儲水式電熱水器熱水供應自適應的研究

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定好目標加熱溫度情況下，給發熱管通電，把電能轉換成熱能，從而加熱電熱水器內膽的熱水，達到目標加熱溫度，從而用于洗浴活動[1]。區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的出水溫度，往往需要一段時間，如果加熱功率較低、進水溫度較低、目標溫度較高并且電熱水器容量較大時，等待時間就會很長，有時候從設置目標溫度到加熱到目標溫度需要1個多小時時間。

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

1 基于用水習慣的熱水供應自適應

儲水式電熱水器加熱時間較長一直是用戶痛點之一。為了解決該用戶痛點，普通儲水式電熱水器基礎上，針對大部分用戶洗浴在一定的環境溫度下，具有一定習慣性的用水時間、洗浴流量、洗浴溫度等，因此研發熱水供應自適應技術[2]。

基于洗浴習慣的熱水供應自適應技術[3]，主要電熱水器根據用戶的用水習慣，自動設置熱水器加熱，按需安排熱水供應量、加熱時間，確保在用戶洗浴用水前準備足夠熱水，并根據用戶洗浴習慣設置洗浴出水溫度。

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

2 熱水供應自適應系統的結構

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

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定溫度范圍內，不會隨著內膽溫度降低而降低；熱水供應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，這兩個參數直接反映了用戶用水特征。另外進水溫度與環境溫度、與用戶用水息息相關，采集進水溫度既用于記錄用戶用水特征，也用于電熱水器根據進水溫度控制加熱溫度和加熱時間。

3 熱水供應自適應的算法

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

自識別用戶習慣，應用最小二乘法，基于計算用戶用水行為之間的方差來定量衡量規律的強度，根據規律的強度判斷用戶用水有無規律以及具體的規律性周期。

假設用戶用水習慣具有某個周期T天，那么以T天為周期某個時間段t的用水量偏差應該具有最小的方差，以此來判斷用戶用水的習慣周期。

由于儲水式電熱水器的需要學習用戶用水的時間、用水量，因此結合熱水器實際需要和最小二乘法，求得用戶習慣的周期。

大部分人具有在一定時期內既具有一定規律性，同時也具有主觀能動性，因此大多數用戶用水習慣具有一定規律，但是也不可能完全一樣，主要表現在用水量與用水時間點存在一定的隨機性。因此在熱水供應過程中，考慮用戶的用水量以及用水時間的波動。

根據能量守恒定律，從保存數據中得到用戶特征信息的用戶用水時間、用水流量及用水溫度，根據電熱水器的熱水輸出率θ的定義，可以計算得到目標的加熱溫度T加熱：同時由于用戶的用水習慣具有一定的隨機性以及受環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 基于用水習慣的熱水自適應供應框圖

圖2 自適應供應熱水系統的結構

式中：Q習慣洗浴為用戶習慣用水量，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溫度，ρ是水的密度，T余量修正是根據洗浴習慣不確定度而確定的預留溫度余量，可以取3 ℃。

實時讀取當前電熱水器進水溫度膽內溫度T內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溫度，ρ是水的密度，T內膽為實時膽內溫度，P加熱功率。

根據用戶習慣當天對應的用水時間為t習慣用水，定義余量參數為t余量，開啟加熱的時間t開始加熱，由于用戶用水行為具有一定的隨機性以及受環境影響，因此需要留有一定時間余量

式中：t習慣用水用水時間，是根據上述學習得到參考用水習慣得到的時間，該用水時間采用上周期該用戶習慣的用水時間。如果用戶自行設置洗浴預約時間，那么t習慣用水優先采用用戶設置的時間。

t余量是根據用戶洗浴習慣不確定度所預留的時間余量。該余量時間是預防用戶比計劃提前用水所增加的余量時間，提前加熱的時間，可以取1小時。

t加熱是式子（2）得到的加熱時間。

這樣，根據自學習用戶用水習慣的洗浴溫度，最終合理控制電熱水器加熱，確保按需供應，在用戶洗浴用水前準備好熱水。

4 提高熱水供應準確度的研究

無論是儲水式電熱水器的產品實際應用需要還是國標、團標要求，基于用戶用水習慣按需供應熱水，不僅要求滿足用戶的舒適性要求，即允許用戶用水量、用水時間都存在一定的波動范圍，也即準確率；同時按需供應熱水要求比儲水式電熱水器長期保溫具有一定的節能效果，也即節能率。

