CN118168043B - 一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统。所述系统包括：由热水灶和加热设备组成的热水生成单元，由热水箱和与热水箱相连的供水回路组成的供水单元，由与热水箱相连的供暖回路和安装在供暖回路中的散热器组成的供暖单元，由控制器和与控制器相连的安装在各监测点的温度传感器和水位传感器以及安装在管路上的电控阀门组成的控制单元；控制器通过基于所述温度传感器和水位传感器的实时采集数据对所述电控阀门进行控制，实现供水、供暖的集成控制。本发明通过将热水灶的剩余热水用于供水、供暖，节约了能源；通过对供水、供暖进行集成控制，相对供水、供暖相互独立控制，可明显降低能耗。

Description

一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统

技术领域

本发明属于供热控制系统技术领域，具体涉及一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统。

背景技术

目前，学校、医院、酒店、宾馆等企事业单位同时具有供水（热水）、供热/暖和餐厨食堂需求，其供水系统与供热系统相对独立，能耗高，能源浪费大。且食堂中商用灶具热效率低，造成能量流失巨大。大量的中低温热量排放于食堂中，形成对人体健康产生极大危害的高温高湿环境，而且存在因灶具灼烫造成对人体的伤害以及高温尾气引起火灾等安全隐患。

有鉴于此，本发明提出一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，对商用灶具进行余热回收并与其他热水生产设备有机集成一体，实现供热供暖集成化控制，有利于降低能耗、节约成本。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，包括：由热水灶和加热设备组成的热水生成单元，由热水箱和与热水箱相连的供水回路组成的供水单元，由与热水箱相连的供暖回路和安装在供暖回路中的散热器组成的供暖单元，由控制器和与控制器相连的安装在各监测点的温度传感器和水位传感器以及安装在管路上的电控阀门组成的控制单元；加热设备的出水管和与热水灶内剩余热水连通的出水管均连接至热水箱，加热设备还通过进水管与热水箱连接，热水灶和热水箱均连接自来水；控制器通过基于所述温度传感器和水位传感器的实时采集数据对所述电控阀门进行控制，实现供水、供暖的集成控制。

进一步地，所述加热设备包括加热器和/或空气源热泵。

进一步地，所述供水回路包括与热水箱连接的第一水泵、与第一水泵连接的供水主管、由供水主管分出的多个供水支管、由每个供水支管分出的多个供水分管、安装在每个供水分管上的多个供水阀，所有供水分管的终端汇合成回水管与热水箱连接。

更进一步地，所述供暖回路包括与热水箱连接的第二水泵、与第二水泵连接的供暖主管、由供暖主管分出的多个供暖支管、由每个供暖支管分出的多个供暖分管，每个供暖分管的末端连接一个散热器，所有散热器的出水管汇合成回水管与热水箱连接。

更进一步地，所述温度传感器包括安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器、安装在热水箱中的第二温度传感器和安装在每个散热器所在房间的第三温度传感器。

更进一步地，所述电控阀门为电磁阀，包括分别安装在热水灶和加热设备进水管中的第一电磁阀和第二电磁阀、安装在热水箱连接自来水的管道中的第三电磁阀、安装在供水回路的回水管中的第四电磁阀以及安装在每个散热器进水管中的第五电磁阀。

更进一步地，热水箱恒温控制方法包括：

控制器实时获取安装在热水箱中的第二温度传感器输出的温度值；

若所述温度值低于设定的温度低值，控制器输出控制信号使第二电磁阀打开，热水箱中的水流入加热设备；控制器同时输出加热指令至加热设备，加热设备开始加热，加热后的水流入热水箱中；

