热水器水箱中的能量增益和损失来说是至关重要的，因为这推导了确定能量输入Qin的方程中的温度差分量。热水抽取及其持续时间的检测基于对冷水温度传感器数据的实时分析，并且主要由可以指示热水抽取事件的开始的温度测量结果的急剧下降来触发。冷水温度传感器数据还可以被用于确定可以指示热水抽取事件的结束的再加热过程的开始。检测通过监测和分析冷温度传感器103的测量结果来执行的热水器再加热的开始和持续时间可以提供快速响应速度和高可靠性的好处。
图4是在水加热系统100的再加热循环期间的冷水入口管的外部的温度测量结果的示意性表示。在没有有效使用热水的时间段中，由于热水因被加热的水的热传导和热膨胀而可能延伸进入冷水入口端口，因此冷水入口管的外部的温度会升高。至少为此原因，优选的是：冷温度传感器104位于紧邻热水器水箱102处。一旦有效使用热水，例如，当热水抽取事件开始时，通过冷水入口管将冷水持续馈送到热水器水箱102并导致冷温度传感器温度读数立即且快速地下降。热水器控制器可以使用算法来保持对该传感器的缓慢改变的长期平均温度的跟踪，并且一旦该温度读数急剧下降并低于冷温度传感器测量结果的长期平均值，就可以解释为热水抽取事件的开始。水控制器可以精确地检测热水抽取事件的开始及其持续时间。例如，水控制器可以监测温度随时间的斜率，并且如果该斜率足够陡峭(例如，大于阈值)，则检测加热器水抽取。一旦热水抽取结束，在由系统的热质量而引起的热惯性的时间段之后，冷水进水管的外部将开始再加热。该事件的总持续时间在图3中被示为t1。应指出的是，图3中的示意性表示是作为示例提供的，而不应该是限制的。热水器控制器遵循该算法并监测随时间的尽可能短的抽取时间t1，从而推导出被示为t2的系统的最短热响应时间。这允许推导热水使用事件t3的实际持续时间，其为t3＝t1-t2。热水使用的实际持续时间可以被精确测量并且其持续时间可以是任何适当的时间量。例如，t1、t2和t3可以分别约为250s、240s和10s。在另一示例中，t1、t2和t3可以分别约为270s、240s和30s。
图5是在水加热系统100的再加热循环期间的冷水入口管的外部的温度测量结果的示意性表示。通过对在冷水入口管处的冷水温度的精确测量而获得的关键信息可以被用于温度变化的动态分析。图5示出了分别从热温度传感器和冷温度传感器获得的热水温度测量数据501和冷水温度测量数据503。热温度传感器和冷温度传感器的示例分别可以是在以上图3A和图3B中描述的热温度传感器306和冷温度传感器304。图5还分别示出了第一热水器事件500A和第二热水器事件500B。如图5中所示，在第一事件500A和第二事件500B期间，冷温度传感器对热水抽取事件和加热活动的的响应比起热温度传感器对同样事件的对应响应更加敏感和快速。另外，冷水温度测量结果可能经常由于环境温度波动(诸如例如由强制家用空气供热系统导致的温度变化)而不断变化。这可以被认为是噪声，并且热水器控制器可以在温度补偿过程中检测并消除该噪声温度数据，如以下参考图6进一步说明的。
图6是根据一些实施例的在水加热系统100的加热循环和再加热循环期间的温度测量结果和噪声过滤的示意性表示。图6示出了分别从热温度传感器和冷温度传感器获得的热水温度测量数据601和冷水温度测量数据603。热温度传感器和冷温度传感器的示例分别可以是在以上图3A和图3B中描述的热温度传感器306和冷温度传感器304。在一些实施例中，图6中描述的加热循环和再加热循环可以是以上图5中描述的第一事件500A的放大视图。在一些实施例中，图6可以是对与第一事件500A不同的加热循环和再加热循环的描述。如图6中所示，从热温度传感器和冷温度传感器获得的温度测量数据可以与从冷温度传感器获得的提供附加信息的数据在相同时间帧期间变化。正如从热温度传感器和冷温度传感器获得的测量数据中的差异所证实的，热温度传感器数据示出了其可以不包括如在冷温度传感器处获得的数据一样复杂的细节。相反，由冷温度传感器获得的温度数据包括热水器活动的足够水平的细节和指标，使得热水器控制器可以使用从冷温度传感器获得的数据来检测诸如例如加热、再加热、热水抽取和冷水供应的活动。