CN113242622A - 一种基于互频原理的模块化智能供热模组 - Google Patents

Abstract

一种基于互频原理的模块化智能供热模组，解决当前技术因成本、使用周期等产业化弊端不具备通用性问题，可应用于建筑及市政各个有加热需求的领域以感应面加热形式实现室内加热、道路除雪、墙面除潮等功能，包括发热***、电路***和控制***；发热***包括N个互频功率器件和N个金属发热装置，电路***包括N个电路机构；一个互频功率器件、一个金属发热装置和一个电路机构共同构成一个单元模块。单元模块中互频功率器件用于提供使金属发热装置产生涡流生热的交变磁场，电路机构受无线连接的控制***控制对单元模块进行无级功率调节及运行数据监测。本发明可根据不同的使用场景和电气需求对单元模块的大小、形状、数量、功率进行设计，灵活性高。

Description

一种基于互频原理的模块化智能供热模组

技术领域

本发明涉及建筑物和市政建设中的加热技术领域，具体涉及一种基于互频原理的模块化智能供热模组。

背景技术

随着人们生产生活品质日益优化，对加热的需求也逐渐增多，例如建筑领域用于对室内地面加热进行供暖、对墙体加热进行除潮，市政领域用于对道路路面的加热进行融雪化冰等。

现北方冬季供暖主要是以水暖为主，在全球能源结构需大调整，大力发展低碳型清洁能源背景下，电暖取代水暖成为大势所趋。但目前市场上的电暖以加热电缆为主，其缺点主要是在前期施工安装、升温效率，尤其是使用成本等方面存在诸多不足，难以成为主流。

设置在墙体中的加热装置也多为电热一体的电加热装置，存在使用寿命短的缺点。

寒冷地区冬季下雪后路面积雪容易结冰，导致车辆打滑，有极大的安全隐患。当下最常用的除雪方式除了人工除雪之外，就是采用传统的融雪剂，但是融雪剂不仅会对道路周边环境产生一定的污染，对路面、车胎都有极大的腐蚀性，其中的盐类成分遇水以后，会发生盐涨现象，渗入混凝土路面表层之中，产生涨力，导致里面表层混凝土脱落，同时氯化钠等融雪剂和路基上的铁等金属形成原电池，也会加快路面破损，导致每隔几年就需要对路面进行一次翻修，不仅造成人力、物力财力的浪费，也对交通造成很大的影响。除此之外还有流体加热方式，这种加热***需要安装循环泵管道等装置，存在设备复杂，成本高，易发生漏水等问题。

综上，可知现有用于建筑物和市政建设中的加热装置的性能较差，亟需一种能够用于建筑物和市政建设的地面、墙面、棚顶等建筑结构中的新型加热装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于互频原理的模块化智能供热模组。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于互频原理的模块化智能供热模组，包括发热***、电路***和控制***；所述发热***包括N个互频功率器件和N个金属发热装置，N为正整数，互频功率器件和金属发热装置一一对应设置；电路***包括N个电路机构，电路机构和互频功率器件一一对应连接，一个互频功率器件、一个金属发热装置和一个电路机构共同构成一个单元模块；所述控制***无线连接每个单元模块中的电路机构，控制***能够监测单元模块的运行数据，控制***通过单元模块的电路机构能够对该单元模块的互频功率器件进行无级功率调节，通过控制***和电路机构的控制，互频功率器件能够产生交变磁场，金属发热装置能够在与其对应的互频功率器件产生的交变磁场中产生涡流生热。

本发明的有益效果是：

(1)分单元模块设计：基于互频原理的“模块化”智能供热模组相较传统水暖式加热的整体控制以及电阻式加热的分区域控制，实现精确到分单元模块的控制。且每个单元模块的大小、形状及功率可根据应用场景以及电气需求进行灵活设计。且基于标准化的单元模块可采用“搭积木”模块化安装方式，大幅度降低铺装成本；

(2)温度连续可调节：可以对每个独立工作的单元模块分别进行功率无级调节以实现温度连续可调。可以在设定温度范围内任意调节发热温度，不存在温度设置限制；

(3)使用寿命长：通过直接对金属进行感应面加热，从而将电源与热源分离开，电、热分离的加热方式大幅降低性能衰减及受热老化程度。“模块化”智能供热模组用于地暖领域，使用寿命相较普通电地暖提升50％。

