CN115218486B - 一种饮用水设备的多级加热系统及方法 - Google Patents

一种饮用水设备的多级加热系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种饮用水设备的多级加热系统及方法，系统包括：一级加热子系统，用于将源水加热至一级温度；二级加热子系统，用于根据出水温度需求将一级温度的水加热至二级温度；出水即热加热子系统，用于根据出水温度需求，将二级温度的水加热至所需出水温度；智能控制子系统，用于协调控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统之间的工作。本发明提供的多级加热系统及方法使得饮用水设备的整机加热功率降低、能耗交底、在低温下出水量依然正常且出水口水温变化小，能够广泛适用于各种饮用水设备，如净水器、饮水器等设备；且能够广泛应用于各种场景，包括校园饮水场景、政府饮水场景以及商务办公饮水场景等。

Description

一种饮用水设备的多级加热系统及方法
技术领域
本发明属于饮用水加热技术领域，具体涉及一种饮用水设备的多级加热系统及方法。
背景技术
现有带有加热功能的饮用水设备包括净水器和饮水器，其加热方式有：
(1)使用一级储热式加热，直接将源水加热至指定温度，这种方法的缺点是加热效率比较低，因为需要加热的水较多，且出口温度变化较大，水温不合适，会增加整机的能耗。
(2)使用一级即热式加热，即热式加热在不使用热水的时候处于关闭状态，能耗较低，但在开启加热时瞬间功率较大，且大量热水器同时使用时，会对供电网络造成负担。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的饮用水设备的多级加热系统及方法解决了现有的饮用水加热过程中设备能耗高、低温下出水量降低以及出水口温度变化大的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种饮用水设备的多级加热系统，包括：
一级加热子系统，用于将源水加热至一级温度；
二级加热子系统，用于根据出水温度需求将一级温度的水加热至二级温度；
出水即热加热子系统，用于根据出水温度需求，将二级温度的水加热至所需出水温度；
智能控制子系统，用于协调控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统之间的工作。
进一步地，所述智能控制子系统控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统工作的优先级顺序为：二级加热子系统、出水即热加热子系统以及一级加热子系统。
进一步地，所述智能控制子系统控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统不同时开启。
进一步地，所述智能控制子系统通过物联网平台与客户端连接，所述客户端配置有与饮用水设备关联的应用程序，用于设定出水温度及目标温度差。
一种多级加热方法，包括以下步骤：
S1、温度设定：在与饮用水设备关联的应用程序中设定出水温度及二级目标温度差；
S2、温度及功率计算：根据设定的出水温度及目标温度差依次计算二级加热、出水即热加热以及一级加热时的目标温度和加热功率；
S3、多级加热：根据出水触发情况及加热功率对饮用水进行多级加热。
进一步地，所述步骤S2中，二级加热时的目标温度为设定出水温度与二级目标温度差值的差值，二级目标温度差值根据饮用水设备的出水管道长度及散热效率确定；
出水即热加热时的目标温度为设定的出水温度；
一级加热时的目标温度为20度。
进一步地，二级加热、出水即热加热以及一级加热时的加热功率通过比例控制、积分控制以及微分控制确定，得到加热功率的输出控制信号，即调节系数OUT为：
式中，Kp为功率调节的比例控制系数，Ek为时刻k环境温度与目标温度的差值，Ki为功率调节的积分控制系数，Kd为功率调节的差分控制系数，下标k为时刻序数，out0为常数；
进一步地，所述比例控制的方法为：
A1、确定Ek＝Sv-Xk的取值，Sv为当前加热阶段的目标温度，Xk为当前时刻k的环境温度；
其中，当前加热阶段为二级加热、一级加热或出水即热加热；
A2、确定Ek的取值范围；
当Ek>0时，当前环境温度未达到目标温度；
当Ek＝0时，当前环境温度达到目标温度；
当Ek<0时，当前环境温度已超过目标温度；
A3、根据Ek的取值确定比例控制的功率Pout；
Pout＝Kp(Sv-Xk)+out0＝Kp+Ek+out0
当Ek>0时，提高Pout进而增加调节系数OUT以提高饮用水设备中的电热丝输出功率，当Ek<0时，降低Pout进而减少调节系数OUT以降低饮用水设备中的电热丝输出功率；
所述积分控制的方法具体为：
B1、确定SE＝E1+E2+E3+...+Ek-1+Ek+1的取值，SE为历史环境温度与当前加热阶段的目标温度的差值的累加值；
B2、确定SE的取值范围；
