申请/专利权人：华北电力大学

申请日：2019-06-27

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN110162117B

主分类号：G05D23/32

分类号：G05D23/32;G08C17/02;F24D19/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2019.09.17#实质审查的生效;2019.08.23#公开

摘要：本发明公开了属于温度控制领域的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置及温控方法；控制器内安装有室温传感器，光电位移传感器、室温传感器和智能电热阀分别通过无线射频通讯与控制器相连；光电位移传感器安装于屋内窗门的边框上，室温传感器安装在控制器的一端侧壁内部，控制器安装在屋内的墙壁上，智能电热阀安装在屋内暖气的热水入口管道上。不仅仅实时获取窗门开关状态，更是实现对窗门开度及其变化量的辨识；散热设备的智能温控阀在对室温变化做出调节响应的同时，实现“窗门超出开度限制时联动关阀”的自动控制；在满足用户自然通风需求的同时，解决了现有采暖系统末端调节系统在用户开窗模式下浪费大量热量的问题。

主权项：1.一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，包括：光电位移传感器1、控制器3及智能电热阀4；其中控制器3内安装有室温传感器2，光电位移传感器1、室温传感器2和智能电热阀4分别通过无线射频通讯与控制器3相连；光电位移传感器1安装于屋内窗门的边框上，室温传感器2安装在控制器3的一端侧壁内部，控制器3安装在屋内的墙壁上，智能电热阀4安装在屋内暖气的热水入口管道上；所述光电位移传感器1包括：电池、无线发射器、遮光器6、透光狭缝7、传动轴8、发光晶体管9、光敏晶体管10和外壳23，其中外壳23为设有一个弦面231的筒形结构，传动轴8转动连接于外壳23的底面233内，遮光器6为圆盘状，弦面231上开有允许遮光器6穿过的条形孔232，传动轴8穿过遮光器6并与遮光器6固接，且外壳23、传动轴8与遮光器6三者的轴线共线，透光狭缝7周向均匀设置于遮光器6径面的外侧；发光晶体管9和光敏晶体管10固接于外壳23的弧面内且分别位于遮光器6的上下两侧面外，外壳23的弧面外设有安装块，安装块234沿至少径向和轴向的两个方向开有固定孔2341以配合自攻丝螺钉、膨胀螺栓或钉子；当用于安装自攻丝螺钉时，固定孔2341内攻有螺纹丝，自攻丝螺钉使用塑料膨胀管安装在窗台、门框或窗门边的墙面上；电池和无线发射器安装在外壳23的底面233内，电池、发光晶体管9和光敏晶体管10都与无线发射器相连；所述窗门为平开式或推拉式；当窗门为平开式时，光电位移传感器1通过安装块234安装于窗门的边框上，传动轴8通过连轴器24与平开窗或平开门的铰链转轴25相连，传动轴8随窗门的开关发生转动；测试最小分辨度由透光狭缝7的个数N决定；角度相对位移量△α为： 其中，n为输出的电压脉冲个数的代数；当窗门为推拉式时，光电位移传感器1通过安装块234固定安装于移动端窗门框下沿26，且保证遮光器6与可推拉的外框边缘、窗台或地面接触连接，测试最小分辨度由透光狭缝7的个数N和遮光器6的半径R共同决定；直线相对位移量△L为： 当窗门开度变大时，相对位移量为正值，反之为负。