当所述温度值达到设定的温度高值时，控制器输出控制信号使第二电磁阀断开，并输出停止加热指令至加热设备，使加热设备停止加热。

更进一步地，热水箱补水控制方法包括：

S1、控制器实时获取安装在热水箱中的水位传感器和第二温度传感器测得的水位值和温度值；

S2、判断所述水位值是否达到设定的水位低值，且所述温度值达到设定的温度高值，若否，等待；若是，转S3；

S3、控制器输出控制信号使第三电磁阀打开，接通自来水开始为热水箱补水；

S4、若所述温度值降低至设定的温度低值，控制器输出控制信号使第三电磁阀断开，停止补水，并对热水箱进行恒温控制，直到所述温度值达到设定的温度高值；

S5、判断所述水位值是否达到设定的水位高值，若否，转S3；若是，控制器输出控制信号使第三电磁阀断开，补水完毕。

更进一步地，供水回路的回水控制方法包括：

控制器实时获取安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器输出的温度值；

若所述温度值低于设定的回水温度低值，控制器输出控制信号使第四电磁阀打开，供水回路通过回水管向热水箱回水；

若所述温度值达到设定的回水温度高值，控制器输出控制信号使第四电磁阀断开，停止回水。

更进一步地，供暖控制方法包括：

控制器实时获取安装在每个房间的第三温度传感器输出的温度值，得到每个房间的室温，第i个房间的室温记为；

若小于第i个房间设定的室温低值，控制器向安装在第i个房间散热器进水管中的第五电磁阀输出占空比可调的PWM信号，PWM信号的占空比为：

；

式中，k(n)为第n个通断周期即当前通断周期PWM信号的占空比，为第n-1个通断周期即上一通断周期的室温，为调节起始时的室温，n=0,1,2,......，为设定室温；

不断调节占空比k，当小于设定阈值时，停止调节，并将占空比调至0，即断开所述第五电磁阀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置由热水灶和加热设备组成的热水生成单元，由热水箱和与热水箱相连的供水回路组成的供水单元，由与热水箱相连的供暖回路和安装在供暖回路中的散热器组成的供暖单元，由控制器和与控制器相连的安装在各监测点的温度传感器和水位传感器以及安装在管道上的电控阀门组成的控制单元，所述控制器通过基于所述温度传感器和水位传感器的实时采集数据对所述电控阀门进行控制，实现了供水、供暖的集成控制。本发明通过将热水灶的剩余热水用于供水、供暖，节约了能源；通过对供水、供暖进行集成控制，相对供水、供暖相互独立控制，可明显降低能耗。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统的结构框图，图中1-热水生成单元，2-供水单元，3-供暖单元，4-控制单元。

图2为本发明的另一实施例的结构框图。

图3为控制单元的组成框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统的结构框图，包括：由热水灶和加热设备组成的热水生成单元1，由热水箱和与热水箱相连的供水回路组成的供水单元2，由与热水箱相连的供暖回路和安装在供暖回路中的散热器组成的供暖单元3，由控制器和与控制器相连的安装在各监测点的温度传感器和水位传感器以及安装在管路上的电控阀门组成的控制单元4；加热设备的出水管和与热水灶内剩余热水连通的出水管均连接至热水箱，加热设备还通过进水管与热水箱连接，热水灶和热水箱均连接自来水；控制器通过基于所述温度传感器和水位传感器的实时采集数据对所述电控阀门进行控制，实现供水、供暖的集成控制。

本实施例中，所述系统主要由热水生成单元1、供水单元2、供暖单元3和控制单元4组成，如图1所示。下面分别对每个单元的技术原理进行说明。

热水生成单元1，主要用于产生供水单元2需要的热水。热水生成单元1主要由热水灶和加热设备组成，如图2所示。热水灶一般是配置在学校、医院、酒店、宾馆等企事业单位食堂的商用热水灶，在实际应用中经常出现大量剩余热水，造成能源浪费。为了节省能源，本实施例对所述剩余热水进行回收，将其用于供水单元2需要的热水。由于仅凭剩余热水无法满足供水、供暖需求，因此设置了加热设备，用于通过对注入供水单元2热水箱的自来水进行加热满足热水量的需求。当然，加热设备还用于在控制单元4作用下使热水保持在设定的温度范围内即恒温控制。

供水单元2，主要用于提供热水并为供暖单元3提供热源。供水单元2主要由热水箱和与热水箱相连的供水回路组成，如图2所示。供水回路主要由管路（水管）组成。热水箱与热水灶和加热设备的输出端（出水口）相连，用于存储由热水灶和加热设备输出的热水。为了使热水箱内的热水保持恒温，热水箱还设置了与加热设备输入端（进水口）连通的管路，将热水箱中的低温水导入加热设备中进行加热。当然，热水箱还连接自来水，用于当热水箱内水量不足时进行补水。热水箱还与供暖单元3的散热器连通，为散热器提供热水。

供暖单元3，主要用于在供暖季节为各房间供暖。供暖单元3主要由供暖回路和安装在供暖回路中的散热器（俗称暖气片）组成，如图2所示。供暖回路主要由各种管路（水管）组成。供暖单元3和供水单元2采用相同的热水源即热水箱，热水从热水箱中流出，通过供暖回路流入每个房间的散热器，从散热器的出水管流出汇合至回水管流回热水箱，从而实现为每个房间供暖。

