翟文超，孫長勇，王淑芳，劉浩然，張家瑞

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高。在冬天，暖氣設(shè)備是常見的室溫調(diào)節(jié)裝置，人們?nèi)∨姆绞揭詿崴┡碗姎夤┡癁橹鳎谑褂贸杀竞褪孢m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(shè)備還有線束老化、設(shè)備損耗率大、使用過程中不能及時(shí)檢修等問題，對(duì)人們?cè)斐砂踩珕栴}。大多數(shù)傳統(tǒng)的熱水供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)都采用單管系統(tǒng)，上供下回的方案相同。該系統(tǒng)適應(yīng)性差，更不用說智能化了。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的熱水供暖式智能控制裝置可以根據(jù)人們的溫度需求，自動(dòng)控制室內(nèi)的溫度，提高人們的舒適性和安全性，特別是對(duì)怕冷的老人、婦女以及孩子。尤其室內(nèi)溫度高，室外溫度低，溫差過大，造成人體不適，甚至引起風(fēng)寒感冒。

1 供暖方式研究現(xiàn)狀

現(xiàn)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(zhuǎn)換為熱能的一種優(yōu)質(zhì)舒適環(huán)保的供暖方式。主要應(yīng)用于建筑、工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)、家用等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)供暖方式相比，采用電能作為供暖能源，無需修建鍋爐房、儲(chǔ)煤、堆灰、管網(wǎng)等設(shè)施，節(jié)約了土地，不產(chǎn)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(tǒng)供暖原理是利用地下土壤中蘊(yùn)含豐富的能量資源和季節(jié)性溫差，在冬季將地下土壤的能量通過地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)提取到地面的空間上來，并通過地面室內(nèi)采暖末端，為室內(nèi)供暖。采用地源熱泵系統(tǒng)供暖非常節(jié)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(xiàn)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(duì)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(shè)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(jié)水門體、泵水葉輪、熱水溫度傳感器、節(jié)水門組成。

2.1 裝置設(shè)計(jì)思路

在冬季，北方地區(qū)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(tǒng)的暖氣流量控制閥需要手動(dòng)操作，而用戶往往忽略調(diào)整控制閥，控溫的效果遠(yuǎn)未達(dá)到理想狀態(tài)。而且大部分老小區(qū)如果實(shí)施分戶計(jì)量，需要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力進(jìn)行暖氣改造，地下管道復(fù)雜的小區(qū)改造起來更加困難。本發(fā)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(qiáng)的熱水供暖智能控制系統(tǒng)，能夠改造傳統(tǒng)的上供下回單管同程式供暖系統(tǒng)不能滿足用戶個(gè)性化需求的弊端，彌補(bǔ)了我國在這一方面的空缺，在保證了正常供暖的同時(shí)，提高了其智能性，在使用過程中，可以通過控制面板對(duì)溫度進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，以達(dá)到智能化設(shè)定。

用戶可以根據(jù)需要選擇加熱狀態(tài)，隨時(shí)調(diào)整加熱溫度，減少加熱過程中的資源浪費(fèi)。供暖系統(tǒng)采用智能控制，功能齊全，安裝方便，使用方便，易于推廣應(yīng)用。采用供暖系統(tǒng)智能控制技術(shù)，將為用戶產(chǎn)生巨大的節(jié)能效果，取得巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.2 裝置組成

在普通的熱水供暖裝置中的管路中設(shè)計(jì)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(cè)熱水供暖裝置中水的溫度傳感器，安裝在節(jié)水門體上；用于檢測(cè)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(cè)室內(nèi)空氣溫度的溫度傳感器，安裝在節(jié)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(qū)動(dòng)直流電機(jī)及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等），安裝在節(jié)水門體上；用于控制熱水供暖裝置中水的流速的節(jié)水門體（兩個(gè)反向信號(hào)的節(jié)水門位置傳感器、節(jié)水門、節(jié)水門驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等），在設(shè)定溫度低于室內(nèi)溫度或不采用智能控制裝置的時(shí)候，節(jié)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(jié)水門體殼體外部上；用于設(shè)定溫度的控制面板（同時(shí)顯示熱水供暖裝置中水的溫度、室內(nèi)空氣的溫度和散熱器表面溫度的溫度，還設(shè)置有控制面板打開或關(guān)閉的開關(guān)），安裝在節(jié)水門體殼體外部上；用于保護(hù)電路的保險(xiǎn)絲；用于總電源打開或關(guān)閉的電源總開關(guān)；用于給智能設(shè)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(jié)構(gòu)連接簡圖

2.3 裝置原理

插上電源插頭，打開電源總開關(guān)，在溫度控制面板上設(shè)定適度溫度后，接著打開控制面板的開關(guān)，此時(shí)ECU 根據(jù)設(shè)定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內(nèi)空氣溫度提供的信號(hào)，分析計(jì)算進(jìn)行控制。當(dāng)設(shè)定溫度高于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，節(jié)水門是完全打開的，ECU 控制葉輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而葉輪旋轉(zhuǎn)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(nèi)溫度得以提高。當(dāng)設(shè)定溫度低于室內(nèi)空氣溫度時(shí)，ECU 控制節(jié)水門驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，節(jié)水門關(guān)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(nèi)溫度得以降低。供暖裝置還可使用定時(shí)器控制總電源的斷開與接通，控制裝置的運(yùn)行。

熱水供暖智能控制裝置根據(jù)人們的需要，可以選擇是否采用，尤其在該電路系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時(shí)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(shí)，應(yīng)避免高油、高鹽或高糖食物的攝入，養(yǎng)成飲食清淡的好習(xí)慣。專家建議成人每天食鹽攝入量不超過6 g，烹飪時(shí)可使用定量鹽勺控制放鹽量，盡可能采用少油烹調(diào)的方式。同時(shí)，在烹調(diào)菜肴時(shí)應(yīng)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(dú)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(huì)影響葉輪旋轉(zhuǎn)的速度，建議使用較大功率的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖2 熱水供暖式智能控制電路簡圖

