一種熱水供暖式智能控制裝置研究與分析

翟文超，孫長勇，王淑芳，劉浩然，張家瑞

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

0 引 言

隨著經濟的快速發展，人們的生活水平逐漸提高。在冬天，暖氣設備是常見的室溫調節裝置，人們取暖的方式以熱水供暖和電氣供暖為主，但在使用成本和舒適度上，大部分采用熱水供暖，尤其在北方，室外溫度比較低，采用電氣供暖成本比較高，還易造成污染。并且電氣供暖設備還有線束老化、設備損耗率大、使用過程中不能及時檢修等問題，對人們造成安全問題。大多數傳統的熱水供暖系統設計都采用單管系統，上供下回的方案相同。該系統適應性差，更不用說智能化了。本產品設計的熱水供暖式智能控制裝置可以根據人們的溫度需求，自動控制室內的溫度，提高人們的舒適性和安全性，特別是對怕冷的老人、婦女以及孩子。尤其室內溫度高，室外溫度低，溫差過大，造成人體不適，甚至引起風寒感冒。

1 供暖方式研究現狀

現在的供暖方式有：熱水供暖、電氣供暖、地源熱泵供暖等供暖方式。

1.1 熱水供暖

1.2 電氣供暖

電供暖是將清潔的電能轉換為熱能的一種優質舒適環保的供暖方式。主要應用于建筑、工業、交通、農業、家用等領域。與傳統供暖方式相比，采用電能作為供暖能源，無需修建鍋爐房、儲煤、堆灰、管網等設施，節約了土地，不產生廢氣、廢水、廢棄物等污染物，使廢氣等污染排放降至零。

1.3 地源熱泵供暖

地源熱泵系統供暖原理是利用地下土壤中蘊含豐富的能量資源和季節性溫差，在冬季將地下土壤的能量通過地源熱泵空調系統提取到地面的空間上來，并通過地面室內采暖末端，為室內供暖。采用地源熱泵系統供暖非常節能，通常地源熱泵消耗1 kW 的能量，用戶可以得到4 kW 以上的熱量，現代住房大部分采用地源熱泵供暖。

2 一種熱水供暖式智能控制裝置研究與分析

針對于上面提到的供暖方式多多少少都存在著一些問題，為此，設想了一種熱水供暖式智能控制裝置。該裝置的核心部件由節水門體、泵水葉輪、熱水溫度傳感器、節水門組成。

2.1 裝置設計思路

在冬季，北方地區暖氣消耗的熱能非常巨大，雖然供暖公司已采取一些措施，但由于傳統的暖氣流量控制閥需要手動操作，而用戶往往忽略調整控制閥，控溫的效果遠未達到理想狀態。而且大部分老小區如果實施分戶計量，需要花費大量的人力、財力和物力進行暖氣改造，地下管道復雜的小區改造起來更加困難。本發明的目的是在于研究的目的在于提供一種智能化、綜合能力更強的熱水供暖智能控制系統，能夠改造傳統的上供下回單管同程式供暖系統不能滿足用戶個性化需求的弊端，彌補了我國在這一方面的空缺，在保證了正常供暖的同時，提高了其智能性，在使用過程中，可以通過控制面板對溫度進行個性化調整，以達到智能化設定。

用戶可以根據需要選擇加熱狀態，隨時調整加熱溫度，減少加熱過程中的資源浪費。供暖系統采用智能控制，功能齊全，安裝方便，使用方便，易于推廣應用。采用供暖系統智能控制技術，將為用戶產生巨大的節能效果，取得巨大的社會效益和經濟效益，具有很大的推廣應用價值。

2.2 裝置組成

在普通的熱水供暖裝置中的管路中設計安裝一套智能控制裝置主要包括（如圖1和2 所示）：用于檢測熱水供暖裝置中水的溫度傳感器，安裝在節水門體上；用于檢測散熱器表面溫度的溫度傳感器，安裝在散熱器表面上；用于檢測室內空氣溫度的溫度傳感器，安裝在節水門體殼體外部上；用于提高熱水供暖裝置中水的流速的泵水裝置（葉輪、葉輪驅動直流電機及齒輪傳動機構等），安裝在節水門體上；用于控制熱水供暖裝置中水的流速的節水門體（兩個反向信號的節水門位置傳感器、節水門、節水門驅動直流電機以及齒輪傳動機構等），在設定溫度低于室內溫度或不采用智能控制裝置的時候，節水門是完全打開的，安裝在熱水供暖裝置的管路中；用于智能控制的ECU，安裝在節水門體殼體外部上；用于設定溫度的控制面板（同時顯示熱水供暖裝置中水的溫度、室內空氣的溫度和散熱器表面溫度的溫度，還設置有控制面板打開或關閉的開關），安裝在節水門體殼體外部上；用于保護電路的保險絲；用于總電源打開或關閉的電源總開關；用于給智能設備供電的整流變壓器（把220 V 交流電整流變壓為12 V 直流電）。

圖1 該裝置結構連接簡圖

2.3 裝置原理

插上電源插頭，打開電源總開關，在溫度控制面板上設定適度溫度后，接著打開控制面板的開關，此時ECU 根據設定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內空氣溫度提供的信號，分析計算進行控制。當設定溫度高于室內空氣溫度時，節水門是完全打開的，ECU 控制葉輪驅動電機旋轉，從而葉輪旋轉增加熱水供暖裝置中水的流速，這樣就可以提高散熱片的散熱效果，使室內溫度得以提高。當設定溫度低于室內空氣溫度時，ECU 控制節水門驅動電機旋轉，節水門關閉一定截面的通道，控制熱水供暖裝置中水的流速變慢，降低散熱片的散熱效果，使室內溫度得以降低。供暖裝置還可使用定時器控制總電源的斷開與接通，控制裝置的運行。

