一种室内热水供水辅助加热装置、加热方法及计算机可读存储介质

1.本发明涉及一种室内热水供水辅助加热装置、加热方法及计算机可读存储介质，属于家居智能化技术领域。


背景技术：

2.家用热水器已经非常普及，主要是用途是洗澡、冬天的洗手洗碗和洗衣时使用热水，但是无论是燃气热水器或电热水器实际上都很难在水龙头处达到即开即热的体验，主要原因是热水器的出水口和水龙头之间还有一段不小的距离，因此每次使用热水，必须先放掉此段无法加热的部分，然后经热水器加热后的热水才能流出。
3.而为了解决这一问题，现有厂商研发出了厨宝这一产品，可以在临近水龙头的进水端再次加热水体。但现有的厨宝，其原理实际上也是一个小型的热水器，需要选定一个预设温度。在其水箱中储存的水始终被加热到此温度，而后在水龙头处仍需要使用者进行冷水进水和热水进水的比例分配，使冷水和厨宝中的热水进行混合，从而达到使用者想要达到的出水温度。
4.但这种厨宝需要始终加热其水箱中的水，以使水温始终保持在预设温度的附近，非常浪费能源，增加了用电消费。且一旦水龙头出水速度应使用者需要反复变化，而厨宝中储水不足，进入了实时加热过水的状态，那么使用者必须反复调整冷热水的进水比例才能达到其需求的问题，使用及其麻烦。


技术实现要素：

5.本发明基于上述问题，本发明提出了一种室内热水供水辅助加热装置、加热方法及计算机可读存储介质，能够根据预设温度和出水流量动态调整加热功率，使水龙头的出水温度恒定、节省电能消耗。
6.一种室内热水供水辅助加热装置，室内热水供水辅助加热装置包括控制板、继电器板、传感器模块和加热本体，传感器模块连接控制板，控制板连接继电器板，继电器板连接加热本体。
7.进一步的，室内热水供水辅助加热装置还包括数码显示屏、按钮模块和声光报警模块，按钮模块与控制板连接，控制板与数码显示屏和声光报警模块连接。
8.进一步的，按键设置模块包括功能按键单元和急停按键单元，其中，
9.功能按键单元，用于设置预设温度和温升；
10.急停按键单元，用于在室内热水供水辅助加热装置发生故障时，紧急关闭装置停止加热；
11.声光报警模块，用于在室内热水供水辅助加热装置发生故障时，闪烁灯光并报警。
12.进一步的，继电器板包括5个小型固态继电器，加热本体包括箱体和5个加热棒，5个小型固态继电器和5个加热棒一一对应连接设置，5个加热棒均匀设置在箱体内。
13.进一步的，每个加热棒的功率为500w，长度为150mm，外径为16mm。
14.进一步的，传感器模块包括流量检测模块、进水温度模块和出水温度模块，箱体包括入水口和出水口，流量监测模块和出水温度模块均安装在出水口处，进水温度模块安装在入水口处。
15.进一步的，室内热水供水辅助加热装置还包括ac/dc电源模块，ac/dc电源模块的输入端和固态继电器板外接220v市电，ac/dc电源模块的输出端连接控制板。
16.一种室内热水供水辅助加热装置的加热方法，基于上述的一种室内热水供水辅助加热装置，其特征在于，室内热水供水辅助加热装置的加热方法包括以下步骤：
17.s100、检测出水口的出水流量，设出水流量为lo，启用加热棒的数量为hc，判断是否满足lo＜0.51/min，若是，则停止加热，即hc＝0，并重新执行s100；否则，执行s200；
18.s200、读取目标温度tc、出水温度to和进水温度ti，判断是否满足tc-ti＞10，若是，则启动5个加热棒进行全面加热，即hc＝5，并返回s100；否则，执行s300；
19.s300、读取pid参数，计算ek＝tc(k)-to(k)，并读取e
k-1
和e
k-2
，
20.其中，tc(k)为第k次采样时出水温度目标设定值，to(k)为第k次采样时出水温度实际检测值，ek为第k次采样时目标设定值与实测值的偏差；
21.s400、通过δy＝kp(e
