CN115978787B - 节能型储热式热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能型储热式热水器，属于热交换技术领域，其包括支架、水箱、加热机构以及用于整机控制的控制机构，其特征在于：还包括储热箱，所述储热箱内灌注有储热介质；所述加热机构包括加热管和换热组件，所述加热管设置于储热箱内，所述换热组件包括灌注有绝缘的液态换热介质的换热管路和用于驱使液态换热介质流动的驱动系统，所述换热管路分两段且一段位于水箱的内腔，另一段穿入储热箱，所述换热管路的两段设置绝缘接头连通。本申请具有减小电热水器漏电风险，保证热水供应的效果。

Description

节能型储热式热水器

技术领域

本申请涉及热交换技术领域，尤其是涉及一种节能型储热式热水器。

背景技术

现有热水器的加热方法多为电加热、燃气加热或太阳能加热。

其中，燃气加热方式，则热能未直接转移至热水，能量浪费较多，同时燃气的使用会产生一定量的二氧化碳。

太阳能加热受光照影响较大，在阳光照射不足的时候还需要辅以电加热作为能量补充。

针对上述两种方式的缺陷，电加热方式更佳，然而该方式多为加热管直接与水接触，有漏电风险；目前，一般以出水断电功能来减少电热水器漏电产生的风险，但是根据发明人亲身体验和市场调研发现：

水箱容量有限，出水断电导致水加热功能严重受限，多人先后洗浴、同时使用热水时热水供应不足，影响用户体验，因此本申请提出一种新的技术方案。

发明内容

为了减小漏电风险，保证热水供应效果，本申请提供一种节能型储热式热水器。

本申请提供一种节能型储热式热水器，采用如下的技术方案：

一种节能型储热式热水器，包括支架、水箱、加热机构以及用于整机控制的控制机构，还包括储热箱，所述储热箱内灌注有储热介质；

所述加热机构包括加热管和换热组件，所述加热管设置于储热箱内，所述换热组件包括灌注有绝缘的液态换热介质的换热管路和用于驱使液态换热介质流动的驱动系统，所述换热管路分两段且一段位于水箱的内腔，另一段穿入储热箱，所述换热管路的两段设置绝缘接头连通；

所述控制机构包括总控模块和温度传感器，所述温度传感器至少为两个，且分别设置于水箱和储热箱中；

所述总控模块电连接于加热管和温度传感器，且配置为：基于预设的分时加热逻辑辨识当前设备环境，并在符合的预设储热场景控制加热管，令储热箱内的储热介质升温至预设的高热阈值。

