一种热水供暖式智能控制装置研究与分析

翟文超，孙长勇，王淑芳，刘浩然，张家瑞

（山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034）

0 引 言

随着经济的快速发展，人们的生活水平逐渐提高。在冬天，暖气设备是常见的室温调节装置，人们取暖的方式以热水供暖和电气供暖为主，但在使用成本和舒适度上，大部分采用热水供暖，尤其在北方，室外温度比较低，采用电气供暖成本比较高，还易造成污染。并且电气供暖设备还有线束老化、设备损耗率大、使用过程中不能及时检修等问题，对人们造成安全问题。大多数传统的热水供暖系统设计都采用单管系统，上供下回的方案相同。该系统适应性差，更不用说智能化了。本产品设计的热水供暖式智能控制装置可以根据人们的温度需求，自动控制室内的温度，提高人们的舒适性和安全性，特别是对怕冷的老人、妇女以及孩子。尤其室内温度高，室外温度低，温差过大，造成人体不适，甚至引起风寒感冒。

1 供暖方式研究现状

现在的供暖方式有：热水供暖、电气供暖、地源热泵供暖等供暖方式。

1.1 热水供暖

1.2 电气供暖

电供暖是将清洁的电能转换为热能的一种优质舒适环保的供暖方式。主要应用于建筑、工业、交通、农业、家用等领域。与传统供暖方式相比，采用电能作为供暖能源，无需修建锅炉房、储煤、堆灰、管网等设施，节约了土地，不产生废气、废水、废弃物等污染物，使废气等污染排放降至零。

1.3 地源热泵供暖

地源热泵系统供暖原理是利用地下土壤中蕴含丰富的能量资源和季节性温差，在冬季将地下土壤的能量通过地源热泵空调系统提取到地面的空间上来，并通过地面室内采暖末端，为室内供暖。采用地源热泵系统供暖非常节能，通常地源热泵消耗1 kW 的能量，用户可以得到4 kW 以上的热量，现代住房大部分采用地源热泵供暖。

2 一种热水供暖式智能控制装置研究与分析

针对于上面提到的供暖方式多多少少都存在着一些问题，为此，设想了一种热水供暖式智能控制装置。该装置的核心部件由节水门体、泵水叶轮、热水温度传感器、节水门组成。

2.1 装置设计思路

在冬季，北方地区暖气消耗的热能非常巨大，虽然供暖公司已采取一些措施，但由于传统的暖气流量控制阀需要手动操作，而用户往往忽略调整控制阀，控温的效果远未达到理想状态。而且大部分老小区如果实施分户计量，需要花费大量的人力、财力和物力进行暖气改造，地下管道复杂的小区改造起来更加困难。本发明的目的是在于研究的目的在于提供一种智能化、综合能力更强的热水供暖智能控制系统，能够改造传统的上供下回单管同程式供暖系统不能满足用户个性化需求的弊端，弥补了我国在这一方面的空缺，在保证了正常供暖的同时，提高了其智能性，在使用过程中，可以通过控制面板对温度进行个性化调整，以达到智能化设定。

用户可以根据需要选择加热状态，随时调整加热温度，减少加热过程中的资源浪费。供暖系统采用智能控制，功能齐全，安装方便，使用方便，易于推广应用。采用供暖系统智能控制技术，将为用户产生巨大的节能效果，取得巨大的社会效益和经济效益，具有很大的推广应用价值。

2.2 装置组成

在普通的热水供暖装置中的管路中设计安装一套智能控制装置主要包括（如图1和2 所示）：用于检测热水供暖装置中水的温度传感器，安装在节水门体上；用于检测散热器表面温度的温度传感器，安装在散热器表面上；用于检测室内空气温度的温度传感器，安装在节水门体壳体外部上；用于提高热水供暖装置中水的流速的泵水装置（叶轮、叶轮驱动直流电机及齿轮传动机构等），安装在节水门体上；用于控制热水供暖装置中水的流速的节水门体（两个反向信号的节水门位置传感器、节水门、节水门驱动直流电机以及齿轮传动机构等），在设定温度低于室内温度或不采用智能控制装置的时候，节水门是完全打开的，安装在热水供暖装置的管路中；用于智能控制的ECU，安装在节水门体壳体外部上；用于设定温度的控制面板（同时显示热水供暖装置中水的温度、室内空气的温度和散热器表面温度的温度，还设置有控制面板打开或关闭的开关），安装在节水门体壳体外部上；用于保护电路的保险丝；用于总电源打开或关闭的电源总开关；用于给智能设备供电的整流变压器（把220 V 交流电整流变压为12 V 直流电）。

图1 该装置结构连接简图

2.3 装置原理

插上电源插头，打开电源总开关，在温度控制面板上设定适度温度后，接着打开控制面板的开关，此时ECU 根据设定温度、水的温度、散热器表面温度以及室内空气温度提供的信号，分析计算进行控制。当设定温度高于室内空气温度时，节水门是完全打开的，ECU 控制叶轮驱动电机旋转，从而叶轮旋转增加热水供暖装置中水的流速，这样就可以提高散热片的散热效果，使室内温度得以提高。当设定温度低于室内空气温度时，ECU 控制节水门驱动电机旋转，节水门关闭一定截面的通道，控制热水供暖装置中水的流速变慢，降低散热片的散热效果，使室内温度得以降低。供暖装置还可使用定时器控制总电源的断开与接通，控制装置的运行。

