储水式电热水器热水供应自适应的研究

钟益明 陈庆明 杨焕雯

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

前言

储水式电热水器是在设定好目标加热温度情况下，给发热管通电，把电能转换成热能，从而加热电热水器内胆的热水，达到目标加热温度，从而用于洗浴活动[1]。区别于即热式电热水器，储水式电热水器的加热功率较低一些，要把热水加热倒目标的出水温度，往往需要一段时间，如果加热功率较低、进水温度较低、目标温度较高并且电热水器容量较大时，等待时间就会很长，有时候从设置目标温度到加热到目标温度需要1个多小时时间。

目前，有一些预约技术可以弥补缺点，通过每天提前预约方式来预约加热时刻，减少用户洗浴前的等待时间，但是在多人洗浴、多个时间点洗浴时，这种预约方式也少不了需要多次用户预约设定时间，甚至预约技术完全预约，又或者由于工作等原因而每天不同的洗浴时间不同时，那么就需要频繁的设定预约时间，并没给用户带来方便。

1 基于用水习惯的热水供应自适应

储水式电热水器加热时间较长一直是用户痛点之一。为了解决该用户痛点，普通储水式电热水器基础上，针对大部分用户洗浴在一定的环境温度下，具有一定习惯性的用水时间、洗浴流量、洗浴温度等，因此研发热水供应自适应技术[2]。

基于洗浴习惯的热水供应自适应技术[3]，主要电热水器根据用户的用水习惯，自动设置热水器加热，按需安排热水供应量、加热时间，确保在用户洗浴用水前准备足够热水，并根据用户洗浴习惯设置洗浴出水温度。

基于洗浴习惯的热水供应自适应技术首先是采集并保存用水习惯信息[4]，包括时间、温度、流量等信息；根据用户用水信息识别用户周期等用水习惯[5]；根据用户用水周期、用水信息以及实时的信息，按需合理安排电热水器加热温度和加热时间等；最后自动控制储水式电热水器加热，确保在用户习惯用水时间前准备好足够热水，如图1所示。

2 热水供应自适应系统的结构

如图2所示，储水式电热水器的自适应供应热水系统中，功能上主要分为两部分，一部分是用于控制热水供应的电路板及其结构，另一部分是用于采集用户用水特征的传感器及其结构。

在电热水器热水出口安装电子恒温阀，使得用户的洗浴用水恒定在设定温度范围内，不会随着内胆温度降低而降低；热水供应由电热水器的电路板控制。

用户用水的流量由流量传感器直接采集，用户用水的温度由出水温度传感器直接采集，这两个参数直接反映了用户用水特征。另外进水温度与环境温度、与用户用水息息相关，采集进水温度既用于记录用户用水特征，也用于电热水器根据进水温度控制加热温度和加热时间。

3 热水供应自适应的算法

最小二乘法的原理就是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。其意义就是通过求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，以最小值来判断并筛选数据。其意义就是通过求得的数据与实际数据之间方差为最小，以最小值该项来判断并筛选数据。

自识别用户习惯，应用最小二乘法，基于计算用户用水行为之间的方差来定量衡量规律的强度，根据规律的强度判断用户用水有无规律以及具体的规律性周期。

假设用户用水习惯具有某个周期T天，那么以T天为周期某个时间段t的用水量偏差应该具有最小的方差，以此来判断用户用水的习惯周期。

由于储水式电热水器的需要学习用户用水的时间、用水量，因此结合热水器实际需要和最小二乘法，求得用户习惯的周期。

大部分人具有在一定时期内既具有一定规律性，同时也具有主观能动性，因此大多数用户用水习惯具有一定规律，但是也不可能完全一样，主要表现在用水量与用水时间点存在一定的随机性。因此在热水供应过程中，考虑用户的用水量以及用水时间的波动。