熱水供暖智能控制裝置根據人們的需要，可以選擇是否采用，尤其在該電路系統出現問題的時候，熱水供暖裝置仍然可以正常使用。

在家做菜或外出就餐選擇菜品時，應避免高油、高鹽或高糖食物的攝入，養成飲食清淡的好習慣。專家建議成人每天食鹽攝入量不超過6 g，烹飪時可使用定量鹽勺控制放鹽量，盡可能采用少油烹調的方式。同時，在烹調菜肴時應盡量少放糖，也不吃或少吃含糖量高的食品。

這套熱水供暖智能控制裝置，最適合于單獨供暖的家庭，而集體供暖由于熱水供暖管路中的水壓較大，可能會影響葉輪旋轉的速度，建議使用較大功率的直流電動機驅動。

圖2 熱水供暖式智能控制電路簡圖

2.4 裝置創新點

（1）利用該裝置控制水流速度從而實現室溫的調控，對于室溫的控制更為精確。

（2）與傳統裝置相比，體積小巧，采用智能管控，安裝使用方便。

（3）本裝置可以顯示暖氣管內的溫度與室溫，可以給人們更為直觀的反饋。

（4）本裝置在不運行時，不會影響供暖系統的正常使用。

2.5 裝置實施方式

插上電源插頭，打開電源總開關，在溫度控制面板上設定適度溫度后，接著打開控制面板的開關，如圖3所示。

圖3 裝置運行效果

（1）當設定溫度高于室內空氣溫度時。ECU 根據設定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內空氣的溫度提供的信號進行分析計算，葉輪驅動電機在ECU 控制電流作用下以一定速度旋轉，通過齒輪傳動機構，將葉輪驅動電機的動力傳遞給葉輪，葉輪以一定速度旋轉，增加熱水供暖裝置中水的流速，提高散熱片的散熱能力，使室內溫度得以提高。

隨著供暖裝置中水流速的增加，水溫度的信號、散熱器表面溫度的信號以及室內空氣溫度的信號都相應發生變化，ECU 再次根據變化后信號進行分析計算，通過控制驅動電流調節葉輪驅動電機旋轉速度的快慢，從而葉輪旋轉速度的快慢發生變化，使散熱器散熱效果相對變好或變差，最終使設定溫度基本與室內空氣溫度一樣，達到理想的生活環境。

（2）當設定溫度低于室內空氣溫度時。ECU 根據設定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內空氣的溫度提供的信號進行分析計算，節水門驅動電機在ECU 控制電流作用下旋轉一定角度，通過齒輪傳動機構，將節水門驅動電機的動力傳遞給節水門軸，節水門軸帶動節水門旋轉到所需角度，改變熱水供暖裝置管路通道的截面積，控制管路中熱水的流速變慢，降低散熱片的散熱，使室內溫度得以降低。同時，由于節水門軸的轉動，改變兩個反向信號節水門位置傳感器的工作位置，傳感器輸出的信號發生變化。

隨著節水門開度的旋轉，供暖裝置中水流速的變慢，ECU 根據變化的信號進行二次分析計算，通過控制驅動電流調節節水門的位置，從而使供暖裝置中水的流速變快或變慢，使散熱器散熱效果變好或變差，使設定溫度基本與室內空氣溫度一樣，達到理想的生活環境。

節水門位置傳感器為兩個反向信號滑動電阻式傳感器，一個反映節水門的正向開度位置，另一個反映節水門的反向開度位置，比較兩個信號傳感器的信號值可相互檢查其工作狀態，作為判斷傳感器是否有失效的一個依據。

（3）當設定溫度等于室內空氣溫度時。熱水供暖智能控制裝置中的泵水裝置和節水門體都不工作，節水門也是完全打開的，只是溫度控制面板的顯示器顯示設定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內空氣溫度的數值。只有當設定溫度與室內空氣溫度不一樣時，ECU 根據情況控制泵水裝置和節水門體進行上述兩種情況工作，使設定溫度基本與室內空氣溫度一樣，達到理想的生活環境。

（4）可以通過定時器控制總開關斷開與連通，使裝置啟動運行。當我們需要外出時，我們將定時器打開設定好時間，這時裝置不再進行運作節水門完全打開，整個供暖系統正常運行，供暖系統不再受熱水供暖智能控制裝置控制。我們設定好我們回家時所需的溫度，當時間到達了設定的時間時，總電源接通，裝置開始工作，達到理想的生活環境。裝置實物圖如圖4所示。

圖4 裝置實物圖

3 結 論

隨著中國經濟發展的不斷加快，人民生活水平的不斷提高和互聯網的不斷發展，“互聯網+”開始滲透于生活各個方面，各種家居開始向智能化轉變，傳統的供暖系統因為其不夠節能，不能滿足用戶的個性化需求已經不能滿足現代社會需求，而本產品是一種智能家庭供暖系統，為落實節能減排措施，減少我國一些地區集中供暖帶來的空氣污染和能源浪費提供了一條有效解決方案，本系統符合終端居家用戶對智能供暖的現實需求，具有工作模式選擇人性化和便捷性，大大節約了供暖成本，對于未來節約能源，造福百姓，環保供暖有著重大的意義。因此本產品作為一種熱水供暖式智能控制裝置，具有寬廣的發展前景。隨著人們對節能與環保的認識越來越深，本系統可以在暖氣節能領域發揮較大的作用。與此同時，目前對于暖氣智能控制的研究總體還處于探索階段，未來也會向更加智能化和信息化的方向發展。