k-e
k-1
)+kiek+kd[(e
k-e
k-1
)-(e
k-1-e
k-2
)]计算得到δy，
[0022]
其中，e
k-1
和e
k-2
为第k-1次和k-2次采样时目标设定值与实测值的偏差；
[0023]
s500、判断是否满足δy＞0，若是，则执行s511；否则，执行s521；
[0024]
s511、判断是否满足hc＜5，若是，则增加一个加热棒，即hc
当前
＝hc+1，并返回s100；否则，直接返回s100；
[0025]
s521、判断是否满足hc＞0，若是，则减少一个加热棒，即hc
当前
＝hc-1，并返回s100；否则，直接返回s100。
[0026]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现上述的一种室内热水供水辅助加热装置的加热方法。
[0027]
本发明的有益效果：本发明所述的一种室内热水供水辅助加热装置、加热方法及计算机可读存储介质，当水龙头开启后，随着后续连接热水器的热水管道内的水温逐渐升高趋于稳定，本发明的装置就逐步退出加热最终停止加热。本发明仅在确定有出水流量的情况下，才启动加热程序，且能够根据出水口和进水口的水的温差，自行调整加热功率，从而在保证出水温度的同时，尽可能地节约能源，节省成本。
附图说明
[0028]
图1为一种室内热水供水辅助加热装置的系统结构图；
[0029]
图2为加热本体的结构示意图，其中，图2(a)为加热本体的正视剖面图；图2(b)为加热本体的侧视剖面图；
[0030]
图3为装置辅助加热控制流程图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0032]
一种室内热水供水辅助加热装置，室内热水供水辅助加热装置包括控制板、继电器板、传感器模块和加热本体，传感器模块连接控制板，控制板连接继电器板，继电器板连接加热本体。
[0033]
具体的，本发明的控制板内部存储有判断如何加热的执行方法，将传感器模块传入的数据代入到该执行方法内，并通过继电器板微调加热本体的加热功率，进而通过最小的功率实现最合适的加热效率。
[0034]
进一步的，室内热水供水辅助加热装置还包括数码显示屏、按钮模块和声光报警模块，按钮模块与控制板连接，控制板与数码显示屏和声光报警模块连接。
[0035]
进一步的，按键设置模块包括功能按键单元和急停按键单元，其中，
[0036]
功能按键单元，用于设置预设温度和温升；
[0037]
急停按键单元，用于在室内热水供水辅助加热装置发生故障时，紧急关闭装置停止加热；
[0038]
声光报警模块，用于在室内热水供水辅助加热装置发生故障时，闪烁灯光并报警。
[0039]
具体的，本发明为安装在热水管出水端，即水龙头之前处的一种智能化的热水供水辅助加热装置，该装置可将热水管道内的低温冷水在流出水龙头之前进行辅助加热，当水龙头开启后，随着后续热水管道内的水温逐渐升高趋于稳定，该装置就逐步减小加热功率，最终停止加热，以实现水龙头处水温恒定，水温平稳过渡。本装置也可以用于对热水供水管道中水温不稳定偏低时的辅助加热，实现安全可靠、易于安装和低成本的优点。
[0040]
装置中的流量传感模块用于监测是否有水流通过该装置，正常情况当阀门打开且管道里面有压力水流出的时候该模块才有信号输出到单片机，同时如果出水温度未达到预设值时就会启动加热系统进行辅助加热。当出水温度达到预设值时停止加热，如果装置本身自检出现问题则产生声光报警。
[0041]
进一步的，参照图2所示，继电器板包括5个小型固态继电器，加热本体包括箱体和5个加热棒，5个小型固态继电器和5个加热棒一一对应连接设置，5个加热棒均匀设置在箱体内。
[0042]