根据能量守恒定律，从保存数据中得到用户特征信息的用户用水时间、用水流量及用水温度，根据电热水器的热水输出率θ的定义，可以计算得到目标的加热温度T加热：同时由于用户的用水习惯具有一定的随机性以及受环境影响而造成能量的变化，因此需要修正以及留有余量。

图1 基于用水习惯的热水自适应供应框图

图2 自适应供应热水系统的结构

式中：Q习惯洗浴为用户习惯用水量，c是水的比热容，V是电热水器容积，θ是电热水器热水输出率，T冷水是冷水温度，T加热是电热水器目标温度，ρ是水的密度，T余量修正是根据洗浴习惯不确定度而确定的预留温度余量，可以取3 ℃。

实时读取当前电热水器进水温度胆内温度T内胆以及电热水器的加热功率，可以得到加热所需要的加热时间t加热：

式中：c是水的比热容，V是电热水器容积，μ是电热水器加热效率，T加热是电热水器目标温度，ρ是水的密度，T内胆为实时胆内温度，P加热功率。

根据用户习惯当天对应的用水时间为t习惯用水，定义余量参数为t余量，开启加热的时间t开始加热，由于用户用水行为具有一定的随机性以及受环境影响，因此需要留有一定时间余量

式中：t习惯用水用水时间，是根据上述学习得到参考用水习惯得到的时间，该用水时间采用上周期该用户习惯的用水时间。如果用户自行设置洗浴预约时间，那么t习惯用水优先采用用户设置的时间。

t余量是根据用户洗浴习惯不确定度所预留的时间余量。该余量时间是预防用户比计划提前用水所增加的余量时间，提前加热的时间，可以取1小时。

t加热是式子（2）得到的加热时间。

这样，根据自学习用户用水习惯的洗浴温度，最终合理控制电热水器加热，确保按需供应，在用户洗浴用水前准备好热水。

4 提高热水供应准确度的研究

无论是储水式电热水器的产品实际应用需要还是国标、团标要求，基于用户用水习惯按需供应热水，不仅要求满足用户的舒适性要求，即允许用户用水量、用水时间都存在一定的波动范围，也即准确率；同时按需供应热水要求比储水式电热水器长期保温具有一定的节能效果，也即节能率。

根据前文描述的热水供应自适应系统，用户的用水流量、用水温度以及进水温度是用户用水特征信息，影响自适应供应热水的准确率以及节能率。而进水温度是通过传感器采集的，用户用水温度经过恒温阀控制出水温度并通过温度传感器采集得到；用水流量通过流量传感器采集得到。

传感器采集的精度、洗浴温度的控制性能不仅会影响采集用户用水习惯的准确性，也会进一步影响热水供应准确率以及节能效果。因此，提高热水供应的准确性，关键在于提高传感器的采集准确度以及恒温出水的误差。

为保证整个系统的性能，采集内胆温度、进水温度、热水出水温度以及洗浴出水温度的温度传感器选用精度小于1%的热敏电阻，检测精度为0.5 ℃。为提高热水供应的准确度以及节能效果，着重研究流量传感器准确度以及出水温度的控制误差。

4.1 优化流量传感器

流量传感器影响大，同样的用水时间、进出水条件下，流量的误差与用水量误差成正比，而目前大多霍尔流量传感器误差在±7.5 %以上。如果采用误差为±7.5%的流量传感器，传感器带来的误差往往10 %以上，甚至达到20 %的误差，加上系统为满足舒适性需求而需要多准备热水，因此热水供应的准确度就会降低，节能效果也不明显。

为提高热水供应准确度，首先从优化流量传感器开始。从常用的霍尔流量传感器的结构分析可以得知，原有霍尔流量传感器是2对磁性转子，如图3 。

经过测试得到这时水流通过传感器时检测得到的脉冲数与流量的关系如图4 。

由此可见，在原有的霍尔流量传感器的流量值与脉冲数呈线性关系，关系为：脉冲频率=7.6*流量（L/min）。

由于同等流量下，磁性转子数量与检测得到的脉冲数成正相关的关系。为了突破流量检测的精度和范围，提高现有霍尔流量传感器检测精度，研究增加磁性转子，并优化结构，原来的2对磁性转子增到3对磁性转子，提高流量传感器的分辨度和精度，如图5所示。

