专利名称：适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于能源监测与控制技术领域，尤其涉及一种适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统。
背景技术：
电力系统实施削峰填谷的措施是因为电厂是全天候持续发电的，如果发出来的电不用掉，用于发电的能源就会浪费掉。一个发电厂发电能力通常是固定不变的，但是用电高峰通常在白天，造成白天电不够用，晚上则是低谷，有多余用不掉的电。针对此现象，如果能把一部分高峰负荷挪到晚上低谷期，从而利用晚上多余的电力，也就达到了节约能源的目的。对于使用空调调节室内温度的家庭而言，冬夏两季的供热与供暖质量的好坏对家庭生活产生重要的影响。以冬季为例，若选择M小时不间断供暖，虽然能够保证温度适宜，身体舒适，但供暖成本会很高，普通家庭难以承受；若选择分阶段供暖，又难以保证家人一定可以在进入家门的时候享受到温暖的热气。夏季制冷也有类似的情况发生。使用普通空调制热或者制冷，无法实现时间上的搬移。即白天开启空调产生的热量或者冷气无法保存到夜间。这就无法在保证住宅室内温度全天适宜的前提下，充分利用夜间低谷电价，为电网均衡用电负荷。
发明内容针对上述背景技术中描述的问题，本实用新型提供一种适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，用于克服目前使用的供暖供热系统存在的不足。为了实现上述目，本实用新型的技术方案是，一种适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述系统包括温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器、第三继电器、热泵、储水箱、电磁阀、太阳能热水器和地暖管道；其中，所述温度传感器与控制电路相连；所述定时器与控制电路相连；所述控制电路分别与温度传感器、定时器、第一继电器、第二继电器和第三继电器相连；所述第一继电器分别与控制电路和电磁阀相连；所述第二继电器分别与控制电路和热泵相连；所述第三继电器分别与控制电路和热泵相连；所述热泵分别与第二继电器、第三继电器和储水箱相连；所述电磁阀分别与第一继电器、太阳能热水器、地暖管道的出水口和地暖管道的入水口相连；所述太阳能热水器与电磁阀相连；所述地暖管道缠绕在储水箱内部，并贴在储水箱的内壁。[0017]所述温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器和第三继电器制作在同一个电路板上。所述控制电路包括显示屏。所述第一继电器为固态继电器，其型号为HFS32-12D-M0A2Z。所述第二继电器为固态继电器，其型号为HFS32-12D-M0A2Z。所述第三继电器为固态继电器，其型号为HFS32-12D-M0A2Z。所述电磁阀为二位二通常闭型电磁阀。本实用新型提供的系统可以实现普通空调制热或者制冷在实现时间上的搬移，进而可以实现将用电高峰需要使用的电量转移到用电低谷时间段使用；同时，该系统相比于普通空调，消耗的能源更低。
图1是本实用新型提供的空调系统结构图。图2是本实用新型提供的空调系统冬季运行二维示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。图1是本实用新型提供的空调系统结构图。本实用新型提供的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统包括温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器、第三继电器、热泵、储水箱、电磁阀、太阳能热水器和地暖管道。其中，温度传感器与控制电路相连，用于测量室内温度，并将测量结果发送至控制电路。定时器与控制电路相连，用于获取当前时间，并将当前时间发送至控制电路。控制电路分别与温度传感器、定时器、第一继电器、第二继电器和第三继电器相连，用于根据当前时间和当前室内温度，分别控制第一继电器、第二继电器或者第三继电器工作。第一继电器分别与控制电路和电磁阀相连，用于在控制电路的控制下，控制电磁阀的开启或者闭合。第二继电器分别与控制电路和热泵相连，用于在控制电路的控制下，控制热泵开始或者停止供热。第三继电器分别与控制电路和热泵相连，用于在控制电路的控制下，控制热泵开始或者停止制冷。温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器和第三继电器可以制作在同一个电路板上。该电路板由单片机(相当于控制电路，型号STC89C52)、温度传感器(型号DS18B20)、显示屏(型号LCD-1602)、三极管(型号8050)、继电器(型号HFS32-12D-240A2Z)、稳压电路(型号:L78M05ABD2T)以及晶振(型号:12M)等组成。整个电路由12V直流电供电，单片机所需要的工作电压是5V，继电器所需要的工作电压是12V。上述第一继电器、第二继电器和第三继电器为固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR)，是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器有三部分组成输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CM0S兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。