全文数据：一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置及温控方法技术领域本发明属于温度控制技术领域，具体为一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置及温控方法。背景技术我国供暖系统末端经历了无调节手段、手动调节、自力式调节等阶段，现已进入智能调节阶段。然而，目前的室温智能调控往往是仅依据实测室温与室温设定值的偏差的变化来实现。由于末端调控阀的自动调节作用，当出现用户开窗通风时，室温急剧下降，温控阀接收到室温传感器的信号后，则会自动调至最大开度状态，散热器流量快速增加且散热表面换热系数增大，由此带来的热量损失比传统供暖系统更为严重。用户开窗行为对耗热量的影响，一直是颇受关注的问题。相关研究指出，用户开外窗时室内通风换气次数约为3-10次h，造成的瞬间热量损失为外墙传热的2-6倍。特别是，当末端应用可自动调节的温控阀时，用户开窗时段内的耗热量达到不开窗时段内耗热量的2-3倍。而据北京、天津等地区采暖用户问卷调查统计，约88％的用户存在经常开窗的行为。因此，为顾及居民生活习惯的同时，尽可能减少热量浪费，应从技术上寻求改进：开发具有智能辨识窗门开度并联动调节的室温控制系统，在用户开窗达到一定开度时会自动关闭散热设备阀门，等关窗后又自动打开散热设备阀门。现有的开关窗行为记录装置往往仅记录门窗的开、关信息，且尚未在采暖系统的温控系统中进行关联应用。针对现有采暖系统末端智能调节方法在用户开窗时会导致大量热量浪费等方面的问题，本发明提出了一种嵌入了窗门开度辨识并联动调节的采暖末端智能温控装置及方法，在实现室温热舒适控制与满足通风需求的同时，最大程度地减少用户开窗期间的热量损耗。发明内容针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，包括：光电位移传感器、控制器及智能电热阀；其中控制器内安装有室温传感器，光电位移传感器、室温传感器和智能电热阀分别通过无线射频通讯与控制器相连；光电位移传感器安装于屋内窗门的边框上，室温传感器安装在控制器的一端侧壁内部，控制器安装在屋内的墙壁上，智能电热阀安装在屋内暖气的热水入口管道上。所述光电位移传感器包括：电池、无线发射器、遮光器、透光狭缝、传动轴、发光晶体管、光敏晶体管和外壳，其中外壳为设有一个弦面的筒形结构，传动轴转动连接于外壳的底面内，遮光器为圆盘状，弦面上开有允许遮光器穿过的条形孔，传动轴穿过遮光器并与遮光器固接，且外壳、传动轴与遮光器三者的轴线共线，透光狭缝周向均匀设置于遮光器径面的外侧；发光晶体管和光敏晶体管固接于外壳的弧面内且分别位于遮光器的上下两侧面外，外壳的弧面外设有安装块，安装块沿至少径向和轴向的两个方向开有固定孔以配合自攻丝螺钉、膨胀螺栓或钉子；当用于安装自攻丝螺钉时，固定孔内攻有螺纹丝，自攻丝螺钉使用塑料膨胀管安装在窗台、门框或窗门边的墙面上；电池和无线发射器安装在外壳的底面内，电池、发光晶体管和光敏晶体管都与无线发射器相连。所述窗门为平开式或推拉式；当窗门为平开式时，光电位移传感器通过安装块安装于窗门的边框上，传动轴通过连轴器与平开窗或平开门的铰链转轴相连，传动轴随窗门的开关发生转动；测试最小分辨度由透光狭缝的个数N决定；角度相对位移量△α为：其中，n为输出的电压脉冲个数的代数；当窗门为推拉式时，光电位移传感器通过安装块固定安装于移动端窗门框下沿，且保证遮光器与可推拉的外框可以推拉的推拉窗或推拉门的外框边缘、窗台或地面接触连接，测试最小分辨度由透光狭缝的个数N和遮光器的半径R共同决定；直线相对位移量△L为：当窗门开度变大时，相对位移量为正值，反之为负。所述连轴器包括：硬壳管、两组勺形压片板、两块根部连接板和两个平头螺栓组成；其中硬壳管的中部对向开有两个与平头螺栓匹配的螺栓孔，两组勺形压片板的上端分别通过一块根部连接板安装于硬壳管的内部，且勺形压片板的周向位置与螺栓孔相对应；勺形压片板由上方的直板和下方为一块U形板固接而成，其中U形板的下沿较长，且长度至少为上沿的1.2倍；U形板的下沿口设有一向内的坡度，当勺形压片板受压向内弯曲时，U形板的下沿接触并弯曲，同时向内的变形坡帮助U形板锁紧平开窗的铰链转轴，当铰链转轴为无帽的型号时，该向内的变形坡提供足够的锁紧力。所述连轴器中：硬壳管的硬度＞根部连接板的硬度≥直板的硬度≥U形板的硬度；连轴器中变形坡与U形板下沿外侧夹角小于40度。所述控制器包括：控制器外壳、室温传感器、液晶显示屏、上调按钮、下调按钮、确认键、菜单键、显示屏开关键和单片机；其中液晶显示屏、上调按钮、下调按钮、确认键、菜单键和显示屏开关键分别通过线路与单片机相连，液晶显示屏、上调按钮、下调按钮、确认键、菜单键和显示屏开关键都安装在控制器外壳的同一侧面上；所述单片机包括：微处理器、输入单元、存储单元和输出单元；其中输入单元、存储单元和输出单元分别和微处理器相连；微处理器中内置窗门开度辨识和室温控制逻辑两个核心算法；输入单元与光电位移传感器和室温传感器相连，输出单元与智能电热阀相连。