具体的，为了实现高效辅助加热，将箱体设置为一种长方体型箱体，该箱体可采用厚度为1mm的不锈钢板焊接而成，如下图2所示，按图所示方向安装并保持水平后固定，从箱体底部进水从箱体顶部出水，在顶部出水管接口处安装水流量检测模块，当水流量检测模块有信号输出时，可以推测出此时长方体内部已经充满水，这样做的目的是可以防止在加热中不出现干烧的情况。
[0043]
在长方体箱体的两侧相应位置钻孔以方便插入和固定加热棒并实现良好的密封，具体的位置可以通过下图的侧视图看到，这样做的目的是将所有加热棒均匀的分布在水流的路径中方便高效的加热。此外为了实现灵活的加热控制，在装置进水管和出水管处放置了进水温度模块和出水温度模块，具体安装位置见下图所示，以便实现精确的温度测量。
[0044]
进一步的，每个加热棒的功率为500w，长度为150mm，外径为16mm。
[0045]
具体的，装置的加热系统采用五个分别可独立控制的加热棒，本实施例中，控制板采用单片机，单片机通过某一个小型固态继电器来驱动控制某一个加热棒进行加热和停止
加热。根据在某一时刻采样的水流量、进水温度和出水温度综合分析决定该时刻具体采用几个加热棒进行加热或停止加热。
[0046]
进一步的，传感器模块包括流量检测模块、进水温度模块和出水温度模块，箱体包括入水口和出水口，流量监测模块和出水温度模块均安装在出水口处，进水温度模块安装在入水口处。
[0047]
进一步的，室内热水供水辅助加热装置还包括ac/dc电源模块，ac/dc电源模块的输入端和固态继电器板外接220v市电，ac/dc电源模块的输出端连接控制板。
[0048]
具体的，辅助加热装置整体布置示意图如下图1所示，分为控制板、继电器板和加热本体三部分，其中为了提高系统的可靠性和抗干扰，控制板和继电器板可单独安装在一起。控制板上设置有紧急停止加热按键，就是考虑到系统故障时可以紧急关闭系统停止加热。控制板通过输出控制继电器开闭的信号线与继电器板相连，继电器板包含5个具有隔离作用的小型固态继电器，每一个继电器独立输出控制一个加热棒，整个系统外部输入220v交流电，控制板所需的直流电由ac/dc模块转换完成。
[0049]
水的加热方法本装置采用多个电热棒组合加热，这样做的优点是加热器件成本低、安全可靠和易于实现加热过程中的加热功率的调整与控制。本加热装置是在满足常规的洗手洗澡所需流量的前提下将热水管内的冷水加热至设定温度或设定温升，其中在能够满足即开即热的用水体验的情况下，设定温度是指在通过装置按键设定的热水器出水温度值，设定温升是考虑到冬天需加热冷水温度偏低的情况下将冷水温度提升一个固定值，本装置最大可设定值为提升10℃。实际加热控制中优先满足设定温度，极端情况下水温较低启动加热无法立即达到设定温度时可以先控制达到设定温升。
[0050]
通常我们洗手或洗澡时所需的热水初始流量为2-4l/min即可满足要求，按3l/min水流量计算，使得在这个流量下通过加热能够达到10℃温度提升，所需加热量q按下面公式计算。
[0051]
q1＝c
×m×
δt
[0052]
其中：
[0053]
q1：加热量，单位kj(千焦)；
[0054]
c：水的比热，标准状况下可取值4.2kj/kg*k；
[0055]
m：水的质量，单位kg；
[0056]
δt：水的温升，按10℃计算。
[0057]
所以3l/min流量下，每分钟所需的加热量q为q1＝4.2
×3×
10＝126kj，
[0058]
通过电热棒加热获得热能可以用以下公式获得q2＝η
×k×
p
×
t，
[0059]
其中：
[0060]
q2：电能转换的热量，单位kj(千焦)；
[0061]
η：电能热能转换效率，本装置取0.9；
[0062]
k：电能/热能转换系数，3600kj/kwh；
[0063]
p：加热棒总功率；
[0064]