(4)应用范围广、具有普及性：本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，采用单元模块的设计理念实现标准化。可应用于建筑以及市政等各个有加热需求的领域以感应面加热形式通过地面、墙面、棚顶等位置进行热传导从而实现室内加热、道路除雪、墙面除潮等功能。

附图说明

图1为本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组的结构示意图。

图2为本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组于墙面进行分单元模块设置示意图。

图3为能够应用本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组的路面应用场景示意图。

图中：1、电路机构，2、互频功率器件，3、金属发热装置，4、单元模块，5、控制***。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种基于互频原理的模块化智能供热模组，如图1，包括发热***、电路***和控制***5；所述发热***包括N个互频功率器件2和N个金属发热装置3，N为正整数，互频功率器件2和金属发热装置3一一对应设置，电路***包括N个电路机构1，电路机构1和互频功率器件2一一对应连接，一个互频功率器件2、和该互频功率器件2对应的金属发热装置3、和该互频功率器件2对应的电路机构1共同构成一个单元模块4。控制***5无线连接每个单元模块4中的电路机构1，控制***5能够监测单元模块4的运行数据，控制***5通过单元模块4的电路机构1能够对该单元模块4的互频功率器件2进行无级功率调节，通过控制***5和电路机构1的控制，与电路机构1对应的互频功率器件2能够产生交变磁场，金属发热装置3能够在与其对应的互频功率器件2产生的交变磁场中产生涡流生热。

互频功率器件2和金属发热装置3均位于地面下、墙体中或棚顶中，互频功率器件2和金属发热装置3位于棚顶中包括位于室内天花板下表面的上方、位于室外屋顶上表面的下方。

每个互频功率器件2都包括谐振器与磁感组件，谐振器电连接电路机构1，谐振器连接磁感组件，磁感组件包括磁性材料件和物理结合所述磁性材料件放置的线圈，电路机构1和谐振器一一对应连接，谐振器可以集成在与其对应的电路机构1上以实现对单元模块4厚度及柔性方面的结构优化。互频功率器件2能够产生交变磁场，金属发热装置3位于互频功率器件2产生的交变磁场中产生涡流生热。例如，将互频功率器件2及金属发热装置3设置在基座上。并埋于地下或均设置在墙壁内，也可根据需求设置在其他载体内。当智能供热模组为地面加热时，互频功率器件2和金属发热装置3均位于地下，基座、互频功率器件2、金属发热装置3和地表面材料层从下至上顺次设置，基座用于互频功率器件2，互频功率器件2通过PET材料封装。当智能供热模组为墙面加热时，互频功率器件2位于墙壁内，金属发热装置3位于墙壁内或位于墙壁表面，通常位于墙壁内，且金属发热装置3紧邻该墙壁表面的装饰材料(墙表面材料层)，即基座、互频功率器件2、金属发热装置3和地表面材料层从内至外顺次设置，互频功率器件2相比于金属发热装置3更远离墙体表面。金属发热装置3可以是微米级的铝箔。金属发热装置3与地表面材料层/墙表面材料层工艺结合以进行热传导。

电路机构1包括整流滤波电路二、电流检测电路、驱动电路、辅助电源二和控制电路二。整流滤波电路二连接电流检测电路和辅助电源二，电流检测电路连接互频功率器件2和控制电路二，辅助电源二连接控制电路二，控制电路二连接驱动电路，驱动电路连接互频功率器件2；整流滤波电路二提供互频功率器件2工作的电流和电压，电流检测电路用于检测整流滤波电路二输出的电流得到第一电流数据，辅助电源二作为控制电路二的工作电源，控制电路二上载有软件功能模块，控制电路二通过控制驱动电路来控制互频功率器件2的工作频率，控制电路二能够采集第一电流数据并据此通过驱动电路切断互频功率器件2工作的电压，所述控制电路二上载有网络通信模块二，网络通信模块二连接控制***5。