所述智能电热阀由电热执行器和阀门两部分组成，执行器用螺栓连接在阀门上，阀门直接安装于屋内暖气的热水入口管道上。一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置的温控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、安装光电位移传感器和控制器，将智能电热阀安装在屋内暖气的热水入口管道上；步骤2、在确保窗门关闭状态下，启动室内供暖系统，打开控制器，并进行初始化归零设置；步骤3、每隔一定时长，微处理器通过输入单元向室温传感器发出收集实时温度的请求信号，随后室温传感器将室温实测值Ta发送给控制器；当用户进行开窗、关窗或调整窗门开度等行为时，光电位移传感器被触发，实时辨识出窗门的相对位移量，并通过无线发射器将当前相对位移量信号发送给控制器中的输入单元；步骤4、控制器接收室温传感器实测数据及室温设定值、窗门开度变化值及窗门开度限值数据，微处理器进行运算；若控制器一直未接收到窗门开度变化信号，执行步骤7，否则，执行步骤5；步骤5：控制器接收当前窗门相对位移量，并通过微处理器的计算得出当前窗门开度，与设定的窗门开度限值进行比较，并存储当前窗门开度值；步骤6、将当前窗门开度与设定的窗门开度限值进行比较，若当前时刻窗门开度窗门开度限值则发出关阀信号及低鸣提示音，执行步骤8并待机，直至光电位移传感器收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；步骤7：每隔一定时长，控制器比较室温实测值与设定值的偏差，并按内置的室温控制算法，计算下一时间步长的阀门开度、阀门通断时间或通断状态，再向温控阀发出调节指令；循环执行该步骤，在窗门关闭状态或窗门打开细小微缝状态时，维持正常采暖，按一定时长循环执行室温控制逻辑，直至光电位移传感器收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；步骤8：当智能电热阀接收到控制器发出的开阀信号或关阀信号指令后，进行执行。所述本步骤5具体包括：步骤501、当前窗门开度变化值的计算：式中，ΔLi表示推拉式的窗门当前相对位移量，mm，推拉式窗门发生第1次相对位移量标记为ΔL1，推拉式窗门发生第2次相对位移量标记为ΔL2；L表示推拉式窗门的最大可开窗宽度，mm；Δαi表示平开式窗门当前的相对角度位移量，平开式窗门发生第1次相对角位移量标记为Δα1，平开式窗门发生第2次相对角位移量标记为Δα2；步骤502、进行当前窗门开度的计算，并将当前窗门开度存入存储单元，当前窗门开度的计算方法为：式中，表示窗门当前开度，表示前一状态下的窗门开度，表示当前开度变化值。所述本步骤7具体包括：步骤701、每隔一定时长，室温控制器采集当前室温实测值Ta、室温设定值tset并进行比较；步骤702、当Tatset+0.5，发出关阀指令；当Ta窗门开度限值则发出关阀信号及低鸣提示音，执行步骤8并待机，直至光电位移传感器1收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；步骤7：每隔一定时长，控制器比较室温实测值与设定值的偏差，并按内置的室温控制算法，计算下一时间步长的阀门开度、阀门通断时间或通断状态，再向温控阀发出调节指令；循环执行该步骤，在窗门关闭状态或窗门打开细小微缝状态维持正常采暖，按一定时长5min循环执行室温控制逻辑，直至光电位移传感器1收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；本步骤具体包括：步骤701、每隔一定时长如5min，室温控制器采集当前室温实测值Ta℃、室温设定值tset℃并进行比较；步骤702、当Tatset+0.5，发出关阀指令；当Ta窗门开度限值则发出关阀信号及低鸣提示音，执行步骤8并待机，直至光电位移传感器1收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；步骤7：每隔一定时长，控制器比较室温实测值与设定值的偏差，并按内置的室温控制算法，计算下一时间步长的阀门开度、阀门通断时间或通断状态，再向温控阀发出调节指令；循环执行该步骤，在窗门关闭状态或窗门打开细小微缝状态维持正常采暖，按一定时长5min循环执行室温控制逻辑，直至光电位移传感器1收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；本步骤又包括：步骤701、每隔一定时长如5min，室温控制器采集当前室温实测值Ta℃、室温设定值tset℃并进行比较；步骤702、当Tatset+0.5，发出关阀指令；当Tatset-0.5，发出开阀指令；当tset-0.5≤Ta≤tset+0.5，维持阀门当前状态不变；步骤8：当智能电热阀4接收到控制器3发出的开阀信号或关阀信号指令后，进行执行。在本实施例中，为了允许用户在窗门打开细小微缝状态下维持正常采暖，需给予用户进行窗门开度限值的设定权限；在综合了舒适和节能角度考虑后，室温设定默认值取20℃，窗门开度限值默认值取5％。

