燃氣熱水器水溫智能控制系統的設計與分析

【摘 ?要】本文對燃氣熱水器水溫控制模型進行研究，依據燃氣熱水器控制原理，設計水溫智能控制系統。試驗測試結果表明，該系統運行效率較高，溫差較小，能夠充分利用水資源，經過二次加熱處理，使得水資源利用率提高至100%。

【關鍵詞】燃氣熱水器;智能控制;節約資源

一、燃氣熱水器水溫控制模型

1、出水溫度控制模型

依據公式（2）中的關系可知，水流量決定了水加熱耗時，當熱水器出水溫度發生變化時，即熱水器熱平衡狀態發生改變，從當前狀態轉變到另外一種狀態，容易受到多種因素影響，導致耗時差異性較大。其中，影響因素可以是熱變換效率、機殼尺寸、環境溫度等。

2、出水溫度控制特性

當前設計的燃氣熱水器水溫控制采用人工控制法，通過直接觀測采集水溫信息，調節閥門工作狀態，對冷水進行加溫處理，在閥門控制上出現延后或者提前情況，導致出水溫度未達到標準，浪費了大量水資源[3]。這種操控特性主要體現在兩個方面：（1）人工操控成本較高，缺少智能化控制。（2）出水溫度控制精準度較低，水資源浪費較為嚴重。

二、智能水溫控制系統設計

本文采用智能控制技術，提出智能水溫控制系統，依據燃氣熱水器溫度控制原理，對外圍水路進行設計，并提出系統軟件開發方案。

1、系統組成

本文設計的智能水溫控制系統由液晶顯示屏、人機交互、按鍵模塊、傳感器、溫度控制模塊5部分構成。如圖1所示為智能水溫控制系統框架。

在圖1中，人機交互指的是計算機操控終端，按照管理人員需求，下達水溫控制命令;按鍵模塊是操控命令的輸入端;傳感器主要用于采集水溫信息;溫度控制模塊是本系統的核心部分，根據水溫控制需求，利用恒溫控制裝置設置需要加熱的溫度值，啟動加熱器開始加熱，與此同時，利用微控制器調節水管中冷水回流溫度，使得出口端水溫度均能夠達到標準，提高水資源利用率[4]。

2、控制原理及操控規則

本系統的控制原理是根據用戶給定溫度值，啟動溫度控制模塊，一次加熱是按照溫度給定值加熱冷水管中的冷水，如果測得溫度達到標準，則從出口流出，反之，采取二次加熱處理[5]。二次加熱是對冷水回流中的溫水進行加熱，利用加熱器進行二次加熱，通過調節氣閥控制加熱狀態，當水溫達到給定值時，關閉閥門停止加熱。以下為水溫控制操控規則：

（1）如果水溫未達標準，測得水溫較低，則首先采取調氣處理，啟動調氣閥門，加熱水溫;

（2）如果水溫未達標準，測得水溫較高，則首先采取調水處理，調節冷水管回流溫度控制，向當前水箱中加入冷水，以達最佳溫度。

3、外圍水路設計

與普通的燃氣熱水器相比，本文設計的智能化控制系統在天然氣接入管道和水管連通兩個方面進行了改進。考慮到壓力變化導致冷水回流問題，本系統通過STM32微控制器控制閥門調控。如圖2所示為智能化水溫控制系統外圍水路設計圖。

（1）天然氣接入管道改造設計

在天然氣管道出口安裝氣閥，用于調節進氣量，利用模糊PID算法對進氣量進行計算，根據計算結果下達氣閥控制命令，這樣可能節省一部分燃氣資源，以保水溫控制燃氣資源充足[6]。

（2）水管連通改造設計

對于水管通道的改進，本系統將多個水管道連接到一起，采用并聯方式接通，形成家庭用水管道回路，便于冷水加熱集中控制。

4、系統軟件開發流程

本系統軟件開發建立在模糊PID算法基礎上，根據水溫操控需求，對此算法加以修改，得到燃氣熱水器水溫控制算法。

第一步：對STM32微控制器進行上電初始化處理，設定溫度值，通過信息采集模塊采集水管中溫度值;

第二步：判斷當前水溫是否需要加熱或者降溫，如果需要加熱，則執行第三步，如果需要降溫，則執行第五步，如果溫度達到了設定值，則執行第六步;

第三步：運行恒溫算法，計算需要升高的溫度;

第四步：采取調氣處理，啟動調氣閥門，加熱水溫，返回第二步;

第五步：采取調水處理，調節冷水管回流溫度控制，向當前水箱中加入冷水，返回第二步。

第六步：從出水管中流出熱水。

三、系統測試分析

本文選取手動控制作為對照組，智能控制作為實驗組，對水溫控制性能進行對比，得出相應結論，測試性能指標及結果如表1所示。

通過觀察表1中的測試結果可知，智能控制在初始溫度調節時間耗費方面優勢較大，升溫與降溫調節溫差穩定在1℃，較手動控制更為穩定。另外，智能控制系統可以充分利用水資源，通過二次加熱處理，不浪費水資源，而手動控制水資源利用率僅有78%。

總結

本文圍繞燃氣熱水器水溫控制問題展開研究，選取手工控制為對照組，以本文設計的智能溫度控制系統作為實驗組，通過對比水溫控制性能，驗證系統設計方案的可靠性。測試結果表明，智能控制系統運行效率較高，溫差較小，能夠充分利用水資源。

參考文獻：

[1]袁麗麗，戶孝文.基于全自動燃氣熱水器的PID溫度控制參數整定研究[J].科學技術創新，2017（32）：186-187.

[2]李榮茂.基于單片機電熱水器液位、溫度檢測控制系統的設計[J].電子制作，2017（15）：66-67.

[3]孫浩文.網絡環境下太陽能熱水器遠程智能控制系統設計研究[J].自動化技術與應用，2018，37（11）：150-154.

[4]王驥豪，李莎.基于STC12C5A60S2單片機對智能熱水器的應用提高系統[J].山東工業技術，2017（7）：9-9.

[5]史勇，肉孜·阿木提.一種利用太陽能提升溫室灌溉用井水溫度裝置的設計與試驗[J].江蘇農業科學，2018，46（19）：265-268.

作者簡介：

陽悠悠 ? ? ? 學歷：本科

（作者單位：廣東萬家樂燃氣具有限公司）