可选的，所述分时加热逻辑包括：

判断当前时间是否为预设的电价优惠时段，如果是，则判定触发预设的加热模式一，根据加热模式一对加热管控制，且令储热箱内的储热介质升温至高热阈值至少一次；

如果否，则判定触发预设的加热模式二，根据加热模式二对加热管控制，且令储热箱内的储热介质升温至常规储热阈值至少一次；

其中，高热阈值大于常规储热阈值。

可选的，所述加热模式一的升温起始触发温度为温度下限一，温度下限一小于高热阈值，且温度下限一大于常规储热阈值；

所述加热模式二的升温起始触发温度为温度下限二，且温度下限二小于常规储热阈值。

可选的，所述控制机构还包括电连接于总控模块的流量计，所述流量计安装于水箱预设的出水管；

所述总控模块配置为：

获取流量计输出的反馈，并根据反馈判断是否处于用水状态，并记录流速v；

统计，生成用户用水时间记录表；

若当前流速v超过预设的峰值流速下限值，且持续时长大于预设的峰值时间下限值，则判定为用水高峰场景；

统计分析预设周期T内的用水高峰场景，认定出现频次最高的时间起始时间点为个性化时间节点；

执行预设的个性化升温逻辑，其包括：

在个性化时间节点前，触发加热模式一对加热管控制，且令储热箱内的储热介质升温直到高热阈值，当前时间为个性化时间节点时中止加热。

可选的，所述总控模块配置为：

计算前一次执行加热模式一时从温度下限一升温至高热阈值的耗时，记为最新的储热耗时；

所述个性化升温逻辑定义为：令个性化时间节点-储热耗时=个性化升温逻辑的升温执行时间。

可选的，所述总控模块配置为：

根据流速v和用户的用水时间，计算热水用量L1；

记录历次执行个性化升温逻辑后的热水用量L1；

基于预设的验证储热可转化热水量L，计算热利用率β；

若连续N次的热利用率β小于热利用率下限值，则令储热耗时=前一次的储热耗时-预设的单位调整时间t。

可选的，所述总控模块配置为：

获取驱动系统的工作触发温度w；

建立关系表，关系表记录不同水箱温度a时，对应的验证储热可转化热水量b；

令a=w，查找关系表得到b，令L2=b。

可选的，还包括漏电检测机构，所述漏电检测机构包括：

电阻一R1，其以导线连接水箱和/或支架；

电阻二R2，其串联于电阻一R1，且接地；

电流变送器，其检测电阻一R1和电阻二R2的连接线上的电流，输出端连接于总控模块，用于输送漏电信号；

所述总控模块配置为：若接收有漏电信号，则控制加热管中止工作。

可选的，所述水箱上安装有安全阀，所述安全阀连通水箱的内腔和外界大气环境。

可选的，所述驱动系统包括齿轮泵。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：在储热箱中加热，以换交换管向水箱传递热量，而换热管路进行绝缘处理，采用绝缘高温油作为交换介质，做到较为全面的水电隔离，减小漏电风险；

同时，加热管的加热模式分场景，在符合的储热场景，储热介质升温至更高温度；在此基础上，只要将储热场景和用水低谷时间重叠，即可在不用水的时候存储更多热量，在用水多的时候换交换进行利用，以在用水多的时候相对减小电加热频率，从而进一步减少漏电风险；由于此时电热水器不再通过出水断电的方式进行工作，所以可以保证热水供应效果。

附图说明

图1是本申请的整体结构示意图；

图2是本申请的漏电检测机构的电路示意图。

附图标记说明：1、水箱；2、储热箱；3、储热介质；4、加热管；5、换热管路；6、绝缘接头；7、驱动系统；8、安全阀；9、温度传感器；10、进水口；11、出水口；12、外壳；13、支架；14、总控模块；15、电流变送器。

具体实施方式

以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种节能型储热式热水器。

参照图1，节能型储热式热水器包括：支架13、水箱1、加热机构以及用于整机控制的控制机构。可以理解的是，对于热水器而言，为实现整机一体化、方便搬运等，可以设置外壳12，诸如支架13和水箱1可安装于外壳12内；因为外壳12并非本申请的关键，以下主要以无外壳12时的状态进行阐述。

其中，支架13可以是为圆形的承重框架，采用钢管焊接而成，划分出上下两个容纳位置；在支架13的两侧，成型搬运扣手，以提供搬运受力点。

上述水箱1安装于支架13的上部容纳位置，而作为水箱1必备的进水口10和出水口11，进水口10形成于一贯通水箱1下部侧壁的管接头上，出水口11形成于一贯通水箱1上部侧壁的管接头。该种进水方式，符合热流体上浮，冷流体下沉的现象，可保证水箱1出热水的效果。

在本申请的一个实施例中，为了防止水箱1中意外出现超压而产生危险，在水箱1的上部侧壁安装有安全阀8，安全阀8连通水箱1的内腔和外界大气环境，用于确保水箱不超压。

本热水器采用水电隔离的方式对水箱1中的水加热，为此本热水器还包括：储热箱2。

储热箱2可以是底部直径为0.5米，容积为50L的圆形箱体，采用310S不锈钢焊接而成，箱体四周做隔热棉填充处理，顶端预留边长为100×100mm的储热介质3添加口，添加完储热介质3后，对添加口盖合并保温处理。同时，上述添加口也作为储热箱的应急泄压口。

在本申请的一个实施例中，上述储热介质3要求温度至少能达到500℃，例如：宝润合成高温链条油500度的型号。

储热箱2位于水箱1的下方，且安装于支架13的下部容纳位置。

上述加热机构包括加热管4和换热组件，其中，换热组件包括换热管路5和驱动系统7。具体地：

加热管4可以是填充氧化镁的电加热管，其安装于储热箱2的侧壁，且加热部置于储热箱2内，以用作对箱中的储热介质3加热。例如：两根220V、2KW、长度为300mm的加热管。