控制单元4，属于电气控制系统，主要用于实现自动供水供暖控制。控制单元4主要由控制器、安装在各监测点的温度传感器和水位传感器以及安装在管路上的电控阀门组成，如图3所示。控制器是控制与数据处理中心，主要用于通过输出控制信号协调各模块的工作，并完成必要的数据处理任务。温度传感器用于测量监测点的水温或室温，水位传感器用于测量热水箱的水位高低。电控阀门是一种由电压信号控制其通断或开度的阀门，其控制端与控制器相连，用于在控制器作用下控制管路中水的通断或流量。电控阀门可采用可控制通断的电磁阀，也可采用开度可调的电动阀。控制器还与加热设备相连，用于向加热设备输出开始加热或停止加热的指令。所述控制器与温度传感器、水位传感器、电控阀门和加热设备之间，既可有线连接，也可无线连接；相距较远或布线困难时一般采用无线连接。

作为一可选实施例，所述加热设备包括加热器和/或空气源热泵。

本实施例给出了加热设备的技术方案。本实施例中，加热设备可采用各种加热器，也可采用空气源热泵或其它加热设备。

作为一可选实施例，所述供水回路包括与热水箱连接的第一水泵、与第一水泵连接的供水主管、由供水主管分出的多个供水支管、由每个供水支管分出的多个供水分管、安装在每个供水分管上的多个供水阀，所有供水分管的终端汇合成回水管与热水箱连接。

本实施例给出了供水回路的一种技术方案。如图2所示，供水回路包括供水主管、供水支管和供水分管，一个供水主管分出多个供水支管，一个供水支管分出多个供水分管，一个供水分管设置多个供水阀即水龙头（取水点）。为了提供足够的水压，在热水箱的出水口处设置一个水泵即第一水泵（图2中未画出）。供水回路采用同程同时原理设计，同程意即从供水主管到每一条供水分管直至回水终点路径相等；同时原理即各支路同温度的水同时到达回水终点。

作为一可选实施例，所述供暖回路包括与热水箱连接的第二水泵、与第二水泵连接的供暖主管、由供暖主管分出的多个供暖支管、由每个供暖支管分出的多个供暖分管，每个供暖分管的末端连接一个散热器，所有散热器的出水管汇合成回水管与热水箱连接。

本实施例给出了供暖回路的一种技术方案。如图2所示，供暖回路包括供暖主管、供暖支管和供暖分管，一个供暖主管分出多个供暖支管，一个供暖支管分出多个供暖分管，一个供暖分管连接一个散热器。当然，在热水箱的出水口处同样需要设置一个水泵即第二水泵（图2中未画出）。与供水回路一样，供暖回路采用同程同时原理设计。

作为一可选实施例，所述温度传感器包括安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器、安装在热水箱中的第二温度传感器和安装在每个散热器所在房间的第三温度传感器。

本实施例给出了温度传感器的一种分布方案。本实施例设置了三种温度传感器，一种是安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器，用于测量供水回水温度；一种是安装在热水箱中的第二温度传感器，用于测量热水箱中的热水水温。当热水箱体积较大时，可在不同位置设置多个第二温度传感器；最后一种是安装在每个散热器所在房间的第三温度传感器，用于测量对应房间的室温。

作为一可选实施例，所述电控阀门为电磁阀，包括分别安装在热水灶和加热设备进水管中的第一电磁阀和第二电磁阀、安装在热水箱连接自来水的管道中的第三电磁阀、安装在供水回路的回水管中的第四电磁阀以及安装在每个散热器进水管中的第五电磁阀。

本实施例给出了电控阀门的一种技术方案。本实施例的电控阀门采用电磁阀。本实施例设置了五种电磁阀，一种是安装在热水灶进水管中的第一电磁阀，用来控制向热水灶注入自来水的启停；一种是安装在加热设备进水管中的第二电磁阀，用来控制由热水箱向加热设备注水的启停；一种是安装在热水箱连接自来水的管道中的第三电磁阀，用来控制向热水箱注入自来水的启停；一种是安装在供水回路的回水管中的第四电磁阀，用来控制供水回路回水的启停；最后一种是安装在每个散热器进水管中的第五电磁阀，用来控制向散热器注水的启停。

作为一可选实施例，热水箱恒温控制方法包括：

控制器实时获取安装在热水箱中的第二温度传感器输出的温度值；

若所述温度值低于设定的温度低值，控制器输出控制信号使第二电磁阀打开，热水箱中的水流入加热设备；控制器同时输出加热指令至加热设备，加热设备开始加热，加热后的水流入热水箱中；