图6示出了热水器控制器可以通过确定再加热的斜率是否保持低于或超过预设定的阈值斜率值来检测噪声与水箱再加热的实际开始之间的差异。例如，在分段S1中的斜率605可能低于阈值斜率值，而在分段S2中的斜率607可能超过阈值斜率值。热水器控制器可以被配置为监测并标记斜率开始升高的每个时刻，但仅在斜率已经超过最小阈值斜率值后才使用该时间戳作为再加热的开始。由于在热水抽取之后没有热水被推入冷水入口管，因此在热水抽取之后的冷温度传感器的再加热可能导致低于阈值的再加热斜率。所以这提供了在热水抽取之后的加热和由于水箱再加热而引起的加热之间的清楚的区分—这对于基于冷温度传感器的再加热检测来说是关键的。图6中再加热事件的结束可以通过以下情况来识别：再加热斜率(例如，斜率611)低于时间戳t2处的阈值，而斜率609高于该阈值并且不算作再加热事件的结束。总的再加热持续时间(dt)将是介于t0至t2之间的时间。
图7是根据一些实施例的在热水抽取事件基本上同时发生时检测和测量再加热事件的示意性表示。图7示出了分别从热温度传感器和冷温度传感器获得的热水温度测量数据701和冷水温度测量数据703。热温度传感器和冷温度传感器的示例分别可以以上是在图3A和图3B中描述的热温度传感器306和冷温度传感器304。在一些实施例中，图7中描述的加热循环和再加热循环可以是以上在图5中描述的第二事件500B的放大视图。在一些实施例中，图7可以是对不同于第二事件500B的加热循环和再加热循环的描述。与以上冷温度传感器类似，由图7中的冷温度传感器获得的温度数据可以包括足够水平的热水器活动的细节和指标，使得热水器控制器可以使用从冷温度传感器获得的数据来检测各种活动。图8示出了有限状态图，其为对水加热系统处于哪个状态以及该系统可以根据触发事件(诸如检测到的斜率变化)更改为哪个状态保持跟踪的方法。为清楚的目的，图7中示出的温度数据参考图8中示出的有限状态图来进行解释。应当指出的是，图8中示出的有限状态图还可以在水加热系统操作期间被应用于其他适合的场景。另外，图8中示出的有限状态图仅仅是出于说明性目的的示例，并且另外的状态和转换可以被包含在图中，但是为简单起见这里将其省略了。
第一热水抽取可以导致冷水温度的急剧下降，其通常触发热水器的再加热过程。冷温度传感器的再加热斜率在t0处超过最小阈值，使有限状态图移动到“加热开启”状态802。在第二热水抽取事件期间，在冷温度传感器处检测到降低的温度，但是热水器将移动到“加热期间抽取”状态808。在热水抽取事件已经完成之后，再加热斜率再次超过最小阈值，证实热水器水箱仍在加热，其由“抽取之后加热”状态806指示。第三短暂的热水抽取发生，但是在抽取完成后，再加热斜率低于最小阈值，指示再加热已经完成，并且热水器将移动到“不加热”状态804。再加热循环期间，热水器控制器保持对再加热斜率的中变化(在t1处示出)的跟踪，其然后由热水器控制器用于确定加热事件的持续时间(dt＝t1-t0)，并且稍后在热水器控制器可以明确地识别整个序列时(在t2之后)被报告。
不同的再加热序列被示出在t3与t4之间。温度传感器数据示出了再加热在t3之后超过最小阈值，但是识别出在t4处斜率下降到阈值以下。这不是由于抽水，因为这会导致冷水温度急剧下降。由于水箱内的分层物理现象(例如，倒置)，在两个温度传感器中均可以观察到温度增加，但是这些不是由于水箱再加热。在t5与t6之间识别出类似于第一再加热事件的第三再加热事件。第三再加热事件未示出在由热温度传感器检测到的温度上的任何显著变化，但是对冷温度传感器的动态分析允许这种短暂的再加热循环的检测。
以上温度测量结果和加热循环是示出冷水温度传感器信息被动态处理的示例，并且多个热水器触发事件可以导致有限状态图中多种状态之间的变化。实时动态地保持对中间事件(例如，冷温度斜率的轻微变化)的跟踪可以被用于识别正确的时刻以精确计算再加热持续时间。
图9是示出示例性方法900用于测量水加热系统中的热水使用以及创建热水使用配置文件以提供节约能耗的操作的流程图。方法900中的其他操作可以被执行，并且该操作可以以不同的顺序和/或变化来执行。