换热管路5分两段，一段穿入水箱1的内腔，另一段穿入储热箱2；两段管道组成循环管结构；驱动系统7可选择齿轮泵，其进液口、出液口分别与两段管道连通。

换热管路5可以是壁厚为1cm的铜螺旋管，其为高热传导率的金属管；在换热管路5中灌注绝缘的液态换热介质，诸如：油类；可以理解的是，油一般不导电。

需要注意的是，在本申请中两段换热管路5并非直接连通，因为材质问题必定导体，漏电风险依旧较大，为此：

在水箱1和储热箱2之间设置绝缘接头6，绝缘接头6可以诸如：两个相互配合的法兰盘结构，法兰盘结构为耐高温塑料材质，且一个法兰盘的管端口与水箱1底部穿出的换热管路5一段的端头固定，另一个法兰盘的管端口与储热箱2上部穿出的换热管路5一段的端头固定；后续，两个法兰盘相互固定，实现将两段换热管路5做绝缘连通。图中所指绝缘接头6位置指的是：两组法兰盘，且同一侧法兰盘成型于一体后的状态。

上述控制机构包括总控模块14和温度传感器9，总控模块14诸如：PLC控制器，图中指出的是其硬件主体安装位置，安装于支架13的一侧。温度传感器9至少为两个，以两个为例，一个安装于水箱1的侧壁，伸入水箱1内，用于检测水温；另一个温度传感器9安装于储热箱2的侧壁，伸入储热箱2，用于检测储热介质3的温度。

上述齿轮泵、温度传感器9、加热管4均电连接于总控模块14，以实现温控等功能。

使用过程：

总控模块14控制加热管4对储热箱2中的储热介质3加热；控制齿轮泵驱动液态换热介质在换热管路5中流动，即，在储热箱2和水箱间循环流动，以进行热量传递。

根据上述可知，加热在储热箱2，其与水箱1分离；且换热管路5进行绝缘处理，采用绝缘高温油作为交换介质，所以可以做到较为全面的水电隔离，从而漏电风险更低，更为安全。

然而，本申请并非仅仅靠着上述一个角度减小漏电风险的，还通过下述内容实现：

总控模块14配置为：基于预设的分时加热逻辑辨识当前设备环境，并在符合的预设储热场景控制加热管4，令储热箱2内的储热介质3升温至高热阈值。

关于分时加热逻辑，其包括：

判断当前时间是否为预设的电价优惠时段，如果是，则判定触发预设的加热模式一，根据加热模式一对加热管4控制，且令储热箱2内的储热介质3升温至高热阈值至少一次；如果否，则判定触发预设的加热模式二，根据加热模式二对加热管4控制，且令储热箱2内的储热介质3升温至常规储热阈值至少一次；其中，高热阈值大于常规储热阈值。

根据上述，即在电价较为优惠的时间，将储热箱2的温度升到更高，以较低的成本存储更多的热量，等待使用；在电价较贵的时间，储热箱2减少升温，只要能满足常规的需求就可以了，以尽可能的减小电加热成本。

然而，上述不仅仅是体现在降低电加热成本上，还有减小漏电风险的优势：因为电价优惠时间，一般是晚上10点开始持续几个小时，此时一般也是用户较少的时间，储热箱2在这段时间升温到更高的温度，在第二天一早，基本上正好遇上用户用水的高峰，交换热量到水箱1满足用户需求，且因为储热箱2温度更高，又进入了高电价时间，所以一般不需要再启动电加热，由此漏电风险就小了。

为了充分的保障上述设置的效果，进一步的，做以下设置：

加热模式一的升温起始触发温度为温度下限一，温度下限一小于高热阈值，且温度下限一大于常规储热阈值；加热模式二的升温起始触发温度为温度下限二，且温度下限二小于常规储热阈值。

以下给出示例解释：

在用电优惠时段，加热管4启动温度（即，温度下限一）为450摄氏度，停止温度（即，高热阈值）为500摄氏度，最大限度使用优惠电价进行热量的储存；

在非用电优惠时段，加热管4启动温度（即，温度下限二）为150摄氏度，停止温度（即，常规储热阈值）为250摄氏度，满足正常的使用需求即可，最大限度节省使用成本，提高经济效益。

在上述基础下，水温设置为55摄氏度。当储热箱2中温度传感器9检测到温度低于设定下限温度时，总控模块14启动加热管4对储热介质3进行加热升温，达到设定温度上限后，停止加热；当水箱1中的温度传感器9检测到水温低于设定温度下限时，总控模块14启动齿轮泵驱动液态换热介质在储热箱2和水箱1间循环流动，将储热箱2的热量向水箱1传递，对水进行加热，直到水箱温度传感器9检测温度大于所定的55摄氏度。

