儲水式電熱水器熱水供應(yīng)自適應(yīng)的研究

鐘益明 陳慶明 楊煥雯

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300）

前言

儲水式電熱水器是在設(shè)定好目標(biāo)加熱溫度情況下，給發(fā)熱管通電，把電能轉(zhuǎn)換成熱能，從而加熱電熱水器內(nèi)膽的熱水，達(dá)到目標(biāo)加熱溫度，從而用于洗浴活動[1]。區(qū)別于即熱式電熱水器，儲水式電熱水器的加熱功率較低一些，要把熱水加熱倒目標(biāo)的出水溫度，往往需要一段時(shí)間，如果加熱功率較低、進(jìn)水溫度較低、目標(biāo)溫度較高并且電熱水器容量較大時(shí)，等待時(shí)間就會很長，有時(shí)候從設(shè)置目標(biāo)溫度到加熱到目標(biāo)溫度需要1個(gè)多小時(shí)時(shí)間。

目前，有一些預(yù)約技術(shù)可以彌補(bǔ)缺點(diǎn)，通過每天提前預(yù)約方式來預(yù)約加熱時(shí)刻，減少用戶洗浴前的等待時(shí)間，但是在多人洗浴、多個(gè)時(shí)間點(diǎn)洗浴時(shí)，這種預(yù)約方式也少不了需要多次用戶預(yù)約設(shè)定時(shí)間，甚至預(yù)約技術(shù)完全預(yù)約，又或者由于工作等原因而每天不同的洗浴時(shí)間不同時(shí)，那么就需要頻繁的設(shè)定預(yù)約時(shí)間，并沒給用戶帶來方便。

1 基于用水習(xí)慣的熱水供應(yīng)自適應(yīng)

儲水式電熱水器加熱時(shí)間較長一直是用戶痛點(diǎn)之一。為了解決該用戶痛點(diǎn)，普通儲水式電熱水器基礎(chǔ)上，針對大部分用戶洗浴在一定的環(huán)境溫度下，具有一定習(xí)慣性的用水時(shí)間、洗浴流量、洗浴溫度等，因此研發(fā)熱水供應(yīng)自適應(yīng)技術(shù)[2]。

基于洗浴習(xí)慣的熱水供應(yīng)自適應(yīng)技術(shù)[3]，主要電熱水器根據(jù)用戶的用水習(xí)慣，自動設(shè)置熱水器加熱，按需安排熱水供應(yīng)量、加熱時(shí)間，確保在用戶洗浴用水前準(zhǔn)備足夠熱水，并根據(jù)用戶洗浴習(xí)慣設(shè)置洗浴出水溫度。

基于洗浴習(xí)慣的熱水供應(yīng)自適應(yīng)技術(shù)首先是采集并保存用水習(xí)慣信息[4]，包括時(shí)間、溫度、流量等信息；根據(jù)用戶用水信息識別用戶周期等用水習(xí)慣[5]；根據(jù)用戶用水周期、用水信息以及實(shí)時(shí)的信息，按需合理安排電熱水器加熱溫度和加熱時(shí)間等；最后自動控制儲水式電熱水器加熱，確保在用戶習(xí)慣用水時(shí)間前準(zhǔn)備好足夠熱水，如圖1所示。

2 熱水供應(yīng)自適應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖2所示，儲水式電熱水器的自適應(yīng)供應(yīng)熱水系統(tǒng)中，功能上主要分為兩部分，一部分是用于控制熱水供應(yīng)的電路板及其結(jié)構(gòu)，另一部分是用于采集用戶用水特征的傳感器及其結(jié)構(gòu)。

在電熱水器熱水出口安裝電子恒溫閥，使得用戶的洗浴用水恒定在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，不會隨著內(nèi)膽溫度降低而降低；熱水供應(yīng)由電熱水器的電路板控制。

用戶用水的流量由流量傳感器直接采集，用戶用水的溫度由出水溫度傳感器直接采集，這兩個(gè)參數(shù)直接反映了用戶用水特征。另外進(jìn)水溫度與環(huán)境溫度、與用戶用水息息相關(guān)，采集進(jìn)水溫度既用于記錄用戶用水特征，也用于電熱水器根據(jù)進(jìn)水溫度控制加熱溫度和加熱時(shí)間。

