一种基于建筑物理建模的新型智能控制节能浴霸的制作方法

本实用新型涉及浴霸控制技术领域，具体涉及一种基于建筑物理建模的新型智能控制节能浴霸。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，卫浴家族之一浴霸已经逐步走进了我们的日常生活。自1993年奥普推出了中国第一台集照明取暖换气三功能为一体的浴霸产品,整个行业浴霸的功能除个别产品增加负离子、吹风等可有可无的功能外基本没有实质突破。进入2000年后浴霸新品的特点都是集中在浴霸面板变化上。所以在市场上经常可以看到某些品牌某一款式同另一款式结构配置功能完全一样，仅面罩不同。

目前浴霸行业除奥普等极少数企业有自主研发外，其他企业基本靠面罩的简单模仿或贴牌过日子。产品多停留在中低档在外观上，功能上的大同小异。

浴霸市场相对还不成熟，但在快速普及的同时，家用浴霸也面临着能耗大，安全性堪忧等问题。为此本文设计了一种基于51单片机、温度传感器DS18B20以及湿度传感器DHT11的闭环微机反馈控制电路，通过该电路，可以在浴室温度达到用户设定温度值时自动进入相应的保温状态；同时，当浴室湿度过高时，及时控制排气扇通风，既保证了浴室用电器的安全运行，减少了设备更换的频率，同时也更好的保证了沐浴者的人身安全。

技术实现要素：

为了有效提高浴霸这款家用电器的能量利用效率，在满足用户对浴室温度需求的前提下尽可能的使浴霸产品更加的节能安全，本实用新型提供了一种将传感器实时监测，单片机智能处理以及物理模型合理算法相融合，进而在满足用户对室内温度需要以及浴室安全用电的情况下，尽可能使浴霸更加的节能安全的新型智能控制节能浴霸。

本实用新型目的通过采用以下技术方案实现。

一种基于建筑物理建模的新型智能控制节能浴霸，其包括控制电路和浴霸原有的电器部件；其中控制电路包括51单片机控制电路、温度传感检测电路和湿度传感检测电路、继电器智能控制电路以及信息显示电路和操作电路；所述浴霸原有的电器部件包括加热灯和排气扇；控制电路通过基于建筑物理建模的浴室散热模型来计算浴室散热情况进而实现加热灯开启数量的智能控制。

进一步地，所述的加热灯采用多只加热灯泡，增强了浴霸的可调节性；同时加热灯以及排气扇的两条电源线各自通过串联一个继电器与单片机相连，单片机控制继电器的开断情况，进而控制加热灯和排气扇的开启和关闭这两个工作状态。

进一步地，所述温度传感检测电路通过温度传感器DS18B20精确地测量出浴室内的温度并传送温度数据给单片机，单片机再根据浴室散热模型得到的计算数据以及用户设定的预期温度，自动计算得到应当开启的加热灯的数量，并控制加热灯进入相应的工作状态。

进一步地，所述湿度传感检测电路通过湿度传感器DHT11精确地测量出浴室内的湿度，单片机根据接收到的湿度数据来控制与排气扇的电源线串联的继电器的工作状态；当浴室湿度设定值(如85％)时自动开启排气扇，浴室湿度小于设定值(如75％时)时自动关闭排气扇，合理又节能地保证浴室内空气湿度维持在一个安全的水平。

进一步地，所述信息显示电路中的LCD1602液晶显示屏直接与51单片机连接，读取储存在单片机内部的室内温度和室内湿度数据并进行显示；与单片机直接相连的设置按键让用户能够进行预期温度的设定，方便用户对室内温湿度信息的获取和对预期室内温度的设定。

进一步地，所述的浴室散热模型是根据建筑物理学中墙体散热的模型计算公式K＝1/(Ri+Re+∑R)(传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1s内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/(平方米·度)(W/㎡·K)；在内表面，称为内表面换热阻(Ri)；在外表面，称为外表面换热阻(Re)。具体数值可按《民用建筑热工设计规范》(GB50176)取用。在一般情况下，外围护结构的内表面换热阻可取Ri＝0.11㎡·K/W,外表面换热阻可取Re＝0.04㎡·K/W(冬季状况)或0.05㎡·K/W(夏季状况))，来建立的，最终的浴室散热模型为：