在本申请的一个实施例中，本申请还包括：流量计，流量计安装在水箱1的出水口对应的管道上，用于检测是否流量变化，并得到流速v。

对应的，上述总控模块14还配置为：

1）、获取流量计输出的反馈，并根据反馈判断是否处于用水状态，并记录流速v；

统计，生成用户用水时间记录表。

2）、若当前流速v超过预设的峰值流速下限值，且持续时长大于预设的峰值时间下限值，则判定为用水高峰场景。

3）、统计分析预设周期T（如：一周）内的用水高峰场景，认定出现频次最高的时间起始时间点为个性化时间节点；即，根据过去一个星期的记录，辨识出用户最为可能的用水高峰时段，把用水高峰开始的时间叫做个性化时间节点。

4）、执行预设的个性化升温逻辑，其包括：

在个性化时间节点前，触发加热模式一对加热管4控制，且令储热箱2内的储热介质3升温直到高热阈值，当前时间为个性化时间节点时中止加热。

根据上述可知，本申请并不是只辨识一类场景，高/低电价场景，还考虑了真实的各个用户的用水习惯，根据系统记的信息，在用户用水高峰之前，提前存储更多的热量至储热箱2中，以减少加热管4在用水高峰工作的几率，减小漏电风险。

可以理解的是，该部分的逻辑的优先级可以是高于前述逻辑部分，以避免系统冲突。

在本实施例中，为了合理地保障提前储热功能顺畅使用，进一步的，将总控模块14配置为：

计算前一次执行加热模式一时从温度下限一升温至高热阈值的耗时，记为最新的储热耗时；

个性化升温逻辑定义为：令个性化时间节点-储热耗时=个性化升温逻辑的升温执行时间。

即，个性化升温逻辑的真实升温动作执行时间是根据经验往前推的，以保证在到个性化时间节点时，储热箱2的储热动作已经完成。

上述设置令本申请存在一个极大的特点：升温起始时间的推定，并不是根据出厂时给出的加热管4额定参数进行计算；之所以这样，是因为加热管4是损耗元件，随着使用时间的拉长，其加热能力会降低，且厂家给的参数并不一定和每个加热管4的实际一样，若根据厂家给出的参数计算，则上述个性化时间节点存在较大的偏移情况。通过本申请的上述设置，则可以直接避开上述问题，提高个性化时间节点的准确性。

在本申请的一个实施例中，为了减小上述个性化升温逻辑造成的能耗浪费，进一步的，总控模块14配置为：

根据流速v和用户的用水时间，计算热水用量L1；即，时间

；

记录历次执行个性化升温逻辑后的热水用量L1；

基于预设的验证储热可转化热水量L2，计算热利用率β, 热利用率β为热水用量L1与验证储热可转化热水量L2的比值；

若连续N（如：N=3）次的热利用率β小于热利用率下限值，则令储热耗时=前一次的储热耗时-预设的单位调整时间t。

其中，验证储热可转化热水量L2，即厂家验证所得的，储热箱2温度达到高热阈值后，持续用水做热交换，储热箱2温度降低到温度下限二时用掉的水量。

根据上述，本申请会对各次升温至高热阈值后的热利用率β计算，如果，多次出现热利用率β比较低的情况，则下一次个性化升温逻辑时，时间就会往后拖，降低储热箱2的最高温度，减少能耗。

考虑到实际使用时，每个用户的习惯不同，对水箱1设置的水温不同，即触发齿轮泵工作，开始热交换加热水箱1的温度不同，总控模块14还配置为：

获取驱动系统7的工作触发温度w；

建立关系表，关系表记录不同水箱温度a时，对应的验证储热可转化热水量b；

令a=w，查找关系表得到b，令L2=b。

根据上述可知，本申请的验证储热可转化热水量L2并不是固定的，而是会根据每个用户设置的水箱1的温度进行调整，以保证热利用率β的计算准确性。

参照图2，在本申请的一个实施例中，处于安全考虑，还做保险设置，本申请还包括漏电检测机构，漏电检测机构包括：

电阻一R1，其一端作为Int端，以导线连接水箱1和/或支架13；

电阻二R2，其串联于电阻R1，且接地；

电流变送器15，其检测电阻一R1和电阻二R2的连接线上的电流（如：导线从变送器的检测孔穿过），输出端连接于总控模块14，用于输送漏电信号。

此时，总控模块14配置为：若接收有漏电信号，则控制加热管4中止工作。

根据上述设置，可以在加热管4加热部损坏、接线端故障导致漏电时及时发现，并及时停止其工作，即断电，以保障用户安全。

综上所述，本申请不用通过出水断电的方式避免漏电风险，所以可以更好的保证热水供应效果。以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种节能型储热式热水器，包括支架（13）、水箱（1）、加热机构以及用于整机控制的控制机构，其特征在于：还包括储热箱（2），所述储热箱（2）内灌注有储热介质；