在操作902处，根据本公开的各实施例，水加热系统的备用能量损失率可以被测量。水加热系统的备用能量损失以相对恒定的比率发生，并且可能受水加热系统的设置和安装配置影响。能量损失率R可以在未有效使用能量的再加热事件期间推导，并且水加热系统的输入能量被完全用于将存储在热水器水箱中的水再加热到其期望的温度水平。因此，能量损失率R可以使用每个再加热循环中消耗的输入能量除以每个再加热循环之间经过的时间来计算。在一些实施例中，能量损失率R可以随时间不断调整以确保最大精度。随着能量损失率被确定，任何特定时间段的备用能量损失可以通过将该时间段乘以能量损失率R来推导。
根据本公开的各实施例，在操作904处，热能输出可以被测量。热能输出是水加热系统100中的有效使用的能量，并且是关键信息，这是因为其指示了用户实际使用的热水的体积。如上所述，热能输出可以使用能量输入减去热水的使用期内的备用能量损失来推导。给定时间t’期间的备用能量损失等于备用能量损失率乘以时间t’。
根据本公开的各实施例，在操作906处，冷水与热水温度差被测量。热水和冷水之间的温度差可以通过使用相应热水管和冷水管的外部的温度测量结果来推导。诸如可附接的温度传感器的可附接传感器可以被安装在冷水管上以测量冷温度，并且可以被安装在热水管上以测量热温度。可附接的温度传感器可以是例如可容易地附接到水管上或从水管上移除的捆绑式传感器。可附接的温度传感器可以被制造成新的水加热系统的部件，也可以被改造到现有系统中。除了其他好处以外，可附接的温度传感器提供了低成本和简易安装的好处。
在一些实施例中，冷温度传感器可以被安装在冷水管上并接近热水器水箱的顶部。因为热水通过热膨胀延伸入冷水入口端口，所以冷温度传感器可以加温。在一些实施例中，冷温度传感器可以被安装在冷水管上并远离热水器水箱。冷温度传感器可以被捆绑在冷水入口管上的任何合适的位置上。水控制器可以精确检测热水抽取事件的开始及其持续时间。例如，水控制器可以监测温度随时间的斜率，并且如果该斜率大于阈值，则可以检测热水抽取。类似地，在一些实施例中，热温度传感器可以被安装在热水管上，诸如例如被捆绑到水加热系统的T&P阀上。热温度传感器也可以被安装在水加热系统的其他合适的热水管上。可替选地，期望的温度可以被用作加热温度值用于温度差计算，这是因为在水加热系统中的水在每个再加热循环之后被再加热到期望的温度。可附接的温度传感器被配置为测量管外部的温度并能够使用任何合适的设备或连接件将温度测量结果发送到热水器控制器。
根据本公开的各实施例，在操作908处，热水使用体积被测量。基于上述在操作904中所确定的热能输出，所使用的热水的体积可以使用液态水的密度和冷水与热水之间的温度差来推导。如以上参考操作904所描述的可以测量和/或推导温度差。从冷温度传感器和热温度传感器获得的时序数据的算法分析提供了一种用于监测是否发生与何时发生热水使用的可行且可靠的方法。另外，冷温度传感器和热温度传感器的算法分析可以推导每个独立的热水使用事件的持续时间。在热水抽取事件期间的热水的流动速率可以使用热水的总容积除以抽取事件的持续时间来计算。
根据本公开的各实施例，在操作910处，创建热水使用配置文件。在本公开中所描述的热水器控制器系统和方法可以使用在操作902-908处获得的信息来生成热水使用配置文件并提供节能以及各种公用电网集成使用案例的重要机会。例如，控制器系统可以基于热水使用的时间和体积来检测热水使用模式，并产生热水使用配置文件。特别地，热水使用配置文件可以包括与何时通常使用热水以及所使用的量有关的能量含量信息。例如，控制器系统可以监测工作日与周末、一天中不同的时间、和/或不同季节之间的热水使用的差异。控制器系统因此可以响应于用户设备的能量需求模式来调节水加热系统，并且至少通过最小化将热水维持在升高的温度下的时间来减少备用损失。例如，如果用户通常在日间使用较少的水，则热水器控制器系统可以减少存储在热水器水箱中的水的温度设置，从而减少要将存储在热水器水箱中的水维持在高温所需的热能。另一方面，如果用户通常在周末使用更多热水，则热水器控制器可以在该时间范围内将热水维持在相对较高的温度以避免热水用完。因此，控制器系统控制水加热系统基于能量需求曲线操作并且随着需求变动来调节热能输出以减少备用损失。这允许用户监测它们的能量需求曲线并减少水加热系统的能耗。