沐浴间由三面墙体与一面玻璃门组成，其中一面墙体带有玻璃窗，其余部分均为砖墙，参数设置如下：墙体长度L(m)：外墙长度＝La，侧墙长度＝Lb，玻璃窗长度＝Lc，玻璃窗宽度＝Ld，玻璃门长度＝Le；热桥第一部位1长度＝L1，热桥第二部位2长度＝L2；墙体高度h(m)：外(侧)墙高度＝玻璃门高度＝h；厚度δ(m)：墙体厚度＝δ1，热桥厚度＝δ2，墙上贴有瓷片厚度＝δ3；材料的导热系数λ(指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K，℃)，在1秒钟内(1S)(非1H，1小时内)，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度(W/(m·K))分别为：砖墙导热系数＝λ1，热桥导热系数＝λ2，瓷片导热系数＝λ3；门窗的传热系数＝Kt，单位为W/(m²·K)。

热阻R＝δ/(λ*b)，b为修正系数，一般取1，故R＝δ/λ；通常一个外保温构造会有多种材料构成，需分别计算所有材料层的热阻后，以K＝1/(Ri+Re+∑R)计算传热系数，取Ri+Re＝0.15，则K＝1/(∑R+0.15)；

根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)吉林省实施细则》附录E外墙的平均传热系数的计算公式为：Km＝(Kp*Fp+KB1*FB1+KB2*FB2+…+KBn*FBn)/(Fp+FB1+FB2+…+FBn)；

式中:Km——外墙的平均传热系数(W/m2K)；

Kp——外墙主体部位的传热系数(W/m2K)；

KB1、KB2、KBn——外墙周边各热桥部位的传热系数(W/m2K)；

Fp——外墙主体部位的面积(m2)；

FB1、FB2、FBn——外墙周边各部位的面积(m2)。

故：外墙主体部位的传热系数Kp＝1/(0.15+δ1/λ1+δ3/λ3)，

外墙周边各热桥部位的传热系数KB1＝KB2＝KB＝1/(0.15+δ2/λ2)，

外墙主体面积：Fp＝((La-2L1)*(h-L2))-Lc*Ld

热桥第一部位1面积：FB1＝2L1*h

热桥第二部位2面积:FB2＝(La-2L1)*L2

窗户面积：FB3＝Lc*Ld

玻璃门面积：Le*h

单面侧墙主体面积：Fp＝(Lb-δ2)*h；

并将计算得到的数据作为依据控制加热灯开启的数量，做到在最大程度满足使用者对室内温度的需求的前提下，尽可能少开加热灯以达到节约电能的目标。

进一步地，一种基于建筑物理建模的新型智能控制节能浴霸的控制方法，其包括以下三个部分：

A、建筑物理模型的建立和计算

S1:设置沐浴间模型参数：墙体长度L(m)：外墙长度＝La，侧墙长度＝Lb，玻璃窗长度＝Lc，玻璃窗宽度＝Ld，玻璃门长度＝Le,热桥第一部位1长度＝L1，热桥第二部位2长度＝L2；墙体高度h(m)：外(侧)墙高度＝玻璃门高度＝h；厚度δ(mm)：墙体厚度＝δ1，热桥厚度＝δ2，墙上贴有瓷片厚度＝δ3；砖墙导热系数＝λ1，热桥导热系数＝λ2，瓷片导热系数＝λ3；门窗的传热系数Kt；热阻R＝δ/λ；

S2:将参数代入传热系数计算公式K＝1/(Ri+Re+∑R)，分别计算墙体不同部位的传热系数，并根据式子Km＝(Kp*FB+KB1*FB1+KB2*FB2+…+KBn*FBn)/(Fp+FB1+FB2+…+FBn)计算墙体的平均传热系数；