当SE>0时，历史环境温度存在未目标温度的数据或从未达到当前加热阶段的目标温度；
当SE＝0时，积分控制效果理想；
当SE<0时，历史环境温度大多数超过目标温度或一直超过目标温度；
B3、根据SE的取值确定积分控制的功率Iout；
式中，T为采样时间，Ti为积分时间，其影响功率Iout的大小；
所述微分控制的方法具体为：
C1、确定Dk＝Ek-Ek+1的取值，Dk为k时刻Ek与k-1时刻Ek+1的差值；
C2、确定Dk的取值范围；
当Dk>0时，Ek有增大趋势；
当Dk＝0时，Ek趋势平稳；
当Dk<0时，Ek有减小趋势；
C3、根据Dk取值确定微分控制的功率Dout；
式中，T'为采样时间，Td为微分时间，微分时间Td越大作用越强，即抑制效果越明显。
进一步地，所述步骤S3中，当未触发出水时，饮用水多级加热方法具体为：
控制出水即热加热子系统关闭，二级加热子系统和一级加热子系统处于实时保持水温模式；
在保持水温模式下，根据计算的加热功率，优先使用二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度后，控制一级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，且在一级加热子系统进行饮用水加热过程中，若二级加热子系统的温度降低，则优先控制二级加热子系统进行饮用水加热，并将一级加热子系统暂停，直到二级加热子系统加热至对应目标温度后再进行加热。
进一步地，所述步骤S3中，当触发出水时，饮用水多级加热方法为：
开启二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，然后开启出水即热加热子系统将饮用水加热至对应目标温度；
当二级加热子系统和出水即热加热子系统均加热至对应目标温度后，控制一级加热子系统进入运行状态将饮用水加热至对应目标温度，在一级加热子系统进行饮用水加热过程中，若二级加热子系统温度降低，则优先控制二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，并将一级加热子系统及出水即热加热子系统暂停，直到二级加热子系统加热至对应目标温度后再进行加热。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的多级加热系统中，一级将水加热至一个温度，二级再加热至另外一个温度，出水口再加即热，其中一级加热子系统与二级加热子系统使用储热式加热，出水口使用即热式加热系统，加热系统中的一级加热将水加热至RO膜的适宜进水温度，提升RO的出水量，二级加热将水温抬至出水温度附近，进行热存储，出水口根据出水的需要使用即热系统将水加热至适宜的出水温度。
(2)本发明提供的多级加热方法使得饮用水设备的整机加热功率降低、能耗交底、在低温下出水量依然正常且出水口水温变化小，能够广泛适用于各种饮用水设备，如净水器、饮水器等设备。
(3)本发明提供的多级加热系统及方法，能够广泛应用于各种场景，包括校园饮水场景、政府饮水场景以及商务办公饮水场景等。
附图说明
图1为本发明提供的饮用水设备的多级加热系统结构图。
图2为本发明提供的饮用水设备的多级加热方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1：
本发明实施例提供了一种饮用水设备的多级加热系统，如图1所示，包括：
一级加热子系统，用于将源水加热至一级温度；
二级加热子系统，用于根据出水温度需求将一级温度的水加热至二级温度；
出水即热加热子系统，用于根据出水温度需求，将二级温度的水加热至所需出水温度；
智能控制子系统，用于协调控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统之间的工作。
在本实施例中，一级加热子系统和二级加热子系统使用储热式加热，出水即热加热子系统使用即热式加热，在多级加热系统中，一级加热子系统将源水加热至RO膜适宜的目标温度，以提升RO膜的出水量，二级加热子系统将水温抬至出水温度附近，进行热储存，出水口根据出水的需要使用出水即热加热子系统将水加热至设定的出水温度。
在本发明实施例中，智能控制子系统控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统工作的优先级顺序为：二级加热子系统、出水即热加热子系统以及一级加热子系统；且为了平衡整机功率，智能控制子系统控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统不同时开启，会根据运行情况自动控制三个子系统的运行。
本发明实施例中的智能控制子系统通过物联网平台与客户端连接，且客户端配置有与饮用水设备关联的应用程序，用于设定出水温度及目标温度差。
实施例2：
本发明实施例提供了一种实施例1中的多级加热子系统的多级加热方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、温度设定：在与饮用水设备关联的应用程序中设定出水温度及二级目标温度差；
