【摘 ?要】本文對燃氣熱水器水溫控制模型進行研究，依據(jù)燃氣熱水器控制原理，設(shè)計水溫智能控制系統(tǒng)。試驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行效率較高，溫差較小，能夠充分利用水資源，經(jīng)過二次加熱處理，使得水資源利用率提高至100%。

【關(guān)鍵詞】燃氣熱水器;智能控制;節(jié)約資源

一、燃氣熱水器水溫控制模型

1、出水溫度控制模型

依據(jù)公式（2）中的關(guān)系可知，水流量決定了水加熱耗時，當熱水器出水溫度發(fā)生變化時，即熱水器熱平衡狀態(tài)發(fā)生改變，從當前狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種狀態(tài)，容易受到多種因素影響，導致耗時差異性較大。其中，影響因素可以是熱變換效率、機殼尺寸、環(huán)境溫度等。

2、出水溫度控制特性

當前設(shè)計的燃氣熱水器水溫控制采用人工控制法，通過直接觀測采集水溫信息，調(diào)節(jié)閥門工作狀態(tài)，對冷水進行加溫處理，在閥門控制上出現(xiàn)延后或者提前情況，導致出水溫度未達到標準，浪費了大量水資源[3]。這種操控特性主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）人工操控成本較高，缺少智能化控制。（2）出水溫度控制精準度較低，水資源浪費較為嚴重。

二、智能水溫控制系統(tǒng)設(shè)計

本文采用智能控制技術(shù)，提出智能水溫控制系統(tǒng)，依據(jù)燃氣熱水器溫度控制原理，對外圍水路進行設(shè)計，并提出系統(tǒng)軟件開發(fā)方案。

1、系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的智能水溫控制系統(tǒng)由液晶顯示屏、人機交互、按鍵模塊、傳感器、溫度控制模塊5部分構(gòu)成。如圖1所示為智能水溫控制系統(tǒng)框架。

在圖1中，人機交互指的是計算機操控終端，按照管理人員需求，下達水溫控制命令;按鍵模塊是操控命令的輸入端;傳感器主要用于采集水溫信息;溫度控制模塊是本系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)水溫控制需求，利用恒溫控制裝置設(shè)置需要加熱的溫度值，啟動加熱器開始加熱，與此同時，利用微控制器調(diào)節(jié)水管中冷水回流溫度，使得出口端水溫度均能夠達到標準，提高水資源利用率[4]。

2、控制原理及操控規(guī)則

本系統(tǒng)的控制原理是根據(jù)用戶給定溫度值，啟動溫度控制模塊，一次加熱是按照溫度給定值加熱冷水管中的冷水，如果測得溫度達到標準，則從出口流出，反之，采取二次加熱處理[5]。二次加熱是對冷水回流中的溫水進行加熱，利用加熱器進行二次加熱，通過調(diào)節(jié)氣閥控制加熱狀態(tài)，當水溫達到給定值時，關(guān)閉閥門停止加熱。以下為水溫控制操控規(guī)則：

（1）如果水溫未達標準，測得水溫較低，則首先采取調(diào)氣處理，啟動調(diào)氣閥門，加熱水溫;

（2）如果水溫未達標準，測得水溫較高，則首先采取調(diào)水處理，調(diào)節(jié)冷水管回流溫度控制，向當前水箱中加入冷水，以達最佳溫度。

3、外圍水路設(shè)計

與普通的燃氣熱水器相比，本文設(shè)計的智能化控制系統(tǒng)在天然氣接入管道和水管連通兩個方面進行了改進?？紤]到壓力變化導致冷水回流問題，本系統(tǒng)通過STM32微控制器控制閥門調(diào)控。如圖2所示為智能化水溫控制系統(tǒng)外圍水路設(shè)計圖。

（1）天然氣接入管道改造設(shè)計

在天然氣管道出口安裝氣閥，用于調(diào)節(jié)進氣量，利用模糊PID算法對進氣量進行計算，根據(jù)計算結(jié)果下達氣閥控制命令，這樣可能節(jié)省一部分燃氣資源，以保水溫控制燃氣資源充足[6]。

（2）水管連通改造設(shè)計

對于水管通道的改進，本系統(tǒng)將多個水管道連接到一起，采用并聯(lián)方式接通，形成家庭用水管道回路，便于冷水加熱集中控制。

4、系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

本系統(tǒng)軟件開發(fā)建立在模糊PID算法基礎(chǔ)上，根據(jù)水溫操控需求，對此算法加以修改，得到燃氣熱水器水溫控制算法。

第一步：對STM32微控制器進行上電初始化處理，設(shè)定溫度值，通過信息采集模塊采集水管中溫度值;

第二步：判斷當前水溫是否需要加熱或者降溫，如果需要加熱，則執(zhí)行第三步，如果需要降溫，則執(zhí)行第五步，如果溫度達到了設(shè)定值，則執(zhí)行第六步;

第三步：運行恒溫算法，計算需要升高的溫度;

第四步：采取調(diào)氣處理，啟動調(diào)氣閥門，加熱水溫，返回第二步;

第五步：采取調(diào)水處理，調(diào)節(jié)冷水管回流溫度控制，向當前水箱中加入冷水，返回第二步。

第六步：從出水管中流出熱水。

三、系統(tǒng)測試分析

本文選取手動控制作為對照組，智能控制作為實驗組，對水溫控制性能進行對比，得出相應(yīng)結(jié)論，測試性能指標及結(jié)果如表1所示。

通過觀察表1中的測試結(jié)果可知，智能控制在初始溫度調(diào)節(jié)時間耗費方面優(yōu)勢較大，升溫與降溫調(diào)節(jié)溫差穩(wěn)定在1℃，較手動控制更為穩(wěn)定。另外，智能控制系統(tǒng)可以充分利用水資源，通過二次加熱處理，不浪費水資源，而手動控制水資源利用率僅有78%。

總結(jié)

本文圍繞燃氣熱水器水溫控制問題展開研究，選取手工控制為對照組，以本文設(shè)計的智能溫度控制系統(tǒng)作為實驗組，通過對比水溫控制性能，驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可靠性。測試結(jié)果表明，智能控制系統(tǒng)運行效率較高，溫差較小，能夠充分利用水資源。

參考文獻：

[1]袁麗麗，戶孝文.基于全自動燃氣熱水器的PID溫度控制參數(shù)整定研究[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2017（32）：186-187.

[2]李榮茂.基于單片機電熱水器液位、溫度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子制作，2017（15）：66-67.

[3]孫浩文.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下太陽能熱水器遠程智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（11）：150-154.

[4]王驥豪，李莎.基于STC12C5A60S2單片機對智能熱水器的應(yīng)用提高系統(tǒng)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（7）：9-9.

[5]史勇，肉孜·阿木提.一種利用太陽能提升溫室灌溉用井水溫度裝置的設(shè)計與試驗[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2018，46（19）：265-268.

作者簡介：

陽悠悠 ? ? ? 學歷：本科

（作者單位：廣東萬家樂燃氣具有限公司）