S3:将传热系数代入散热量计算公式Q＝K*F*ΔT(Q为室内向室外传的热量，K为墙体平均传热系数，单位是W/㎡·K，F为传热面积，单位是㎡，ΔT为室内室外温度差，单位是℃)，计算向外传输热量；

S4:取已知功率的浴霸灯泡，在设定的室内温度值下，由热量守恒式Q*Δt＝P*Δt，计算要保持室内温度恒定，需要打开的浴霸灯泡个数，并与灯泡全开的情况比较，计算节约的电能；

B、温度智能化控制

S1、接通电源后，温度传感器进行预热，预热结束后，温度传感器向单片机发送一个温度数据，并保存在单片机内部存储空间内；

S2、单片机根据事先通过上述的浴室散热模型得出的计算结果进行温度控制；当室内温度低于用户设定温度时，加热灯全开；当室内温度高于或等于用户设定温度时，开启相应的保温模式；

S3、单片机将用户设定温度和浴室实际温度显示在信息显示电路的液晶显示屏上，以方便用户了解室内温度；

S4、重复S1-S3的过程，在此过程中如果检测到用户通过操作电路对设定温度进行设定，则根据设定的温度转换为对应的控制模式，并把用户新设定的温度在液晶显示屏上进行更新；

C、湿度智能化控制

S1、接通电源后，湿度传感器进行预热，预热结束后，湿度传感器向单片机发送一个湿度数据，并保存在单片机内部的储存空间内；

S2、单片机进行湿度控制，当室内湿度大于最大设定值时，单片机通过接通光耦继电器模块开启排气扇，降低室内湿度；当室内湿度低于最小设定值时，关闭排气扇，以节约能源消耗；当湿度处于最小设定值和最大设定值之间时，排气扇保持原来的工作状态；

S3、单片机将浴室实际湿度在液晶显示屏上，以方便用户了解室内湿度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

更强的可调节性：传统的浴霸普遍采取4个加热灯泡进行取暖，其可调节性较差。为了改善这一情况，本实用新型可采用了8个加热灯泡的设计，通过采用150W小功率灯泡替换原本的275W大功率灯泡，使得浴霸产品在同样的发热功率下具有更强的可调节性，进而为本作品的节能设计奠定了基础。

安全的湿度控制系统：浴室是家庭中最潮湿的一个空间，通常湿度就在70～80％上下，沐浴时高达100％。而浴霸在运行时由于功率较大，当湿度在90％以上时大功率用电器容易发生短路。相比于普通型浴霸，本实用新型设计的浴霸可以通过检测室内湿度，智能控制排风扇进而调节浴室内部空间的湿度，避免意外发生。

节能的温度控制系统：相比传统浴霸不具有自动的温度控制能力，本实用新型通过用户设定温度值的方式，当浴室温度达到用户设定温度时自动进入相应的保温状态，一方面满足了用户对于洗浴温度的要求，另一方面也达到了节约能源的目的，紧扣节能减排的主题。

附图说明

图1为新型节能浴霸的面板布置图。

图2为新型节能浴霸的结构图。

图3为新型节能浴霸的控制流程图。

图4为浴室模型外墙平面示意图

图5为浴室模型俯视图

图6为浴室模型侧墙平面示意图

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此，需指出的是，本实用新型的关键在于对结构及连接关系提出的技术方案，以下实例若涉及控制程序部分，是本领域技术人可以根据现有技术编程实现的。

一种基于建筑物理建模的新型智能控制节能浴霸，包括控制电路和浴霸原有的电器部件；其中控制电路包括51单片机控制电路、温度和湿度传感检测电路、继电器智能控制电路以及信息显示电路和操作电路；而浴霸原有的电器部件包括加热灯和排气扇；其算法控制部分主要内容为通过建筑物理学建立适当的浴室散热模型来计算浴室散热情况进而实现加热灯开启数量的智能控制。

图1为节能浴霸的面板布置图，其中在浴霸面板上分布着8个加热灯泡和1个排气扇；更进一步的，所述的浴霸加热灯采用8只150W加热灯泡来替代市面上常用的4只300W加热灯泡模式，增强了浴霸的可调节性；