S2、温度及功率计算：根据设定的出水温度及目标温度差依次计算二级加热、出水即热加热以及一级加热时的目标温度和加热功率；
S3、多级加热：根据出水触发情况及加热功率对饮用水进行多级加热。
本发明实施例的步骤S2中，二级加热时的目标温度为设定出水温度与二级目标温度差值的差值，二级目标温度差值根据饮用水设备的出水管道长度及散热效率确定，不同的饮用水设备之间会有细微的差别；出水即热加热时的目标温度为设定的出水温度；一级加热时的目标温度为20度，二级加热时的目标温度范围为20～35度。
本发明实施例的步骤S2中，二级加热、出水即热加热以及一级加热时的加热功率通过比例控制、积分控制以及微分控制确定，得到加热功率的输出控制信号，即调节系数OUT为：
式中，Kp为功率调节的比例控制系数，Ek为时刻k环境温度与目标温度的差值，Ki为功率调节的积分控制系数，Kd为功率调节的差分控制系数，下标k为时刻序数，out0为常数，通过调节Kp、Ki以及Kd三个值从而调节多级加热系统的输出，以改善系统的响应效果。
本实施例中，比例控制的方法为：
A1、确定Ek＝Sv-Xk的取值，Sv为当前加热阶段的目标温度，Xk为当前时刻k的环境温度；
其中，当前加热阶段为二级加热、一级加热或出水即热加热；
A2、确定Ek的取值范围；
当Ek>0时，当前环境温度未达到目标温度；
当Ek＝0时，当前环境温度达到目标温度；
当Ek<0时，当前环境温度已超过目标温度；
A3、根据Ek的取值确定比例控制的功率Pout；
Pout＝Kp(Sv-Xk)+out0＝Kp+Ek+out0
当Ek>0时，提高Pout进而增加调节系数OUT以提高饮用水设备中的电热丝输出功率，当Ek<0时，降低Pout进而减少调节系数OUT以降低饮用水设备中的电热丝输出功率；本实施例中设置常数out0的值为1，以避免Ek＝0时，OUT也为0。
本实施例中的积分控制的方法具体为：
B1、确定SE＝E1+E2+E3+...+Ek-1+Ek+1的取值，SE为历史环境温度与当前加热阶段的目标温度的差值的累加值；
B2、确定SE的取值范围；
当SE>0时，历史环境温度存在未目标温度的数据或从未达到当前加热阶段的目标温度；
当SE＝0时，积分控制效果理想；
当SE<0时，历史环境温度大多数超过目标温度或一直超过目标温度；
B3、根据SE的取值确定积分控制的功率Iout；
式中，T为采样时间，Ti为积分时间，其影响功率Iout的大小；
在本实施例中，当Ti值很大时，环境温度需要较长的时间才能回到设定值，无论当前环境温度大于还是小于设定值，当Ti较小时，环境温度波动会比较大，且振荡衰减小。
本实施例中的微分控制的方法具体为：
C1、确定Dk＝Ek-Ek+1的取值，Dk为k时刻Ek与k-1时刻Ek+1的差值；
C2、确定Dk的取值范围；
当Dk>0时，Ek有增大趋势；
当Dk＝0时，Ek趋势平稳；
当Dk<0时，Ek有减小趋势；
C3、根据Dk取值确定微分控制的功率Dout；
式中，T'为采样时间，Td为微分时间，微分时间Td越大作用越强，即抑制效果越明显，此项权重越高，对加热功率的影响因素越大，其抑制效果越明显，输出的加热曲线越平滑。
本发明实施例的步骤S3中，当未触发出水时，饮用水多级加热方法具体为：
控制出水即热加热子系统关闭，二级加热子系统和一级加热子系统处于实时保持水温模式；
在保持水温模式下，根据计算的加热功率，优先使用二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度后，控制一级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，且在一级加热子系统进行饮用水加热过程中，若二级加热子系统的温度降低，则优先控制二级加热子系统进行饮用水加热，并将一级加热子系统暂停，直到二级加热子系统加热至对应目标温度后再进行加热。
本发明实施例的步骤S3中，当触发出水时，饮用水多级加热方法为：
开启二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，然后开启出水即热加热子系统将饮用水加热至对应目标温度；
当二级加热子系统和出水即热加热子系统均加热至对应目标温度后，控制一级加热子系统进入运行状态将饮用水加热至对应目标温度，在一级加热子系统进行饮用水加热过程中，若二级加热子系统温度降低，则优先控制二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，并将一级加热子系统及出水即热加热子系统暂停，直到二级加热子系统加热至对应目标温度后再进行加热。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (3)

1.一种饮用水设备的多级加热系统的多级加热方法，多级加热系统，包括：
一级加热子系统，用于将源水加热至一级温度；
二级加热子系统，用于根据出水温度需求将一级温度的水加热至二级温度；