本公开的各实施例提供了具有精确的能量、热水使用、时间和持续时间信息的通用且可改造的热水器控制器。本公开的热水器控制器和方法允许控制水加热系统以提供公用电网集成应用的更有效的优化。在存储类型的热水器中，备用能量损失和能量损失率可以使用在统一的再加热循环和无热水使用的时段之后输入水加热系统的能量来计算。
本公开的热水器控制器和方法可以检测基于被附接至冷水入口管的温度传感器的热水抽取事件的实例。此外，提高热水使用持续时间检测的精度可以通过包括以下内容经由算法分析来实现：实际推导的最低冷水温度、在抽取事件的开始时的冷温度和在抽取事件期间的温度变化的斜率。热水器控制器和传感器还能够使用被附接至冷水入口管的温度传感器来推导在长时间热水抽取期间的冷水入口温度。另外，热水器控制器和传感器可以计算热水抽取事件的平均流动速率并且确定在任何给定时间处所消耗的以及在水箱中剩余的热水的量。使用便宜且易于安装的捆绑式温度传感器可以通过利用每单位电压和电流校准的低成本电子器件提供精确的功率计量。热温度传感器可以被捆绑到T&P阀。冷温度传感器可以位于热水器水箱的入口端口附近，并且冷水温度传感器的再加热可以被用于实时推导热水使用信息并测量各个独立热水抽取的持续时间。
本公开中所描述的热水器控制器和方法可以诸如每天地和每周地(工作日/周末)从热能使用信息中推导热水使用配置文件以及检测热水使用的时间和持续时间。诸如能量输入、热能输出和备用能量损失的有价值的信息可以被用于计量和优化水加热系统效率。因此，可以在避免对用户断供热水的状况的情况下实现优化的需求响应机会。
在一些实施例中，水加热系统包括贮水器和被连接到贮水器的冷水管和热水管。水加热系统还包括被附接到冷水管并且位于贮水器附近的冷水温度传感器。冷水温度传感器被配置为测量冷水管的冷水温度并输出表示所感测到的冷水温度的冷水温度信号。水加热系统还包括被配置为测量热水温度并输出表示所感测到的热水温度的热水温度信号的热水温度传感器。水加热系统还包括包含被配置为测量水加热系统的能量使用的能量计的控制器系统，并且包括被配置为接收热水温度信号和冷水温度信号的处理器。处理器还被配置为使用所接收到的热水温度信号和冷水温度信号来确定使用的热水的体积。
在一些实施例中，提出了用于在存储类型的热水器中使用的控制器系统。该控制器系统包括第一传感器和第二传感器，其被分别附接到存储类型的热水器的冷水管和热水管。第一传感器和第二传感器被配置为分别发送冷水温度测量结果和热水温度测量结果。该控制器系统还包括被配置为测量存储类型的热水器的能量使用的能量计，以及包括被配置为接收冷水温度测量结果和热水温度测量结果的处理器。该处理器还被配置为基于冷水温度测量结果和热水温度测量结果来推导使用的热水的体积。
在一些实施例中，提出了确定在存储类型的热水器中使用的热水的体积的方法。存储类型的热水器在冷水入口处接收冷水并通过热水出口输出使用的热水。该方法包括确定由存储类型的热水器输出的使用的热水的热能。该方法还包括确定冷水和热水的温度之间的温度差并推导使用的热水的体积。
应该理解的是，本公开的具体实施方式部分而非摘要旨在被用于解释权利要求。公开部分的摘要可以阐述一个或多个但非全部所设想的示例性实施例，并且因此不旨在限制从属权利要求。
特定实施例的前述描述将充分地揭示本公开的一般性质，以至于其他人可以在不脱离本公开的一般概念、没有过度实验的情况下通过应用本领域技术范围内的知识而针对各种应用容易地修改和/或调整此类特定实施例。因此，基于本文提出的教导和指导，这样的调整和修改意图在所公开的实施例的等同方案的含义和范围内。应该理解的是，本文中的措辞和术语是出于描述而非限制的目的，以便由本领域技术人员根据本教导和指导来解释本说明书中的措辞和术语。
本发明的广度和范围不应该被上述示例性实施例中的任一示例性实施例限制，而是应该仅根据以下权利要求及其等同方案限定。

Claims (20)

1.一种水加热系统，其包括：
贮水器；
冷水管和热水管，所述冷水管和热水管被连接到所述贮水器。
冷水温度传感器，其被附接到所述冷水管并位于所述贮水器附近，其中，所述冷水温度传感器被配置为测量所述冷水管的冷水温度并输出表示感测到的冷水温度的冷水温度信号；