通过优化，检测得到流量与脉冲数的关系如图6。

优化后的流量传感器其流量值与脉冲数关系为：脉冲频率=11.34*流量（L/min），使得其检测精度在±5 %以内，不仅在线性上保持良好的线性关系，而且提高了脉冲函数的系数，使得检测流量时分辨率提高，提高检测精度与准确度。

4.2 稳定出水温度

现有储水式电热水器是承压式的，放水过程中，由于内胆温度不断减低，往往从最高的75 ℃下降到40 ℃左右，在不改变混水比例情况下，出水温度不断减低。同时，在洗浴过程，由于水压不稳或者流量波动造成出水温度的波动。出水温度的波动不仅影响用户舒适性，而且影响用户用水习惯的信息采集，从而影响热水供应的准确性及节能效果。

图3 原有的霍尔流量传感器转子

图4 原有的流量传感器的流量与脉冲频率关系

为提高热水供应的精度，从结构上增加并优化混水结构，增大混水结构的缓冲作用，减少水压水流变化对于出水的影响；并且保证混水结构的CV值，方便用于恒温控制。首先，根据给出的三维模型，对阀内的流体进行了建模，作为计算用的模型；然后打出样板在实际中调节结构，最终得到较好的测试数值，如图7所示。

如图8所示，最终经过实际测试，可以看出，混水阀具有较好的Cv值，Cv值大部分计算点的绝对误差在0～0.6左右，相对误差来说，大部分数据点的相对误差小于15 %。

图5 优化霍尔流量传感器转子

图6 优化后流量传感器的流量与脉冲频率关系

图7 恒温阀的结构仿真建模图

如图9，另一方面优化电路和程序控制，采用模糊PID恒温控制方法，减少温度变化对于系统的影响，实现出水恒温控制。

温度传感器选用精度不大于1%的热敏电阻，保证控制精度在±1 ℃，出水误差小于并且在波动下3 s之内实现恒温，减少出水温度波动对于洗浴时长预报的影响。

5 测试方法以及结果

参考欧标EN 50440-2015中测试条件和评估方法，针对万和储水式电热水器E55-EY3H-33机型，首先放一周的水，让电热水器学习用户用水周期；其次，根据9.2.6章节要求，以7天作为学习周期，参考期前5天选用MMMSS放水模式，后两天不放水，其中M与S的具体模式详见标准中的表4。

最后，测试智能期，如标准中9.2.7所描述的测试，测试得到

经过测试并计算，智能期的热水满足用户用水习惯的要求，并且保证用水量与用水时间的舒适性，其中的总误差为1.2 %。

图8 混水阀的CV值对比

图9 扰动下恒温效果曲线

本文提供的方法适用于不同存储数据的大小来应用，不仅可以针对大数据用户运算，而且可以在具有保存数据的单片机上应用，同样实现自学习用户习惯并自适应供应热水。

6 应用设计

为推广产品，且方便在普通的储水式电热水器中实现自适应热水供应，本文创新结构设计，不改变储水式电热水器原有的结构基础上，在电热水器外接上结构装置。其中装置结构接口统一，与储水式电热水器统一标准，如图10，1、2结构为4分内螺纹螺母，与储水式电热水器的冷水和热水接口的4分外螺纹配对连接。

7 总结

本文针对储水式电热水器等待加热时间过长的痛点，根据大部分用户用热水具有一定的规律性，采集用户用水习惯参数信息，并根据用户习惯特征数据、实时的信息自适应规划并控制热水，保证用户按习惯用水前准备好足够的热水。经过按照欧洲标准测试，自适应供应热水方案不仅能自动识别用户用水习惯规律，热水供应误差1.2 %，智能控制节能22.7 %。

图10 自适应供应热水系统的应用结构