出水即热加热子系统，用于根据出水温度需求，将二级温度的水加热至所需出水温度；
智能控制子系统，用于协调控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统之间的工作；
所述智能控制子系统控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统工作的优先级顺序为：二级加热子系统、出水即热加热子系统以及一级加热子系统；
所述智能控制子系统控制一级加热子系统、二级加热子系统以及出水即热加热子系统不同时开启；
所述智能控制子系统通过物联网平台与客户端连接，所述客户端配置有与饮用水设备关联的应用程序，用于设定出水温度及目标温度差；
其特征在于，包括以下步骤：
S1、温度设定：在与饮用水设备关联的应用程序中设定出水温度及二级目标温度差；
S2、温度及功率计算：根据设定的出水温度及目标温度差依次计算二级加热、出水即热加热以及一级加热时的目标温度和加热功率；
S3、多级加热：根据出水触发情况及加热功率对饮用水进行多级加热；
二级加热时的目标温度为设定出水温度与二级目标温度差值的差值，二级目标温度差值根据饮用水设备的出水管道长度及散热效率确定；
出水即热加热时的目标温度为设定的出水温度；
一级加热时的目标温度为20度；
所述步骤S3中，当未触发出水时，饮用水多级加热方法具体为：
控制出水即热加热子系统关闭，二级加热子系统和一级加热子系统处于实时保持水温模式；
在保持水温模式下，根据计算的加热功率，优先使用二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度后，控制一级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，且在一级加热子系统进行饮用水加热过程中，若二级加热子系统的温度降低，则优先控制二级加热子系统进行饮用水加热，并将一级加热子系统暂停，直到二级加热子系统加热至对应目标温度后再进行加热；
所述步骤S3中，当触发出水时，饮用水多级加热方法为：
开启二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，然后开启出水即热加热子系统将饮用水加热至对应目标温度；
当二级加热子系统和出水即热加热子系统均加热至对应目标温度后，控制一级加热子系统进入运行状态将饮用水加热至对应目标温度，在一级加热子系统进行饮用水加热过程中，若二级加热子系统温度降低，则优先控制二级加热子系统将饮用水加热至对应目标温度，并将一级加热子系统及出水即热加热子系统暂停，直到二级加热子系统加热至对应目标温度后再进行加热。
2.根据权利要求1所述的多级加热方法，其特征在于，二级加热、出水即热加热以及一级加热时的加热功率通过比例控制、积分控制以及微分控制确定，得到加热功率的输出控制信号，即调节系数OUT为：
式中，Kp为功率调节的比例控制系数，Ek为时刻k环境温度与目标温度的差值，Ki为功率调节的积分控制系数，Kd为功率调节的差分控制系数，下标k为时刻序数，out0为常数。
3.根据权利要求2所述的多级加热方法，其特征在于，所述比例控制的方法为：
A1、确定Ek＝Sv-Xk的取值，Sv为当前加热阶段的目标温度，Xk为当前时刻k的环境温度；
其中，当前加热阶段为二级加热、一级加热或出水即热加热；
A2、确定Ek的取值范围；
当Ek＞0时，当前环境温度未达到目标温度；
当Ek＝0时，当前环境温度达到目标温度；
当Ek<0时，当前环境温度已超过目标温度；
A3、根据Ek的取值确定比例控制的功率Pout；
Pout＝Kp(Sv-Xk)+out0＝Kp+Ek+out0
当Ek＞0时，提高Pout进而增加调节系数OUT以提高饮用水设备中的电热丝输出功率，当Ek<0时，降低Pout进而减少调节系数OUT以降低饮用水设备中的电热丝输出功率；
所述积分控制的方法具体为：
B1、确定SE＝E1+E2+E3+...+Ek-1+Ek+1的取值，SE为历史环境温度与当前加热阶段的目标温度的差值的累加值；
B2、确定SE的取值范围；
当SE＞0时，历史环境温度存在未目标温度的数据或从未达到当前加热阶段的目标温度；
当SE＝0时，积分控制效果理想；
当SE<0时，历史环境温度大多数超过目标温度或一直超过目标温度；
B3、根据SE的取值确定积分控制的功率Iout；
式中，T为采样时间，Ti为积分时间，其影响功率Iout的大小；
所述微分控制的方法具体为：
C1、确定Dk＝Ek-Ek+1的取值，Dk为k时刻Ek与k-1时刻Ek+1的差值；
C2、确定Dk的取值范围；
当Dk＞0时，Ek有增大趋势；
当Dk＝0时，Ek趋势平稳；
当Dk<0时，Ek有减小趋势；
C3、根据Dk取值确定微分控制的功率Dout；
式中，T'为采样时间，Td为微分时间，微分时间Td越大作用越强，即抑制效果越明显。
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