热水温度传感器，其被配置为测量热水温度并输出表示感测到的热水温度的热水温度信号；以及
控制器系统，其包括：
能量计，其被配置为测量所述水加热系统的能量使用；以及
处理器，其被配置为接收所述热水温度信号和所述冷水温度信号，其中，所述处理器还被配置为使用接收到的热水温度信号和冷水温度信号来确定使用的热水的体积。
2.根据权利要求1所述的水加热系统，其中，所述冷水温度传感器被附接至所述冷水管的外表面。
3.根据权利要求1所述的水加热系统，其中，所述控制器系统被配置为使用所述接收到的冷水温度信号来确定热水抽取的持续时间。
4.根据权利要求1所述的水加热系统，其中，所述控制器系统被配置为基于所述冷水管的配置来补偿所述冷水温度信号。
5.根据权利要求1所述的水加热系统，其中，所述处理器还被配置为产生使用的热水的配置文件。
6.根据权利要求1所述的水加热系统，其中，所述处理器还被配置为计算所述水加热系统的备用损失因子。
7.根据权利要求1所述的水加热系统，其中，使用的热水的体积基于所述感测到的冷水温度和所述感测到的热水温度之间的差值来确定。
8.一种用于在存储类型的热水器中使用的控制器系统，所述控制器系统包括：
第一传感器和第二传感器，其分别被附接至所述存储类型的热水器的冷水管和热水管，其中，所述第一传感器和所述第二传感器被配置为分别发送冷水温度测量结果和热水温度测量结果；
能量计，其被配置为测量所述存储类型的热水器的能量使用；以及
处理器，其被配置为接收所述冷水温度测量结果和所述热水温度测量结果，并基于所述冷水温度测量结果和所述热水温度测量结果来推导使用的热水的体积。
9.根据权利要求8所述的控制器系统，其中，使用的热水的体积是使用所述冷水温度测量结果和所述热水温度测量结果之间的差值来推导的。
10.根据权利要求8所述的控制器系统，其中，所述处理器还被配置为基于使用的热水的体积来推导所述存储类型的热水器的使用配置文件。
11.根据权利要求8所述的控制器系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器被分别捆绑到所述冷水管和所述热水管上。
12.根据权利要求8所述的控制器系统，其中，所述第一传感器位于所述存储类型的热水器的入口端口附近。
13.一种确定存储类型的热水器中的使用的热水的体积的方法，其中，所述存储类型的热水器在冷水入口处接收冷水并且通过热水出口输出使用的热水，所述方法包括：
确定由所述存储类型的热水器输出的使用的热水的热能；
确定冷水和热水的温度之间的温度差；以及
推导使用的热水的体积。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括测量被供应到所述存储类型的热水器的输入能量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法还包括测量备用能量损失，并且热能输出通过从所述输入能量中减去所述备用能量损失来确定。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括基于使用的热水的体积来创建热水使用配置文件。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括计算所述存储类型的热水器的备用能量损失率。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括在输出使用的热水的同时计算所述存储类型的热水器的流速。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述热水使用配置文件包括已经输出了使用的热水之后所述存储类型的热水器中剩余的热水的体积。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括使用所述冷水入口的多个温度测量结果来确定热水抽取的持续时间。
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