当所述温度值达到设定的温度高值时，控制器输出控制信号使第二电磁阀断开，并输出停止加热指令至加热设备，使加热设备停止加热。

本实施例给出了对热水箱进行恒温控制的一种技术方案。本实施例通过对热水箱进行恒温控制使热水箱水温保持在设定的温度低值和高值之间。恒温控制需要实时获取由安装在热水箱中的第二温度传感器输出的水箱温度值。热水箱在使用过程中箱内的水温会逐渐降低，当热水箱水温低于设定的温度低值时，控制器一方面输出控制信号使第二电磁阀打开，从而使热水箱中的温度较低的水流入加热设备；另一方面向加热设备发送加热指令，加热设备开始加热，加热后温度较高的水流入热水箱中；热水箱中的水温不断上升，当热水箱中的水温上升到设定的温度高值时，控制器输出控制信号使第二电磁阀断开，并向加热设备发送停止加热指令，使加热设备停止加热。

作为一可选实施例，热水箱补水控制方法包括：

S1、控制器实时获取安装在热水箱中的水位传感器和第二温度传感器测得的水位值和温度值；

S2、判断所述水位值是否达到设定的水位低值，且所述温度值达到设定的温度高值，若否，等待；若是，转S3；

S3、控制器输出控制信号使第三电磁阀打开，接通自来水开始为热水箱补水；

S4、若所述温度值降低至设定的温度低值，控制器输出控制信号使第三电磁阀断开，停止补水，并对热水箱进行恒温控制，直到所述温度值达到设定的温度高值；

S5、判断所述水位值是否达到设定的水位高值，若否，转S3；若是，控制器输出控制信号使第三电磁阀断开，补水完毕。

本实施例给出了对热水箱进行补水控制的一种技术方案。本实施例通过对热水箱进行补水控制使热水箱的水位保持在设定的水位低值和高值之间。补水控制需要实时获取热水箱内水位传感器输出的水位值和第二温度传感器输出的水温。获取水温是为了实现热水箱内热水的恒温控制，由于补水过程中水温不断下降，可能会下降到设定的水温低值。为了在补水过程不影响正常供水，当水温下降到水温低值时，停止补水，并开始进行恒温控制，直到水温上升至水温高值；然后再继续补水。重复上述过程，直到水位达到设定的水位高值。具体控制方法见步骤S1~S5，这里不再展开详细说明。

作为一可选实施例，供水回路的回水控制方法包括：

控制器实时获取安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器输出的温度值；

若所述温度值低于设定的回水温度低值，控制器输出控制信号使第四电磁阀打开，供水回路通过回水管向热水箱回水；

若所述温度值达到设定的回水温度高值，控制器输出控制信号使第四电磁阀断开，停止回水。

本实施例给出了对供水回路进行回水控制的一种技术方案。本实施例中，供水过程中回水通路并不是始终导通的，只有当回水管中的回水温度下降到设定的回水温度低值时，才打开安装在回水管中的第四电磁阀开始回水，使回水管中的回水温度上升，直到回水温度达到设定的回水温度高值，再断开第四电磁阀，停止回水。

作为一可选实施例，供暖控制方法包括：

控制器实时获取安装在每个房间的第三温度传感器输出的温度值，得到每个房间的室温，第i个房间的室温记为；

若小于第i个房间设定的室温低值，控制器向安装在第i个房间散热器进水管中的第五电磁阀输出占空比可调的PWM信号，PWM信号的占空比为：

；

式中，k(n)为第n个通断周期即当前通断周期PWM信号的占空比，为第n-1个通断周期即上一通断周期的室温，为调节起始时的室温，n=0,1,2,......，为设定室温；

不断调节占空比k，当小于设定阈值时，停止调节，并将占空比调至0，即断开所述第五电磁阀。

本实施例给出了进行供暖控制的一种技术方案。本实施例的供暖控制是使每个房间的室温保持在设定温度。本实施例通过控制散热器中热水的流量来调节室温。与现有技术采用开度连续可调的电动阀调节流量不同，本实施例采用只有通断两种状态的电磁阀，通过调节其通断比（或占空比）实现流量调节。具体地，当某个房间的室温小于设定的室温低值时，由控制器输出占空比可调的PWM信号至安装在散热器进水管中的第五电磁阀的控制端，在每个通断周期按（1）式改变PWM信号的占空比k。

