混合能源型智能熱水器設計研究

摘 要：在農村，傳統太陽能熱水器的實際使用還存在很多問題，針對這些問題，我們設計出一種太陽能熱水器附屬的下游水溫穩定設備，在水溫不穩定時能夠有效地穩定水溫;在冬季寒冷天氣影響和陰雨天光照不足導致水溫不足的情況下，可以通過必要的智能加熱方式使得水溫提升至需要的溫度值，最終可以彌補太陽能熱水器弊端的產品，使更多的家庭能夠放心可靠地使用和購進太陽能熱水器，同時達到環保的目標。

關鍵詞：太陽能熱水器;農村;效率;性能;穩定;環保;智能控制;單片機;傳感器

一、問題提出的背景

（1）農村熱水來源不便

①一直以來，農村地區由于供熱模式問題獲取熱水較于城市而言相對困難，所以太陽能熱水器在農村得到廣泛應用，但太陽能熱水器目前依然存在些許的問題，使得農村人民在獲取熱水時不是十分方便與可靠。

②改革開放以來，國家經濟總值和人均GDP穩步攀升，人民的生活質量隨之提升。太陽能熱水器因其環保性能優越，安裝和運行成本較低等優勢，作為一個熱水來源已經走進千家萬戶。

（2）現有太陽能存在的問題

現有的太陽能熱水器存在的問題是集熱部分熱效率還是不夠高，保溫系統性能也不是十分的優異。受水泵性能穩定度影響，熱水與冷水混合時兩種水的出水穩定度不足造成出水水溫不恒定，使得用戶體驗較差。同時太陽能熱水器的水溫也受季節影響較大，北方冬季寒冷天氣或陰雨天氣光照不足時水溫完全達不到使用要求。

（3）總結（補充）

由此可見，傳統太陽能熱水器雖然可以一定程度上成為家庭的熱源，但是在實際的生活使用過程中卻并不可靠，甚至在洗澡時水溫的不穩定驟冷驟熱的情況下還有使用者被燙傷的風險，并不能成為一個完全穩定安全的家庭熱源。綜合以上問題，我們將設計一種太陽能熱水器附屬的下游水溫穩定設備。在冷水與熱水配比不穩定導致的水溫不穩定時能夠有效地穩定水溫，使之控制在一個使用較為舒適的溫度變化范圍內。在冬季寒冷天氣影響和陰雨天光照不足導致水溫不足的情況下，可以通過必要的智能加熱方式使得水溫提升至需要的溫度值。最終設計出一款可以彌補太陽能熱水器弊端的產品，使更多的家庭能夠放心可靠的使用太陽能熱水器，購進太陽能設備，減少農村通過燃燒柴禾來獲取熱水的情況，進而減少二氧化碳排放量，達到環保目標。

二、問題分析與設計目標的確立

（1）切實解決熱水來源問題

針對太陽能的使用弊端與性能缺陷，此產品需要完美合理的去彌補太陽能的使用缺陷，并且要足夠的穩定與安全使得使用者能夠放心與安心的使用，切實真正的解決掉農村熱水獲取不穩定與困難的問題，同時達到節能減排的效果，為改善地球生態環境而助力。在我國的北方冬季常常有低溫天氣以及陰雨天氣這時便會導致太陽能水溫不足無法使用，這是就需要我們的產品更加的穩定可靠，更合理的結構設計帶來更加穩定的使用性能與可靠度，在任何天氣狀況下只要下游接有此產品的太陽能均可以正常使用。雖然增加了一些電能消耗但是整體來看，太陽能它雖然是一個以環保著稱的設備，但不可否認他的第一要素是要能夠穩定的提供熱水，如果這點不成立環保也就無從談起。而有了此款水溫平衡產品的存在，真正的是太陽能成為一個可靠的熱源，讓廣大人民更加的放心，更加的無后顧之憂，從而使農村地區減少燃燒柴禾獲取熱水的情況。因此表面增加電能消耗實則對于環保問題是真正的有益產品。