我们之所以选择固态继电器，是因为它有着以下的优点，更好的切合了节能减排的思想高寿命，高可靠灵敏度高，控制功率小，快速转换，电磁干扰小。上述固态继电器可以采用型号为HFS32-12D-M0A2Z的固态继电器。该固态继电器上有四个引脚，低电平的两个引脚连接12V电压，高压侧连接220V外电路。由于单片机输出的电压最大为5V。所以我们运用模电知识，将5V电压进行了放大。运用在MultiSIM2001中的仿真电路，当用单片机给基级输出一个低电平时，三极管会导通，电流由集电极流进射级，继而使得继电器的两个引脚接通电源，电感线圈内部产生磁场，并控制后端接通220V电源。热泵分别与第二继电器、第三继电器和储水箱相连，用于对储水箱中的水供热或者制冷。热泵有如下优点节能效果显著，用电量只是电锅炉的1/4、柴油锅炉的1/3 ；加热方式完全不同于普通电加热，从根本上杜绝了普通电加热漏电、干烧等安全隐患，完全实现水电分离。热泵可以分为两种模式，加热模式用于在冬季加热储水箱和地暖管道中的水，制冷模式用于在夏季冷却储水箱和地冷管道中的水。电磁阀分别与第一继电器、太阳能热水器、地暖管道的出水口和地暖管道的入水口相连，电磁阀开启时，太阳能热水器和地暖管道形成循环系统，太阳能热水器中的热水通过地暖管道的入水口流入地暖管道，地暖管道中的凉水通过地暖管道的出水口流入太阳能热水器。电磁阀采用二位二通常闭型电磁阀，断电关闭，通电打开。采用顶尖式结构，自动密封补偿大延长该阀使用寿命产品为系列化生产，体积小，流量大，适用范围广密封件采用聚四氟乙烯材料(Teflon)，以适用不同流体的开关控制电压AC220VDC24V。电磁阀受第一继电器控制，控制太阳能热水器中热水是否接入地暖系统，由于只有在冬季12:00 16:00间电磁阀才打开，为了节约电能，选择常闭型电磁阀。太阳能热水器与电磁阀相连，用于在电磁阀的控制下，将自身的热水提供地暖管道。太阳能热水器采用160L缸体。太阳能热水器的体积一般是最少人均50L，三口之家一般选择160L以上为宜。太阳能热水器在本系统中有两处用途，夏季时，电磁阀常闭，热水不会流入地暖管道，用户可以通过水龙头使用。在冬季时，太阳能热水器在晴天可以通过吸收太阳光光能，在7:00 12:00将水箱内的温度提升到约60°C。地暖管道不同于暖气片，由于其散热面积大，故60°C的温水可以作为地暖管道的热补给水。因而12:00后电磁阀打开，使得太阳能热水器中热水流入地暖系统，实现供暖。在16:00以后，太阳光光能消失殆尽，这时电磁阀关闭，太阳能热水器中水温的下降不会影响到地暖管道的供热。整个系统确保了太阳能的最大利用。地暖管道缠绕在储水箱内部，并贴在储水箱的内壁，地暖管道是整个空调系统的散热部件，一般铺设在房屋的地板下方。通过调节地暖管道中的水温，实现室温的调节。地暖管道中的水的温度可以通过储水箱中的水的温度进行调节。为了实现更好的调温效果，地暖管道应当使用热传导效能较好的材料制成。同样地，储水箱也应当使用热传导效能较好的材料制成，比如金属等。储水箱具有储存加热或制冷后水源并对其进行保温的作用。当储水箱体积为单位体积一立方米时，经计算整个空调系统已经可以有较大量能源的节约。在一定范围内，随着储水箱体积的增大，夜间储存的调温水越多，空调系统在次日可以维持的时间就越长，可以节约更多的能源。依据目前大多数居民住房面积，本系统暂定储水箱体积为一立方米。需要说明的是，在白天，我们并不是将储水箱中的水释放到地暖管道中，因为那样的调温方式会使温度突变过大，不适宜人体居住。我们是通过储水箱加热回水管的方式，来实现对室内温度的提升，这样储水箱中的热可以缓慢的交换给地暖管道中的循环水，室内的温度可以保持长久的舒适。下面以夏季和冬季为例，进一步说明本实用型新提供的空调系统的具体使用方法。在夏季，根据室内温度和时间，做如下控制当时间为23 00-次日7 00时，并且室内温度T > 20°C时，控制电路控制第三继电器使热泵开始制冷，储冷并且为住宅制冷。当时间为23:00-次日7:00时，并且室内温度T < 20°C时，室内温度适宜，控制电
路控制第三继电器使热泵停止制冷。当时间为7:00-23:00时，并且室内温度T < 30°C时，控制电路控制第三继电器使热泵停止制冷，即在白天用电高峰期减少对热泵的使用，从而达到省电和错峰用电的目标。当时间为7:00-23:00时，并且室内温度T > 30°C，控制电路控制第三继电器使热泵工作，补充性制冷。图2是本实用新型提供的空调系统冬季运行二维示意图。图2中，在冬季，根据室内温度和时间，做如下控制当时间为23:00-次日7:00时，并且室内温度T <25°C，控制电路控制第二继电器使热泵工作加热，储热并且为住宅供暖。当时间为23:00-次日7:00时，并且室内温度T > 25°C，住宅温度适宜，控制电路
控制第二继电器使热泵停止供暖。当时间为7:00-23:00时，并且室内温度T > 15°C，控制电路控制第二继电器使热
泵停止供暖。当时间为7:00-23:00时，并且室内温度T > 15°C，控制电路控制第二继电器使热