所述加热机构包括加热管（4）和换热组件，所述加热管（4）设置于储热箱（2）内，所述换热组件包括灌注有绝缘的液态换热介质的换热管路（5）和用于驱使液态换热介质流动的驱动系统（7），所述换热管路（5）分两段且一段位于水箱（1）的内腔，另一段穿入储热箱（2），所述换热管路（5）的两段设置绝缘接头（6）连通；

所述控制机构包括总控模块（14）和温度传感器（9），所述温度传感器（9）至少为两个，且分别设置于水箱（1）和储热箱（2）中；

所述总控模块（14）电连接于加热管（4）和温度传感器（9），且配置为：基于预设的分时加热逻辑辨识当前设备环境，并在符合的预设储热场景控制加热管（4），令储热箱（2）内的储热介质升温至预设的高热阈值；

所述分时加热逻辑包括：

判断当前时间是否为预设的电价优惠时段，如果是，则判定触发预设的加热模式一，根据加热模式一对加热管（4）控制，且令储热箱（2）内的储热介质升温至高热阈值至少一次；

如果否，则判定触发预设的加热模式二，根据加热模式二对加热管（4）控制，且令储热箱（2）内的储热介质升温至常规储热阈值至少一次；

其中，高热阈值大于常规储热阈值；

所述加热模式一的升温起始触发温度为温度下限一，温度下限一小于高热阈值，且温度下限一大于常规储热阈值；

所述加热模式二的升温起始触发温度为温度下限二，且温度下限二小于常规储热阈值；

所述控制机构还包括电连接于总控模块（14）的流量计，所述流量计安装于水箱（1）预设的出水管；

所述总控模块（14）配置为：

获取流量计输出的反馈，并根据反馈判断是否处于用水状态，并记录流速v；

统计，生成用户用水时间记录表；

若当前流速v超过预设的峰值流速下限值，且持续时长大于预设的峰值时间下限值，则判定为用水高峰场景；

统计分析预设周期T内的用水高峰场景，认定出现频次最高的时间起始时间点为个性化时间节点；

执行预设的个性化升温逻辑，其包括：

在个性化时间节点前，触发加热模式一对加热管（4）控制，且令储热箱（2）内的储热介质升温直到高热阈值，当前时间为个性化时间节点时中止加热；

所述总控模块（14）配置为：

计算前一次执行加热模式一时从温度下限一升温至高热阈值的耗时，记为最新的储热耗时；

所述个性化升温逻辑定义为：令个性化时间节点-储热耗时=个性化升温逻辑的升温执行时间；

所述总控模块（14）配置为：

根据流速v和用户的用水时间，计算热水用量L1；

记录历次执行个性化升温逻辑后的热水用量L1；

基于预设的验证储热可转化热水量L2，计算热利用率β，热利用率β为热水用量L1与验证储热可转化热水量L2的比值；

若连续N次的热利用率β小于热利用率下限值，则令储热耗时=前一次的储热耗时-预设的单位调整时间t。

2.根据权利要求1所述的节能型储热式热水器，其特征在于，所述总控模块（14）配置为：

获取驱动系统（7）的工作触发温度w；

建立关系表，关系表记录不同水箱温度a时，对应的验证储热可转化热水量b；

令a=w，查找关系表得到b，令L2=b。

3.根据权利要求1所述的节能型储热式热水器，其特征在于：还包括漏电检测机构，所述漏电检测机构包括：

电阻一R1，其以导线连接水箱（1）和/或支架（13）；

电阻二R2，其串联于电阻一R1，且接地；

电流变送器（15），其检测电阻一R1和电阻二R2的连接线上的电流，输出端连接于总控模块（14），用于输送漏电信号；

所述总控模块（14）配置为：若接收有漏电信号，则控制加热管（4）中止工作。

4.根据权利要求1所述的节能型储热式热水器，其特征在于：所述水箱（1）上安装有安全阀（8），所述安全阀（8）连通水箱（1）的内腔和外界大气。

5.根据权利要求1所述的节能型储热式热水器，其特征在于：所述驱动系统（7）包括齿轮泵。

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