（2）智能節能

產品要以智能化的形式實現，當今社會產品智能化已經成為普遍的趨勢，智能編程技術的日益成熟，使得智能產品變得更加可靠與實用，也為使用者帶來了極大的便利。實現功能的同時要使得產品更加的節能，要以最小的能源消耗達到產品的預期使用效果。要將產品整個系統設計的更加合理，減少不必要的能源消耗。

（3）符合農村使用方式

對于熱水的使用與取水方式而言，農村與城市人有著些許的差異，有一些生活習慣上的不同。同時農村房屋結構與布局也與城市的樓房有著較大的不同。這時就需要對于農村的情況進行針對性的設計，從出水口數量與布局到高度水壓等都要符合農村人的使用習慣。

（4）環保

此款產品在制造選材用料上都將秉承環保的理念，在滿足功能要求與耐久度的同時，優先使用環保材料與可再生材料，以達到對于環境影響最小的制造標準。

（5）造價低廉

產品在保證質量與環保標準的情況下將使用價格成本較低的材料來符合農村的經濟情況，使得價格不是阻擋產品進入千家萬戶的障礙與攔路虎，大范圍的為環保與提升人民幸福度做貢獻。

三、解決問題

（1）原理

該產品核心原理基于單片機智能控制系統，通過編程指令的輸入使得單片機可以運行一些算法，從前端傳感器收集來的實時數據通過單片機的處理轉換成相應的指令傳輸給下游設備。

首先在太陽能熱水器的出水口一端將會設置一個溫度傳感器和液體流速傳感器，這樣一來可以實時的采集到太陽能內熱水的溫度的流速流量信息傳給下方單片機以備處理。冷水獲取方式為水泵直連水源，同樣冷水源水體入口處也將設置一個溫度傳感器和流速傳感器用以采集冷水源端的水溫與液體流速的實時狀況，傳回單片機以備處理。在出水開關處將會設計成旋鈕式溫度控制器，使用者可以通過轉動旋鈕對準相應的溫度刻度來獲得想要的恒定水溫。同樣旋鈕控制端的實時數據也將被直接輸入至單片機以備綜合處理。單片機下游將會設有變壓器作為單片機輸出指令的直接執行者，變壓器將會直接控制碳素加熱管與水泵。設備使用過程中如果使用者的需要溫度低于傳感器實時測得的太陽能熱水器溫度則直接啟用水泵系統，根據實時測得的熱水溫度流速信息與冷水源的水體溫度流速信息傳入單片機分析處理后傳輸指令給變壓器，變壓器通過電壓的變化來變化功率轉速進而控制冷水的泵入速度，如若熱水溫度或冷水的溫度不恒定冷水的泵入速度也會相應動態變化來保持出水溫度的持久恒定。如若使用者的需求溫度高于熱水端溫度傳感器實時測得的水溫則會啟用碳素加熱管。通過熱水端傳感器測得的溫度與流速信息傳回單片機處理后同樣通過直接控制變壓器來控制碳素加熱管的功率，使得水溫在流出花灑前達到使用者需求的恒定溫度。

（2）應用場景

在陰雨天與冬季寒冷天氣時，如若太陽能內水溫達不到使用條件使用者可以通過使用該設備來獲取恒定的達到使用標準的水。

四、總結

該產品的使用者定位主體為農村地區的太陽能使用家庭，在天氣或者太陽能本身原因導致的水溫不達標或者溫度不恒定情況下，能夠有效的增加和穩定溫度，使得使用者在用水時不必擔心天氣與水溫驟冷驟熱問題，使得太陽能真正的成為一種可以使用并且可以放心使用的環保產品。同時低廉的造價也可以讓絕大多數家庭從容購買使用。進而使得更多的農村家庭放心的購進太陽能設備做為熱源，減少焚燒柴禾取熱的情況，為保護環境而盡一份微薄之力。

作者簡介：

李智，1998年1月10日，男，遼寧省錦州市，本科，學生，工業設計

遼寧省大連民族大學大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201812026113）資助