图2为节能浴霸的结构图，其主要包括控制电路和浴霸部分；其中控制电路主要包括温度传感器、湿度传感器、单片机电路、光耦继电器、lcd液晶屏、按键电路以及写在单片机内部的建筑物理模型算法；而浴霸部分包括加热灯和排气扇，二者的两根电源线通过串联光耦继电器实现与单片机的连接，单片机可以通过控制继电器的工作状态间接地控制加热灯和排气扇的开启和关闭状态。

图3为节能浴霸的控制流程图，其包括手动控制和智能化自动控制两种运行模式；当用户选择手动控制模式时，此时加热灯全部开启，排气扇也正常工作；当用户选择智能化自动控制模式时，对于温度控制电路，在室内温度达到用户设定温度之前，加热灯全部工作，使室内温度尽快上升，当室内温度达到用户设定温度时，单片机电路根据事先通过建筑物理模型编写的算法来控制继电器的工作状态，进而控制加热灯工作的个数，这样既能保证室内温度的恒定，又能尽可能的节约能源；而湿度控制电路则是在浴室湿度大于85％时，单片机通过控制继电器的工作状态，进而使排气扇进入工作状态，使室内湿度下降保证用电器的使用安全，同时当浴室湿度小于75％时，单片机通过总之继电器的工作状态，进而关闭排气扇，以达到节能的效果，当浴室湿度在75％-85％之间时，排气扇保持原来的工作状态不变。

所述的温度控制电路通过温度传感器DS18B20精确地测量出浴室内的温度，再根据浴室物理模型得到的计算数据以及用户设定的预期温度，自动计算得到应当开启的加热灯的数量，同时根据单片机内部实现编写好的程序控制加热灯进入相应的工作状态。

更进一步的，温度传感器DS18B20的DQ口与单片机的IO直接连接，通过事先在stc89c51单片机中写入相应的读取控制程序来实现对温度的智能控制；

所述的湿度控制电路通过湿度传感器DHT11精确地测量出浴室内的湿度，通过单片机实现编写好的程序来控制与排气扇的电源线串联的继电器的工作状态；当浴室湿度＞85％时自动开启排气扇，浴室湿度＜75％时自动关闭排气扇，合理又节能地保证浴室内空气湿度维持在一个安全的水平。

更进一步的，湿度传感器的DATA口与单片机的IO直接连接，通过事先在stc89c51单片机中写入相应的读取控制程序来实现对湿度的智能控制；

所述的LCD1602液晶显示屏直接与51单片机连接，可以读取储存在单片机内部的室内温度和室内湿度数据，并将其以用户易懂的形式显示在液晶屏上。同时与单片机直接相连的设置按键也让用户能够简单地进行预期温度的设定，方便用户对室内温湿度信息的获取和对预期室内温度的设定。

所述的建筑物理模型是根据建筑物理学中关于墙体散热的模型计算公式K＝1/(Ri+Re+∑R)，通过建立合理的浴室模型来计算浴室的散热情况。并将计算得到的数据作为依据控制加热灯开启的数量，做到在最大程度满足使用者对室内温度的需求的前提下，尽可能少开加热灯以达到节约电能的目标。

上述基于建筑物理建模的新型智能控制节能浴霸的控制方法，所述方法包括以下三个部分：

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，此处举模型算法案例对本实用新型中的建筑物理模型算法进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本实用新型的建筑物理模型算法，并不用与限定本实用新型。