泵工作，补充性供暖。当时间为12:00-16:00时，控制电路控制第一继电器使电磁阀打开，太阳能热水器中加热过的循环水自动流入地暖管道。本实用新型提供的空调系统无论从经济性还是供能效果，都优于普通空调。在经济性方面，以冬季为例，假设全天共使用30度电，电价在白天高峰时段(7:00-23:00)为0.48元/度，夜间低谷时段(23:00-次日7:00)为0.3元/度，则普通空调花费为Hl = 0.3X10+0. 48X20 = 12. 6元，而本实用新型提供的空调系统，由于白天供电高峰时段基本使用太阳能热水器供热，不会使用到热泵，因此其花费为H2 = 0.3X30 =9元。显然，本实用新型提供的空调系统比普通空调更经济。[0056]在供能效果上，以冬季供暖为例，传统供暖方式为暖气供暖，一天内暖气片中水温均值约为90°C。在此温度下，假设住宅保温系数(1-单位体积室内空气散失的能量/单位体积室内空气相对室外多出的能量)为0.7(目前国内住宅平均保温系数值)，由于水是不断流动的，室内单位体积空气所均摊的水的质量近似为一个暖气片组中水的质量，则有Q1 = CXMX (T1-T2) = 4. 3X 1000X30X (90-10) = 10320000Q' ！ = Q1XO. 7 = 10320000X0. 7 = 7224000其中，(^1为室内空气相对室外多出的能量(单位焦耳)，Q'工为室内空气散失的能量(单位焦耳)，C为水的比热容(单位焦耳/千克X摄氏度)，M为暖气片水的质量(单位千克)，T1为暖气片中的水的开始温度(单位摄氏度)，Τ2为暖气片中的水的终止温度(单位摄氏度)。本实用新型提供的空调系统，由于地暖管道中水也是不断流动的，室内单位体积空气所均摊的水的质量近似为室内地暖管道中的水量，则有Q2 = CXMX (Τ1-Τ2) = 4. 3X 1000X35X (60-10) = 7525000Q' 2 = Q2XO. 7 = 7525000X0. 7 = 526700其中，( 为室内空气相对室外多出的能量(单位焦耳)，Q' 2为室内空气散失的能量(单位焦耳)，C为水的比热容(单位焦耳/千克X摄氏度)，M为暖气片水的质量(单位千克)，τ 为地暖管道中的水的开始温度(单位摄氏度)，T2为地暖管道中的水的终止温度(单位摄氏度)。太阳能热水器可以在4小时内将100千克的水的温度从10摄氏度提升至60摄氏度，则有Q3 ^ 100X4. 2 X 1000 X (60-10) = 2100000将太阳能平均化，则有Q' 3 = Q3/100 = 210000Q4 = Q' 2-Q' 3 = 5057500其中，Q3是太阳能热水器产生的热量(单位焦耳)，Q' 3是太阳能平均化的结果(单位焦耳)，A是室内空气散失的能量(单位焦耳)。从中可以看出，本实用新型提供的空调系统散失的热量小于普通暖气片散失的热量。综上所述，本实用新型可以实现普通空调制热或者制冷在实现时间上的搬移，进而可以实现将用电高峰需要使用的电量转移到用电低谷时间段使用；同时，该系统相比于普通空调或暖气片，消耗的能源更低。以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求1.一种适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述系统包括温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器、第三继电器、热泵、储水箱、电磁阀、太阳能热水器和地暖管道；其中，所述温度传感器与控制电路相连；所述定时器与控制电路相连；所述控制电路分别与温度传感器、定时器、第一继电器、第二继电器和第三继电器相连；所述第一继电器分别与控制电路和电磁阀相连；所述第二继电器分别与控制电路和热泵相连；所述第三继电器分别与控制电路和热泵相连；所述热泵分别与第二继电器、第三继电器和储水箱相连；所述电磁阀分别与第一继电器、太阳能热水器、地暖管道的出水口和地暖管道的入水口相连；所述太阳能热水器与电磁阀相连；所述地暖管道缠绕在储水箱内部，并贴在储水箱的内壁。
2.根据权利要求1所述的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器和第三继电器制作在同一个电路板上。
3.根据权利要求1或2所述的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述控制电路包括显示屏。
4.根据权利要求1或2所述的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述第一继电器为固态继电器，其型号为HFS32-12D-M0A2Z。
5.根据权利要求1或2所述的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述第二继电器为固态继电器，其型号为HFS32-12D-M0A2Z。
6.根据权利要求1或2所述的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述第三继电器为固态继电器，其型号为HFS32-12D-M0A2Z。
7.根据权利要求1或2所述的适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，其特征是所述电磁阀为二位二通常闭型电磁阀。
专利摘要本实用新型公开了能源监测与控制技术领域中的一种适应峰谷阶梯电价的住宅空调系统，用于克服目前使用的供暖供热系统存在的不足。该系统包括温度传感器、定时器、控制电路、第一继电器、第二继电器、第三继电器、热泵、储水箱、电磁阀、太阳能热水器和地暖管道。本实用新型实现了普通空调制热或者制冷在实现时间上的搬移，进而可以实现将用电高峰需要使用的电量转移到用电低谷时间段使用；同时，该系统相比于普通空调，消耗的能源更低。
文档编号F25B49/00GK202304091SQ20112038044
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者高尚 申请人:华北电力大学