权利要求：1.一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，包括：光电位移传感器1、控制器3及智能电热阀4；其中控制器3内安装有室温传感器2，光电位移传感器1、室温传感器2和智能电热阀4分别通过无线射频通讯与控制器3相连；光电位移传感器1安装于屋内窗门的边框上，室温传感器2安装在控制器3的一端侧壁内部，控制器3安装在屋内的墙壁上，智能电热阀4安装在屋内暖气的热水入口管道上。2.根据权利要求1所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，所述光电位移传感器1包括：电池、无线发射器、遮光器6、透光狭缝7、传动轴8、发光晶体管9、光敏晶体管10和外壳23，其中外壳23为设有一个弦面231的筒形结构，传动轴8转动连接于外壳23的底面233内，遮光器6为圆盘状，弦面231上开有允许遮光器6穿过的条形孔232，传动轴8穿过遮光器6并与遮光器6固接，且外壳23、传动轴8与遮光器6三者的轴线共线，透光狭缝7周向均匀设置于遮光器6径面的外侧；发光晶体管9和光敏晶体管10固接于外壳23的弧面内且分别位于遮光器6的上下两侧面外，外壳23的弧面外设有安装块，安装块234沿至少径向和轴向的两个方向开有固定孔2341以配合自攻丝螺钉、膨胀螺栓或钉子；当用于安装自攻丝螺钉时，固定孔2341内攻有螺纹丝，自攻丝螺钉使用塑料膨胀管安装在窗台、门框或窗门边的墙面上；电池和无线发射器安装在外壳23的底面233内，电池、发光晶体管9和光敏晶体管10都与无线发射器相连。3.根据权利要求2所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，所述窗门为平开式或推拉式；当窗门为平开式时，光电位移传感器1通过安装块234安装于窗门的边框上，传动轴8通过连轴器24与平开窗或平开门的铰链转轴25相连，传动轴8随窗门的开关发生转动；测试最小分辨度由透光狭缝7的个数N决定；角度相对位移量△α为：其中，n为输出的电压脉冲个数的代数；当窗门为推拉式时，光电位移传感器1通过安装块234固定安装于移动端窗门框下沿26，且保证遮光器6与可推拉的外框边缘、窗台或地面接触连接，测试最小分辨度由透光狭缝7的个数N和遮光器6的半径R共同决定；直线相对位移量△L为：当窗门开度变大时，相对位移量为正值，反之为负。4.根据权利要求3所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，所述连轴器24包括：硬壳管241、两组勺形压片板242、两块根部连接板243和两个平头螺栓244组成；其中硬壳管241的中部对向开有两个与平头螺栓244匹配的螺栓孔，两组勺形压片板242的上端分别通过一块根部连接板243安装于硬壳管241的内部，且勺形压片板242的周向位置与螺栓孔相对应；勺形压片板242由上方的直板2421和下方为一块U形板2422固接而成，其中U形板2422的下沿较长，U形板2422的下沿口设有一向内的坡度，当勺形压片板242受压向内弯曲时，U形板2422的下沿接触并弯曲，同时向内的变形坡2423帮助U形板2422锁紧平开窗的铰链转轴25，当铰链转轴25为无帽的型号时，该向内的变形坡2423提供足够的锁紧力。5.根据权利要求4所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，所述连轴器24中：硬壳管241的硬度＞根部连接板243的硬度≥直板2421的硬度≥U形板2422的硬度；所述连轴器24中变形坡2423与U形板2422下沿外侧夹角小于40度。6.根据权利要求1所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，所述控制器3包括：控制器外壳11、室温传感器2、液晶显示屏12、上调按钮13、下调按钮14、确认键15、菜单键16、显示屏开关键17和单片机18；其中液晶显示屏12、上调按钮13、下调按钮14、确认键15、菜单键16和显示屏开关键17分别通过线路与单片机18相连，液晶显示屏12、上调按钮13、下调按钮14、确认键15、菜单键16和显示屏开关键17都安装在控制器外壳11的同一侧面上；所述单片机18包括：微处理器19、输入单元20、存储单元21和输出单元22；其中输入单元20、存储单元21和输出单元22分别和微处理器19相连；微处理器19中内置窗门开度辨识和室温控制逻辑两个核心算法；输入单元20与光电位移传感器1和室温传感器2相连，输出单元22与智能电热阀4相连。