图4为浴室模型外墙平面示意图，图5为浴室模型俯视图，图6为浴室模型侧墙平面示意图，本具体实施案例所用的浴室模型的相关物理量以及具体参数已经在附图中标出。

A、建筑物理模型的建立和计算

S1:设置沐浴间模型参数；

设沐浴间开间长La＝2.3m，宽Lb＝2.3m，层高h＝2.7m，沐浴间由三面墙体(La＝2.3m,Lb＝2.3m，h＝2.7m)与一面玻璃门(Le＝1.82m，h＝2.7m)组成，其中一面外墙带有玻璃窗3(Lc＝0.8m,Ld＝0.6m)，热桥第一部位1长度L1＝0.24m，热桥第二部位2长度L2＝0.3m；墙体厚度δ1＝0.24m，钢筋混凝土(热桥)厚度δ2＝0.24m，墙上贴有厚度为δ3＝0.05m的瓷片4；墙体总面积为：2.7m*2.3m*4＝24.84m²；

其中导热系数λ(w/(m*k))：砖墙导热系数λ1：0.81；钢筋混凝土(热桥)导热系数λ2：1.74；氧化铝陶瓷导热系数λ3：32；

S2:将参数代入传热系数计算公式K＝1/(Ri+Re+∑R)，并对墙体计算平均传热系数；

根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)吉林省实施细则》附录E外墙的平均传热系数的计算公式为：

Km＝(Kp*FB+KB1*FB1+KB2*FB2+…+KBn*FBn)/(Fp+FB1+FB2+…+FBn)；

式中:Km——外墙的平均传热系数(W/m2K)；

Kp——外墙主体部位的传热系数(W/m2K)；

KB1、KB2、KBn——外墙周边各热桥部位的传热系数(W/m2K)；

Fp——外墙主体部位的面积(m2)；

FB1、FB2、FBn——外墙周边各部位的面积(m2)。

热阻R＝δ/(λ*b)，b为修正系数，一般取1，故R＝δ/λ；通常一个外保温构造会有多种材料构成，需分别计算所有材料层的热阻后，以K＝1/(Ri+Re+∑R)计算传热系数，取Ri+Re＝0.15，则K＝1/(∑R+0.15)；

现在开始对带窗户的外墙、玻璃门侧、两面侧墙以及浴室整体进行传热系数计算：

1)带窗户的外墙的平均传热系数计算(以下每个字母或者变量都需说明其含义，例如Kp、Fp……)(外墙平面示意图如图4所示)：

主体部位：

Kp＝1/(0.15+0.24/0.81+0.05/32)＝2.233W/(m²·K)

Kp为外墙砖墙(不包括热桥与窗户)的传热系数

Fp＝【(2.3-2*0.24)*(2.7-0.3)】-0.8*0.6＝3.888m²

Fp为外墙砖墙面积

热桥部位：

KB1＝1/(0.15+0.24/1.74)＝3.473W/(m²·K)

KB1为外墙热桥第一部位1的传热系数

FB1＝2*2.7*0.24＝1.296m²

FB1为外墙热桥第一部位1面积

KB2＝1/(0.15+0.24/1.74)＝3.473W/(m²·K)

KB2为外墙热桥第二部位2的传热系数

FB2＝(2.3-2*0.24)*0.3＝0.546m2

FB2为外墙热桥第二部位2面积

KB3＝Kt＝3.18W/(m²·K)

KB3为该窗户散热系数，由表1可取为Kt＝3.18W/(m²·K)

FB3＝0.8*0.6＝0.48m²

FB3为窗户面积

外墙平均传热系数：

Km1＝(Kp*Fp+KB1*FB1+KB2*FB2+KB3*FB3)/(Fp+FB1+FB2+FB3)＝2.674W/(m²·K)

Km1为外墙的平均传热系数

外墙总面积：F1＝2.3m*2.7m＝6.21m²

2)两面侧墙(以计算其中一面侧墙为例)：

Kp＝1/(0.15+0.24/0.81+0.05/32)＝2.233W/(m²·K)

Kp为侧墙砖墙(不包括热桥)的传热系数

Fp＝(2.3-0.24)*2.7＝5.562m²

Fp为侧墙砖墙面积

平均传热系数：

Km2＝Kp＝2.233W/(m²·K)

Km2为侧墙的平均传热系数

侧墙总面积：F2＝Fp＝5.562m²

3)玻璃门侧：

门窗的传热系数是指在单位时间内通过单位面积的传热量，用Kt表示，单位为W/(m²·K)，取表1中普通铝合金窗Low-E中空玻璃为计算模型，其整窗传热系数为Kt＝3.18W/(m²·K).