2.4 裝置創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用該裝置控制水流速度從而實(shí)現(xiàn)室溫的調(diào)控，對(duì)于室溫的控制更為精確。

（2）與傳統(tǒng)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(nèi)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(yùn)行時(shí)，不會(huì)影響供暖系統(tǒng)的正常使用。

2.5 裝置實(shí)施方式

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

圖3 裝置運(yùn)行效果

（1）當(dāng)設(shè)定溫度高于室內(nèi)空氣溫度時(shí)。ECU 根據(jù)設(shè)定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內(nèi)空氣的溫度提供的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，葉輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)在ECU 控制電流作用下以一定速度旋轉(zhuǎn)，通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將葉輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給葉輪，葉輪以一定速度旋轉(zhuǎn)，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(nèi)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(hào)、散熱器表面溫度的信號(hào)以及室內(nèi)空氣溫度的信號(hào)都相應(yīng)發(fā)生變化，ECU 再次根據(jù)變化后信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，通過控制驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)葉輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的快慢，從而葉輪旋轉(zhuǎn)速度的快慢發(fā)生變化，使散熱器散熱效果相對(duì)變好或變差，最終使設(shè)定溫度基本與室內(nèi)空氣溫度一樣，達(dá)到理想的生活環(huán)境。

（2）當(dāng)設(shè)定溫度低于室內(nèi)空氣溫度時(shí)。ECU 根據(jù)設(shè)定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內(nèi)空氣的溫度提供的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，節(jié)水門驅(qū)動(dòng)電機(jī)在ECU 控制電流作用下旋轉(zhuǎn)一定角度，通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將節(jié)水門驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力傳遞給節(jié)水門軸，節(jié)水門軸帶動(dòng)節(jié)水門旋轉(zhuǎn)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(nèi)溫度得以降低。同時(shí)，由于節(jié)水門軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變兩個(gè)反向信號(hào)節(jié)水門位置傳感器的工作位置，傳感器輸出的信號(hào)發(fā)生變化。

隨著節(jié)水門開度的旋轉(zhuǎn)，供暖裝置中水流速的變慢，ECU 根據(jù)變化的信號(hào)進(jìn)行二次分析計(jì)算，通過控制驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)節(jié)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(shè)定溫度基本與室內(nèi)空氣溫度一樣，達(dá)到理想的生活環(huán)境。

節(jié)水門位置傳感器為兩個(gè)反向信號(hào)滑動(dòng)電阻式傳感器，一個(gè)反映節(jié)水門的正向開度位置，另一個(gè)反映節(jié)水門的反向開度位置，比較兩個(gè)信號(hào)傳感器的信號(hào)值可相互檢查其工作狀態(tài)，作為判斷傳感器是否有失效的一個(gè)依據(jù)。

（3）當(dāng)設(shè)定溫度等于室內(nèi)空氣溫度時(shí)。熱水供暖智能控制裝置中的泵水裝置和節(jié)水門體都不工作，節(jié)水門也是完全打開的，只是溫度控制面板的顯示器顯示設(shè)定溫度、水的溫度、散熱器表面溫度以及室內(nèi)空氣溫度的數(shù)值。只有當(dāng)設(shè)定溫度與室內(nèi)空氣溫度不一樣時(shí)，ECU 根據(jù)情況控制泵水裝置和節(jié)水門體進(jìn)行上述兩種情況工作，使設(shè)定溫度基本與室內(nèi)空氣溫度一樣，達(dá)到理想的生活環(huán)境。

（4）可以通過定時(shí)器控制總開關(guān)斷開與連通，使裝置啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)我們需要外出時(shí)，我們將定時(shí)器打開設(shè)定好時(shí)間，這時(shí)裝置不再進(jìn)行運(yùn)作節(jié)水門完全打開，整個(gè)供暖系統(tǒng)正常運(yùn)行，供暖系統(tǒng)不再受熱水供暖智能控制裝置控制。我們?cè)O(shè)定好我們回家時(shí)所需的溫度，當(dāng)時(shí)間到達(dá)了設(shè)定的時(shí)間時(shí)，總電源接通，裝置開始工作，達(dá)到理想的生活環(huán)境。裝置實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 裝置實(shí)物圖

3 結(jié) 論

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷加快，人民生活水平的不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”開始滲透于生活各個(gè)方面，各種家居開始向智能化轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)因?yàn)槠洳粔蚬?jié)能，不能滿足用戶的個(gè)性化需求已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)需求，而本產(chǎn)品是一種智能家庭供暖系統(tǒng)，為落實(shí)節(jié)能減排措施，減少我國一些地區(qū)集中供暖帶來的空氣污染和能源浪費(fèi)提供了一條有效解決方案，本系統(tǒng)符合終端居家用戶對(duì)智能供暖的現(xiàn)實(shí)需求，具有工作模式選擇人性化和便捷性，大大節(jié)約了供暖成本，對(duì)于未來節(jié)約能源，造福百姓，環(huán)保供暖有著重大的意義。因此本產(chǎn)品作為一種熱水供暖式智能控制裝置，具有寬廣的發(fā)展前景。隨著人們對(duì)節(jié)能與環(huán)保的認(rèn)識(shí)越來越深，本系統(tǒng)可以在暖氣節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮較大的作用。與此同時(shí)，目前對(duì)于暖氣智能控制的研究總體還處于探索階段，未來也會(huì)向更加智能化和信息化的方向發(fā)展。