根據前文描述的熱水供應自適應系統，用戶的用水流量、用水溫度以及進水溫度是用戶用水特征信息，影響自適應供應熱水的準確率以及節能率。而進水溫度是通過傳感器采集的，用戶用水溫度經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慣的準確性，也會進一步影響熱水供應準確率以及節能效果。因此，提高熱水供應的準確性，關鍵在于提高傳感器的采集準確度以及恒溫出水的誤差。

為保證整個系統的性能，采集內膽溫度、進水溫度、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 ℃。為提高熱水供應的準確度以及節能效果，著重研究流量傳感器準確度以及出水溫度的控制誤差。

4.1 優化流量傳感器

流量傳感器影響大，同樣的用水時間、進出水條件下，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，甚至達到20 %的誤差，加上系統為滿足舒適性需求而需要多準備熱水，因此熱水供應的準確度就會降低，節能效果也不明顯。

為提高熱水供應準確度，首先從優化流量傳感器開始。從常用的霍爾流量傳感器的結構分析可以得知，原有霍爾流量傳感器是2對磁性轉子，如圖3 。

經過測試得到這時水流通過傳感器時檢測得到的脈沖數與流量的關系如圖4 。

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

由于同等流量下，磁性轉子數量與檢測得到的脈沖數成正相關的關系。為了突破流量檢測的精度和范圍，提高現有霍爾流量傳感器檢測精度，研究增加磁性轉子，并優化結構，原來的2對磁性轉子增到3對磁性轉子，提高流量傳感器的分辨度和精度，如圖5所示。

通過優化，檢測得到流量與脈沖數的關系如圖6。

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

4.2 穩定出水溫度

現有儲水式電熱水器是承壓式的，放水過程中，由于內膽溫度不斷減低，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，在洗浴過程，由于水壓不穩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慣的信息采集，從而影響熱水供應的準確性及節能效果。

圖3 原有的霍爾流量傳感器轉子

圖4 原有的流量傳感器的流量與脈沖頻率關系

為提高熱水供應的精度，從結構上增加并優化混水結構，增大混水結構的緩沖作用，減少水壓水流變化對于出水的影響；并且保證混水結構的CV值，方便用于恒溫控制。首先，根據給出的三維模型，對閥內的流體進行了建模，作為計算用的模型；然后打出樣板在實際中調節結構，最終得到較好的測試數值，如圖7所示。

如圖8所示，最終經過實際測試，可以看出，混水閥具有較好的Cv值，Cv值大部分計算點的絕對誤差在0～0.6左右，相對誤差來說，大部分數據點的相對誤差小于15 %。

圖5 優化霍爾流量傳感器轉子

圖6 優化后流量傳感器的流量與脈沖頻率關系

圖7 恒溫閥的結構仿真建模圖

如圖9，另一方面優化電路和程序控制，采用模糊PID恒溫控制方法，減少溫度變化對于系統的影響，實現出水恒溫控制。

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之內實現恒溫，減少出水溫度波動對于洗浴時長預報的影響。

5 測試方法以及結果

參考歐標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機型，首先放一周的水，讓電熱水器學習用戶用水周期；其次，根據9.2.6章節要求，以7天作為學習周期，參考期前5天選用MMMSS放水模式，后兩天不放水，其中M與S的具體模式詳見標準中的表4。

最后，測試智能期，如標準中9.2.7所描述的測試，測試得到

經過測試并計算，智能期的熱水滿足用戶用水習慣的要求，并且保證用水量與用水時間的舒適性，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據的大小來應用，不僅可以針對大數據用戶運算，而且可以在具有保存數據的單片機上應用，同樣實現自學習用戶習慣并自適應供應熱水。

6 應用設計

為推廣產品，且方便在普通的儲水式電熱水器中實現自適應熱水供應，本文創新結構設計，不改變儲水式電熱水器原有的結構基礎上，在電熱水器外接上結構裝置。其中裝置結構接口統一，與儲水式電熱水器統一標準，如圖10，1、2結構為4分內螺紋螺母，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

本文針對儲水式電熱水器等待加熱時間過長的痛點，根據大部分用戶用熱水具有一定的規律性，采集用戶用水習慣參數信息，并根據用戶習慣特征數據、實時的信息自適應規劃并控制熱水，保證用戶按習慣用水前準備好足夠的熱水。經過按照歐洲標準測試，自適應供應熱水方案不僅能自動識別用戶用水習慣規律，熱水供應誤差1.2 %，智能控制節能22.7 %。

圖10 自適應供應熱水系統的應用結構