3 熱水供應(yīng)自適應(yīng)的算法

最小二乘法的原理就是通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。其意義就是通過求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小，以最小值來判斷并篩選數(shù)據(jù)。其意義就是通過求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間方差為最小，以最小值該項(xiàng)來判斷并篩選數(shù)據(jù)。

自識別用戶習(xí)慣，應(yīng)用最小二乘法，基于計(jì)算用戶用水行為之間的方差來定量衡量規(guī)律的強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)律的強(qiáng)度判斷用戶用水有無規(guī)律以及具體的規(guī)律性周期。

假設(shè)用戶用水習(xí)慣具有某個(gè)周期T天，那么以T天為周期某個(gè)時(shí)間段t的用水量偏差應(yīng)該具有最小的方差，以此來判斷用戶用水的習(xí)慣周期。

由于儲水式電熱水器的需要學(xué)習(xí)用戶用水的時(shí)間、用水量，因此結(jié)合熱水器實(shí)際需要和最小二乘法，求得用戶習(xí)慣的周期。

大部分人具有在一定時(shí)期內(nèi)既具有一定規(guī)律性，同時(shí)也具有主觀能動性，因此大多數(shù)用戶用水習(xí)慣具有一定規(guī)律，但是也不可能完全一樣，主要表現(xiàn)在用水量與用水時(shí)間點(diǎn)存在一定的隨機(jī)性。因此在熱水供應(yīng)過程中，考慮用戶的用水量以及用水時(shí)間的波動。

根據(jù)能量守恒定律，從保存數(shù)據(jù)中得到用戶特征信息的用戶用水時(shí)間、用水流量及用水溫度，根據(jù)電熱水器的熱水輸出率θ的定義，可以計(jì)算得到目標(biāo)的加熱溫度T加熱：同時(shí)由于用戶的用水習(xí)慣具有一定的隨機(jī)性以及受環(huán)境影響而造成能量的變化，因此需要修正以及留有余量。

圖1 基于用水習(xí)慣的熱水自適應(yīng)供應(yīng)框圖

圖2 自適應(yīng)供應(yīng)熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

式中：Q習(xí)慣洗浴為用戶習(xí)慣用水量，c是水的比熱容，V是電熱水器容積，θ是電熱水器熱水輸出率，T冷水是冷水溫度，T加熱是電熱水器目標(biāo)溫度，ρ是水的密度，T余量修正是根據(jù)洗浴習(xí)慣不確定度而確定的預(yù)留溫度余量，可以取3 ℃。

實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前電熱水器進(jìn)水溫度膽內(nèi)溫度T內(nèi)膽以及電熱水器的加熱功率，可以得到加熱所需要的加熱時(shí)間t加熱：

式中：c是水的比熱容，V是電熱水器容積，μ是電熱水器加熱效率，T加熱是電熱水器目標(biāo)溫度，ρ是水的密度，T內(nèi)膽為實(shí)時(shí)膽內(nèi)溫度，P加熱功率。

根據(jù)用戶習(xí)慣當(dāng)天對應(yīng)的用水時(shí)間為t習(xí)慣用水，定義余量參數(shù)為t余量，開啟加熱的時(shí)間t開始加熱，由于用戶用水行為具有一定的隨機(jī)性以及受環(huán)境影響，因此需要留有一定時(shí)間余量

式中：t習(xí)慣用水用水時(shí)間，是根據(jù)上述學(xué)習(xí)得到參考用水習(xí)慣得到的時(shí)間，該用水時(shí)間采用上周期該用戶習(xí)慣的用水時(shí)間。如果用戶自行設(shè)置洗浴預(yù)約時(shí)間，那么t習(xí)慣用水優(yōu)先采用用戶設(shè)置的時(shí)間。

t余量是根據(jù)用戶洗浴習(xí)慣不確定度所預(yù)留的時(shí)間余量。該余量時(shí)間是預(yù)防用戶比計(jì)劃提前用水所增加的余量時(shí)間，提前加熱的時(shí)間，可以取1小時(shí)。

t加熱是式子（2）得到的加熱時(shí)間。

這樣，根據(jù)自學(xué)習(xí)用戶用水習(xí)慣的洗浴溫度，最終合理控制電熱水器加熱，確保按需供應(yīng)，在用戶洗浴用水前準(zhǔn)備好熱水。