7.根据权利要求1所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置，其特征在于，所述智能电热阀4由电热执行器和阀门两部分组成，执行器用螺栓连接在阀门上，阀门直接安装于屋内暖气的热水入口管道上。8.一种如权利要求1所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控装置的温控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、安装光电位移传感器和控制器，将智能电热阀安装在屋内暖气的热水入口管道上；步骤2、在确保窗门关闭状态下，启动室内供暖系统，打开控制器，并进行初始化归零设置；步骤3、每隔一定时长，微处理器通过输入单元向室温传感器发出收集实时温度的请求信号，随后室温传感器将室温实测值Ta发送给控制器；当用户进行开窗、关窗或调整窗门开度等行为时，光电位移传感器被触发，实时辨识出窗门的相对位移量，并通过无线发射器将当前相对位移量信号发送给控制器中的输入单元；步骤4、控制器接收室温传感器实测数据及室温设定值、窗门开度变化值及窗门开度限值数据，微处理器进行运算；若控制器一直未接收到窗门开度变化信号，执行步骤7，否则，执行步骤5；步骤5：控制器接收当前窗门相对位移量，并通过微处理器的计算得出当前窗门开度，与设定的窗门开度限值进行比较，并存储当前窗门开度值；步骤6、将当前窗门开度与设定的窗门开度限值进行比较，若当前时刻窗门开度执行步骤7；若当前时刻窗门开度则发出关阀信号及低鸣提示音，执行步骤8并待机，直至光电位移传感器收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；步骤7：每隔一定时长，控制器比较室温实测值与设定值的偏差，并按内置的室温控制算法，计算下一时间步长的阀门开度、阀门通断时间或通断状态，再向温控阀发出调节指令；循环执行该步骤，在窗门关闭状态或窗门打开细小微缝状态时，维持正常采暖，按一定时长循环执行室温控制逻辑，直至光电位移传感器收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5；步骤8：当智能电热阀接收到控制器发出的开阀信号或关阀信号指令后，进行执行。9.根据权利要求8所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：步骤501、当前窗门开度变化值的计算：式中，ΔLi表示推拉式的窗门当前相对位移量，mm，推拉式窗门发生第1次相对位移量标记为ΔL1，推拉式窗门发生第2次相对位移量标记为ΔL2；L表示推拉式窗门的最大可开窗宽度，mm；Δαi表示平开式窗门当前的相对角度位移量，平开式窗门发生第1次相对角位移量标记为Δα1，平开式窗门发生第2次相对角位移量标记为Δα2；步骤502、进行当前窗门开度的计算，并将当前窗门开度存入存储单元，当前窗门开度的计算方法为：式中，表示窗门当前开度，表示前一状态下的窗门开度，表示当前开度变化值。10.根据权利要求8所述的一种进行窗门开度辨识的采暖末端温控方法，其特征在于，所述本步骤7具体包括：步骤701、每隔一定时长，室温控制器采集当前室温实测值Ta、室温设定值tset并进行比较；步骤702、当Tatset+0.5，发出关阀指令；当Tatset-0.5，发出开阀指令；当tset-0.5≤Ta≤tset+0.5，维持阀门当前状态不变；步骤703、循环执行该步骤，在窗门关闭状态或窗门打开细小微缝状态时，维持正常采暖，按一定时长循环执行室温控制逻辑，直至光电位移传感器收集到窗门开度再次发生变化的信号时，返回步骤5。

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