根据（1）式，刚开始调节时（第一个通断周期n=1）的占空比，占空比k(1)取最大值1，流量最大，室温快速上升；随着室温的不断增大，设定室温与室温的差值逐渐减小，占空比k(n)也逐渐减小；当小于设定阈值时，即为0或近似为0，表明室温已达到或近似达到设定室温，这时将占空比k(n)设置为0，即断开第五电磁阀，完成室温调节。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，其特征在于，包括：由设置在企事业单位食堂的热水灶和加热设备组成的热水生成单元，由热水箱和与热水箱相连的供水回路组成的供水单元，由与热水箱相连的供暖回路和安装在供暖回路中的散热器组成的供暖单元，由控制器和与控制器相连的安装在各监测点的温度传感器和水位传感器以及安装在管路上的电控阀门组成的控制单元；加热设备的出水管和与热水灶内剩余热水连通的出水管均连接至热水箱，加热设备还通过进水管与热水箱连接，热水灶和热水箱均连接自来水；控制器通过基于所述温度传感器和水位传感器的实时采集数据对所述电控阀门进行控制，实现供水、供暖的集成控制；

所述温度传感器包括安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器、安装在热水箱中的第二温度传感器和安装在每个散热器所在房间的第三温度传感器；

所述电控阀门为电磁阀，包括分别安装在热水灶和加热设备进水管中的第一电磁阀和第二电磁阀、安装在热水箱连接自来水的管道中的第三电磁阀、安装在供水回路的回水管中的第四电磁阀以及安装在每个散热器进水管中的第五电磁阀；

热水箱恒温控制方法包括：

控制器实时获取安装在热水箱中的第二温度传感器输出的温度值；

若所述温度值低于设定的温度低值，控制器输出控制信号使第二电磁阀打开，热水箱中的水流入加热设备；控制器同时输出加热指令至加热设备，加热设备开始加热，加热后的水流入热水箱中；

当所述温度值达到设定的温度高值时，控制器输出控制信号使第二电磁阀断开，并输出停止加热指令至加热设备，使加热设备停止加热；

热水箱补水控制方法包括：

S1、控制器实时获取安装在热水箱中的水位传感器和第二温度传感器测得的水位值和温度值；

S2、判断所述水位值是否达到设定的水位低值，且所述温度值达到设定的温度高值，若否，等待；若是，转S3；

S3、控制器输出控制信号使第三电磁阀打开，接通自来水开始为热水箱补水；

S4、若所述温度值降低至设定的温度低值，控制器输出控制信号使第三电磁阀断开，停止补水，并对热水箱进行恒温控制，直到所述温度值达到设定的温度高值；

S5、判断所述水位值是否达到设定的水位高值，若否，转S3；若是，控制器输出控制信号使第三电磁阀断开，补水完毕；

供暖控制方法包括：

控制器实时获取安装在每个房间的第三温度传感器输出的温度值，得到每个房间的室温，第i个房间的室温记为；

若小于第i个房间设定的室温低值，控制器向安装在第i个房间散热器进水管中的第五电磁阀输出占空比可调的PWM信号，PWM信号的占空比为：

；

式中，k(n)为第n个通断周期即当前通断周期PWM信号的占空比，为第n-1个通断周期即上一通断周期的室温，为调节起始时的室温，n=0,1,2,......，为设定室温；

不断调节占空比k，当小于设定阈值时，停止调节，并将占空比调至0，即断开所述第五电磁阀。

2.根据权利要求1所述的基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，其特征在于，所述加热设备包括加热器和/或空气源热泵。

3.根据权利要求1所述的基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，其特征在于，所述供水回路包括与热水箱连接的第一水泵、与第一水泵连接的供水主管、由供水主管分出的多个供水支管、由每个供水支管分出的多个供水分管、安装在每个供水分管上的多个供水阀，所有供水分管的终端汇合成回水管与热水箱连接。

4.根据权利要求3所述的基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，其特征在于，所述供暖回路包括与热水箱连接的第二水泵、与第二水泵连接的供暖主管、由供暖主管分出的多个供暖支管、由每个供暖支管分出的多个供暖分管，每个供暖分管的末端连接一个散热器，所有散热器的出水管汇合成回水管与热水箱连接。

5.根据权利要求1所述的基于灶具余热回收的供水供暖集成控制系统，其特征在于，供水回路的回水控制方法包括：

控制器实时获取安装在供水回路的回水管中的第一温度传感器输出的温度值；

若所述温度值低于设定的回水温度低值，控制器输出控制信号使第四电磁阀打开，供水回路通过回水管向热水箱回水；

若所述温度值达到设定的回水温度高值，控制器输出控制信号使第四电磁阀断开，停止回水。