4 提高熱水供應(yīng)準(zhǔn)確度的研究

無論是儲水式電熱水器的產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用需要還是國標(biāo)、團(tuán)標(biāo)要求，基于用戶用水習(xí)慣按需供應(yīng)熱水，不僅要求滿足用戶的舒適性要求，即允許用戶用水量、用水時(shí)間都存在一定的波動范圍，也即準(zhǔn)確率；同時(shí)按需供應(yīng)熱水要求比儲水式電熱水器長期保溫具有一定的節(jié)能效果，也即節(jié)能率。

根據(jù)前文描述的熱水供應(yīng)自適應(yīng)系統(tǒng)，用戶的用水流量、用水溫度以及進(jìn)水溫度是用戶用水特征信息，影響自適應(yīng)供應(yīng)熱水的準(zhǔn)確率以及節(jié)能率。而進(jìn)水溫度是通過傳感器采集的，用戶用水溫度經(jīng)過恒溫閥控制出水溫度并通過溫度傳感器采集得到；用水流量通過流量傳感器采集得到。

傳感器采集的精度、洗浴溫度的控制性能不僅會影響采集用戶用水習(xí)慣的準(zhǔn)確性，也會進(jìn)一步影響熱水供應(yīng)準(zhǔn)確率以及節(jié)能效果。因此，提高熱水供應(yīng)的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于提高傳感器的采集準(zhǔn)確度以及恒溫出水的誤差。

為保證整個(gè)系統(tǒng)的性能，采集內(nèi)膽溫度、進(jìn)水溫度、熱水出水溫度以及洗浴出水溫度的溫度傳感器選用精度小于1%的熱敏電阻，檢測精度為0.5 ℃。為提高熱水供應(yīng)的準(zhǔn)確度以及節(jié)能效果，著重研究流量傳感器準(zhǔn)確度以及出水溫度的控制誤差。

4.1 優(yōu)化流量傳感器

流量傳感器影響大，同樣的用水時(shí)間、進(jìn)出水條件下，流量的誤差與用水量誤差成正比，而目前大多霍爾流量傳感器誤差在±7.5 %以上。如果采用誤差為±7.5%的流量傳感器，傳感器帶來的誤差往往10 %以上，甚至達(dá)到20 %的誤差，加上系統(tǒng)為滿足舒適性需求而需要多準(zhǔn)備熱水，因此熱水供應(yīng)的準(zhǔn)確度就會降低，節(jié)能效果也不明顯。

為提高熱水供應(yīng)準(zhǔn)確度，首先從優(yōu)化流量傳感器開始。從常用的霍爾流量傳感器的結(jié)構(gòu)分析可以得知，原有霍爾流量傳感器是2對磁性轉(zhuǎn)子，如圖3 。

經(jīng)過測試得到這時(shí)水流通過傳感器時(shí)檢測得到的脈沖數(shù)與流量的關(guān)系如圖4 。

由此可見，在原有的霍爾流量傳感器的流量值與脈沖數(shù)呈線性關(guān)系，關(guān)系為：脈沖頻率=7.6*流量（L/min）。

由于同等流量下，磁性轉(zhuǎn)子數(shù)量與檢測得到的脈沖數(shù)成正相關(guān)的關(guān)系。為了突破流量檢測的精度和范圍，提高現(xiàn)有霍爾流量傳感器檢測精度，研究增加磁性轉(zhuǎn)子，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，原來的2對磁性轉(zhuǎn)子增到3對磁性轉(zhuǎn)子，提高流量傳感器的分辨度和精度，如圖5所示。

通過優(yōu)化，檢測得到流量與脈沖數(shù)的關(guān)系如圖6。

優(yōu)化后的流量傳感器其流量值與脈沖數(shù)關(guān)系為：脈沖頻率=11.34*流量（L/min），使得其檢測精度在±5 %以內(nèi)，不僅在線性上保持良好的線性關(guān)系，而且提高了脈沖函數(shù)的系數(shù)，使得檢測流量時(shí)分辨率提高，提高檢測精度與準(zhǔn)確度。

4.2 穩(wěn)定出水溫度

現(xiàn)有儲水式電熱水器是承壓式的，放水過程中，由于內(nèi)膽溫度不斷減低，往往從最高的75 ℃下降到40 ℃左右，在不改變混水比例情況下，出水溫度不斷減低。同時(shí)，在洗浴過程，由于水壓不穩(wěn)或者流量波動造成出水溫度的波動。出水溫度的波動不僅影響用戶舒適性，而且影響用戶用水習(xí)慣的信息采集，從而影響熱水供應(yīng)的準(zhǔn)確性及節(jié)能效果。