热水供暖智能控制装置根据人们的需要，可以选择是否采用，尤其在该电路系统出现问题的时候，热水供暖装置仍然可以正常使用。

在家做菜或外出就餐选择菜品时，应避免高油、高盐或高糖食物的摄入，养成饮食清淡的好习惯。专家建议成人每天食盐摄入量不超过6 g，烹饪时可使用定量盐勺控制放盐量，尽可能采用少油烹调的方式。同时，在烹调菜肴时应尽量少放糖，也不吃或少吃含糖量高的食品。

这套热水供暖智能控制装置，最适合于单独供暖的家庭，而集体供暖由于热水供暖管路中的水压较大，可能会影响叶轮旋转的速度，建议使用较大功率的直流电动机驱动。

图2 热水供暖式智能控制电路简图

2.4 装置创新点

（1）利用该装置控制水流速度从而实现室温的调控，对于室温的控制更为精确。

（2）与传统装置相比，体积小巧，采用智能管控，安装使用方便。

（3）本装置可以显示暖气管内的温度与室温，可以给人们更为直观的反馈。

（4）本装置在不运行时，不会影响供暖系统的正常使用。

2.5 装置实施方式

插上电源插头，打开电源总开关，在温度控制面板上设定适度温度后，接着打开控制面板的开关，如图3所示。

图3 装置运行效果

（1）当设定温度高于室内空气温度时。ECU 根据设定温度、水的温度、散热器表面温度以及室内空气的温度提供的信号进行分析计算，叶轮驱动电机在ECU 控制电流作用下以一定速度旋转，通过齿轮传动机构，将叶轮驱动电机的动力传递给叶轮，叶轮以一定速度旋转，增加热水供暖装置中水的流速，提高散热片的散热能力，使室内温度得以提高。

随着供暖装置中水流速的增加，水温度的信号、散热器表面温度的信号以及室内空气温度的信号都相应发生变化，ECU 再次根据变化后信号进行分析计算，通过控制驱动电流调节叶轮驱动电机旋转速度的快慢，从而叶轮旋转速度的快慢发生变化，使散热器散热效果相对变好或变差，最终使设定温度基本与室内空气温度一样，达到理想的生活环境。

（2）当设定温度低于室内空气温度时。ECU 根据设定温度、水的温度、散热器表面温度以及室内空气的温度提供的信号进行分析计算，节水门驱动电机在ECU 控制电流作用下旋转一定角度，通过齿轮传动机构，将节水门驱动电机的动力传递给节水门轴，节水门轴带动节水门旋转到所需角度，改变热水供暖装置管路通道的截面积，控制管路中热水的流速变慢，降低散热片的散热，使室内温度得以降低。同时，由于节水门轴的转动，改变两个反向信号节水门位置传感器的工作位置，传感器输出的信号发生变化。

随着节水门开度的旋转，供暖装置中水流速的变慢，ECU 根据变化的信号进行二次分析计算，通过控制驱动电流调节节水门的位置，从而使供暖装置中水的流速变快或变慢，使散热器散热效果变好或变差，使设定温度基本与室内空气温度一样，达到理想的生活环境。

节水门位置传感器为两个反向信号滑动电阻式传感器，一个反映节水门的正向开度位置，另一个反映节水门的反向开度位置，比较两个信号传感器的信号值可相互检查其工作状态，作为判断传感器是否有失效的一个依据。

（3）当设定温度等于室内空气温度时。热水供暖智能控制装置中的泵水装置和节水门体都不工作，节水门也是完全打开的，只是温度控制面板的显示器显示设定温度、水的温度、散热器表面温度以及室内空气温度的数值。只有当设定温度与室内空气温度不一样时，ECU 根据情况控制泵水装置和节水门体进行上述两种情况工作，使设定温度基本与室内空气温度一样，达到理想的生活环境。

（4）可以通过定时器控制总开关断开与连通，使装置启动运行。当我们需要外出时，我们将定时器打开设定好时间，这时装置不再进行运作节水门完全打开，整个供暖系统正常运行，供暖系统不再受热水供暖智能控制装置控制。我们设定好我们回家时所需的温度，当时间到达了设定的时间时，总电源接通，装置开始工作，达到理想的生活环境。装置实物图如图4所示。

图4 装置实物图

3 结 论

随着中国经济发展的不断加快，人民生活水平的不断提高和互联网的不断发展，“互联网+”开始渗透于生活各个方面，各种家居开始向智能化转变，传统的供暖系统因为其不够节能，不能满足用户的个性化需求已经不能满足现代社会需求，而本产品是一种智能家庭供暖系统，为落实节能减排措施，减少我国一些地区集中供暖带来的空气污染和能源浪费提供了一条有效解决方案，本系统符合终端居家用户对智能供暖的现实需求，具有工作模式选择人性化和便捷性，大大节约了供暖成本，对于未来节约能源，造福百姓，环保供暖有着重大的意义。因此本产品作为一种热水供暖式智能控制装置，具有宽广的发展前景。随着人们对节能与环保的认识越来越深，本系统可以在暖气节能领域发挥较大的作用。与此同时，目前对于暖气智能控制的研究总体还处于探索阶段，未来也会向更加智能化和信息化的方向发展。