t：3l/min流量下，加热时间为1分钟，即1/60小时。
[0065]
另q1＝q2，可得p＝2.3kw，取p＝2.5kw，具体到加热装置中选用5支每支功率为500w的加热棒(长度为150mm，外径为16mm)共2.5kw加热功率，在满足加热总功率的基础上
可以方便实现具体某一个时间点的加热功率的调整与控制。
[0066]
由于本装置是否需要投用根据出水流量来确定，正常当有人打开阀门的时候就会有水流量，说明此时有人在使用这个时候才需要投用，但是当这个流量太小时(小于0.5l/min时)如非正常操作阀门或阀门泄漏时不能投用。本装置的目的是实现即开即热的使用体验，当进水温度和设定温度相差比较大时需要首先进行为全面加热，以便能在最短的时间内达到提升水温的效果，在此基础上进行出水温度的精确控制。
[0067]
排除上述的一些特殊情况，正常的加热控制采用pid控制方法，这里被控对象实际上就是出水温度，传递函数如下公式(1)所示：
[0068][0069]
将以上公式的参数经过调试和优化分析后转换成pid的控制参数后，比例参数kp＝4.8，积分参数ki＝0.1，微分参数kd＝2.2，具体的pid控制如图3所示，为了实现精确控制采用五个加热棒的五级加热方法。
[0070]
参照图3所示，一种室内热水供水辅助加热装置的加热方法，基于上述的一种室内热水供水辅助加热装置，其特征在于，室内热水供水辅助加热装置的加热方法包括以下步骤：
[0071]
s100、检测出水口的出水流量，设出水流量为lo，启用加热棒的数量为hc，判断是否满足lo＜0.51/min，若是，则停止加热，即hc＝0，并重新执行s100；否则，执行s200；
[0072]
s200、读取目标温度tc、出水温度to和进水温度ti，判断是否满足tc-ti＞10，若是，则启动5个加热棒进行全面加热，即hc＝5，并返回s100；否则，执行s300；
[0073]
s300、读取pid参数，计算ek＝tc(k)-to(k)，并读取e
k-1
和e
k-2
，
[0074]
其中，tc(k)为第k次采样时出水温度目标设定值，to(k)为第k次采样时出水温度实际检测值，ek为第k次采样时目标设定值与实测值的偏差；
[0075]
s400、通过δy＝kp(e
k-e
k-1
)+kiek+kd[(e
k-e
k-1
)-(e
k-1-e
k-2
)]计算得到δy，
[0076]
其中，e
k-1
和e
k-2
为第k-1次和k-2次采样时目标设定值与实测值的偏差；
[0077]
s500、判断是否满足δy＞0，若是，则执行s511；否则，执行s521；
[0078]
s511、判断是否满足hc＜5，若是，则增加一个加热棒，即hc
当前
＝hc+1，并返回s100；否则，直接返回s100；
[0079]
s521、判断是否满足hc＞0，若是，则减少一个加热棒，即hc
当前
＝hc-1，并返回s100；否则，直接返回s100。
[0080]
具体的，本发明的系统工作时，按照固定的周期连续进行数据实时采样，采样周期可选200ms。
[0081]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现上述的一种室内热水供水辅助加热装置的加热方法。
[0082]
具体的，辅助加热装置整体布置示意图如下图1所示，其中为了提高系统的可靠性和抗干扰，控制板和继电器板可单独安装在一起。控制板上设置有按钮模块，按钮模块中设置有紧急停止加热按键，就是考虑到系统故障时可以紧急关闭系统停止加热。控制板通过输出控制继电器开闭的信号线与继电器板相连，继电器板包含5个具有隔离作用的小型固态继电器，每一个继电器独立输出控制一个加热棒，整个系统外部输入220v交流电，控制板
所需的直流电由ac/dc模块转换完成。