圖3 原有的霍爾流量傳感器轉(zhuǎn)子

圖4 原有的流量傳感器的流量與脈沖頻率關(guān)系

為提高熱水供應(yīng)的精度，從結(jié)構(gòu)上增加并優(yōu)化混水結(jié)構(gòu)，增大混水結(jié)構(gòu)的緩沖作用，減少水壓水流變化對于出水的影響；并且保證混水結(jié)構(gòu)的CV值，方便用于恒溫控制。首先，根據(jù)給出的三維模型，對閥內(nèi)的流體進(jìn)行了建模，作為計(jì)算用的模型；然后打出樣板在實(shí)際中調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，最終得到較好的測試數(shù)值，如圖7所示。

如圖8所示，最終經(jīng)過實(shí)際測試，可以看出，混水閥具有較好的Cv值，Cv值大部分計(jì)算點(diǎn)的絕對誤差在0～0.6左右，相對誤差來說，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的相對誤差小于15 %。

圖5 優(yōu)化霍爾流量傳感器轉(zhuǎn)子

圖6 優(yōu)化后流量傳感器的流量與脈沖頻率關(guān)系

圖7 恒溫閥的結(jié)構(gòu)仿真建模圖

如圖9，另一方面優(yōu)化電路和程序控制，采用模糊PID恒溫控制方法，減少溫度變化對于系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)出水恒溫控制。

溫度傳感器選用精度不大于1%的熱敏電阻，保證控制精度在±1 ℃，出水誤差小于并且在波動下3 s之內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒溫，減少出水溫度波動對于洗浴時(shí)長預(yù)報(bào)的影響。

5 測試方法以及結(jié)果

參考?xì)W標(biāo)EN 50440-2015中測試條件和評估方法，針對萬和儲水式電熱水器E55-EY3H-33機(jī)型，首先放一周的水，讓電熱水器學(xué)習(xí)用戶用水周期；其次，根據(jù)9.2.6章節(jié)要求，以7天作為學(xué)習(xí)周期，參考期前5天選用MMMSS放水模式，后兩天不放水，其中M與S的具體模式詳見標(biāo)準(zhǔn)中的表4。

最后，測試智能期，如標(biāo)準(zhǔn)中9.2.7所描述的測試，測試得到

經(jīng)過測試并計(jì)算，智能期的熱水滿足用戶用水習(xí)慣的要求，并且保證用水量與用水時(shí)間的舒適性，其中的總誤差為1.2 %。

圖8 混水閥的CV值對比

圖9 擾動下恒溫效果曲線

本文提供的方法適用于不同存儲數(shù)據(jù)的大小來應(yīng)用，不僅可以針對大數(shù)據(jù)用戶運(yùn)算，而且可以在具有保存數(shù)據(jù)的單片機(jī)上應(yīng)用，同樣實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)用戶習(xí)慣并自適應(yīng)供應(yīng)熱水。

6 應(yīng)用設(shè)計(jì)

為推廣產(chǎn)品，且方便在普通的儲水式電熱水器中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)熱水供應(yīng)，本文創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不改變儲水式電熱水器原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在電熱水器外接上結(jié)構(gòu)裝置。其中裝置結(jié)構(gòu)接口統(tǒng)一，與儲水式電熱水器統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如圖10，1、2結(jié)構(gòu)為4分內(nèi)螺紋螺母，與儲水式電熱水器的冷水和熱水接口的4分外螺紋配對連接。

7 總結(jié)

本文針對儲水式電熱水器等待加熱時(shí)間過長的痛點(diǎn)，根據(jù)大部分用戶用熱水具有一定的規(guī)律性，采集用戶用水習(xí)慣參數(shù)信息，并根據(jù)用戶習(xí)慣特征數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)的信息自適應(yīng)規(guī)劃并控制熱水，保證用戶按習(xí)慣用水前準(zhǔn)備好足夠的熱水。經(jīng)過按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試，自適應(yīng)供應(yīng)熱水方案不僅能自動識別用戶用水習(xí)慣規(guī)律，熱水供應(yīng)誤差1.2 %，智能控制節(jié)能22.7 %。

圖10 自適應(yīng)供應(yīng)熱水系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)