故可得玻璃门侧的传热系数为：Km3＝Kt＝3.18W/(m²·K)

玻璃门面积：F3＝1.82m*2.7m＝4.914m²

表1常见门窗传热系数计算值

4)四面墙体平均传热系数：

K＝(Km1*F1+2*Km2*F2+Km3*F3)/(F1+2F2+F3)＝2.565W/(m²·K)

S3:将传热系数代入散热量计算公式Q＝K*F*ΔT，计算向外传输热量；

将S1的传热面积F＝22.25㎡以及S2的传热系数K＝2.565W/(m²·K)代入到传热方程Q＝K*F*ΔT中；

其中K——墙体平均传热系数；F——传热面积；ΔT——室内室外温度差。

由上计算知F＝22.25㎡，K＝2.565W/(m²·K)；

若设定温度为15℃，ΔT＝15℃-10℃＝5℃，则代入公式Q＝K*F*ΔT

计算得Q＝22.25*2.565*5＝285.4w；

若设定温度为17℃，ΔT＝17℃-10℃＝7℃，则代入公式Q＝K*F*ΔT

计算得Q＝22.25*2.565*7＝399.7w；

S4:取实际浴霸灯泡功率为150w，在设定的室内温度值下，由热量守恒式Q*Δt＝P*Δt，计算要保持室内温度恒定，需要打开的浴霸灯泡个数，并与灯泡全开的情况比较，计算节约的电能。

由S3的计算结果可知：在15℃-17℃下，大致设置亮3个灯泡共450W功率可以满足供暖需求，比灯泡全开时节约62.5％的电能。

同理可计算各种设定温度值下的散热功率，如下表2。

表2不同设定温度下的散热产热计算结果

其中节能率是比灯泡全开时降低的能耗比例

B、温度智能化控制

S1、接通电源后，温度传感器DS18B20进行预热，预热结束后，DS18B20向stc89c51单片机发送一个温度数据，并保存在单片机内部存储空间内；

S2、stc89c51单片机根据事先通过建筑物理建模得出的计算结果，按照事先编辑好的程序进行温度控制；当室内温度低于用户设定温度时，加热灯全开；当室内温度高于或等于用户设定温度时，开启相应的保温模式；

S3、stc89c51单片机将用户设定温度和浴室实际温度显示在lcd1602液晶显示屏上，以方便用户了解室内温度；

S4、重复S1-S3的过程，在此过程中如果检测到用户通过操作电路对设定温度进行设定，则根据事先编写好的代码转换为对应的控制模式，并把新的用户设定温度在lcd1602液晶显示屏上进行更新；

C、湿度智能化控制

S1、接通电源后，DHT11湿度传感器进行预热，预热结束后，DHT11湿度传感器向stc89c51单片机发送一个湿度数据，并保存在单片机内部的储存空间内；

S2、stc89c51单片机根据事先编写好的湿度控制代码进行湿度控制；当室内湿度大于85％时，stc89c51单片机通过接通光耦继电器模块开启排气扇，降低室内湿度；当室内湿度低于75％时，关闭排气扇，以节约能源消耗；当湿度处于75％-85％时，排气扇保持原来的工作状态；

S3、stc89c51单片机将浴室实际湿度在lcd1602液晶显示屏上，以方便用户了解室内湿度。

更进一步的，根据表2所述的浴室物理散热模型计算结果可知：假设此时用户设定的温度为15-17℃，则根据计算结果，此处加热灯应该采取的控制策略为当室内温度小于设定温度时，加热灯全开；当室内温度逐渐上升至用户设定温度时，此时由表2中的计算结果可知，加热灯只需打开3个即可维持浴室温度保持在用户设定温度不变，相比不加智能化控制来说此时节能率为62.5％；其他用户设定温度的控制策略同上述原理相同，只是保温时打开的加热灯数量不同。