控制电路二上载有的软件功能模块包括数据采集模块、***保护模块、功率调节模块、定时模块和网络通信模块二，数据采集模块连接***保护模块，***保护模块和功率调节模块均连接网络通信模块二，***保护模块、功率调节模块、定时模块和网络通信模块二均连接驱动电路，控制***5通过无线连接网络通信模块二实现和功率调节模块的连接，控制***通过控制功率调节模块驱使驱动电路能够实现对互频功率器件2进行无级功率调节。数据采集模块用于采集并发送单元模块4的运行数据至***保护模块，即电路机构1通过其上的数据采集模块采集与其对应的单元模块4的运行数据，***保护模块据此判断单元模块4是否正常运行，若运行不正常则***保护模块二通过驱动电路切断互频功率器件2工作的电压。***保护模块能够将接收的单元模块4的运行数据通过网络通信模块二发送至控制***。控制***5通过定时模块和驱动电路能够对互频功率器件2进行定时开关。

上述整流滤波电路二与外接电源(图1中的输入电源)相连。上述辅助电源二可连接整流滤波电路二，也可连接外接电源。电路机构1接入220V交流电后，220V交流电经过整流滤波电路二转换成脉动直流电后，提供给互频功率器件2。辅助电源二将220V交流电\脉动直流电转换成控制电路二所需要的低压电供控制电路二工作，控制电路二能够输出互频功率器件2的控制信号，且经过驱动电路放大后控制互频功率器件2工作状态，通常包括控制互频功率器件2的功率和控制互频功率器件2的开关，互频功率器件2工作时产生交变磁场，使金属发热装置3产生涡流从而生热。

控制***包括近距离控制箱和远程控制装置，控制***根据通信距离选择具体的通信方式，具体的通信方式包括蓝牙通信、zigbee通信、WiFi通信、2.4g无线通信模块通信。近距离控制箱可以根据需求选用蓝牙、zigbee、2.4g无线通信模块、WiFi等范围有限的通信模块，远程控制装置可以采用移动数据通信方式进行通信。

近距离控制箱即控制箱，包括控制电路板和显示机构，显示机构采用显示屏，控制电路板上设整流滤波电路一、辅助电源一和控制电路一，整流滤波电路一、辅助电源一、控制电路一依次电连接，显示机构和控制电路一电连接，整流滤波电路一提供的电压经辅助电源一调节后直接对控制电路一供电；控制电路一上载有用户接口模块和网络通信模块一，网络通信模块一无线连接电路机构(即无线连接网络通信模块二)，用户接口模块连接网络通信模块一和显示机构，网络通信模块一能够将电路机构1采集的运行数据通过用户接口模块反馈至显示机构；用户接口模块能够将用户输入的调节指令由网络通信模块一发送给电路机构，以实现对单元模块4的控制。

控制***5能够分别对各个单元模块4进行无级功率调节，控制***5能够监测各单元模块4的运行数据，运行数据包括单元模块4的电流数据、单元模块4的用电量数据、单元模块4的功率数据、单元模块4的温度数据。上述单元模块4的数量大于2时，本发明能够对单元模块4进行分模块控制，通过控制***5对不同的单元模块4分别进行控制，可以根据温度需求，分别对每个单元模块4进行无级功率调节。本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组的单元模块4的分区域设置示意图如图2所示，安装在区域A、区域B和区域C中分别设有不同数量的单元模块4。例如图3中，为本发明应用在道路上，人行道区域A、车行道区域B、车行道区域C每个区域设置不同数量的单元模块4，具体单元模块4中互频功率器件2和金属发热装置3的大小、数量、功率根据各区域需求设置。

无级功率调节的调节方法包括如下步骤：

步骤一、用户通过控制***5将功率调节信号发送至网络通信模块二，即发送至控制电路二的功率调节模块；

步骤二、控制电路二的功率调节模块将功率调节信号解析为模拟信号，功率调节模块通过调节PWM的占空比与频率控制驱动电路调节互频功率器件2的工作频率，互频功率器件2的功率调节完成；

步骤三、驱动电路通过控制电路二的网络通信模块二发送功率调节完成信号至控制***5。

值得说明的是，控制***5、控制电路二等控制实现均属于现有技术，不属于本发明的发明创造。

下面以墙暖为例进项详述。

一种基于互频原理的模块化智能供热模组用于墙暖。金属发热装置3采用纳米级的铝箔。互频功率器件2与金属发热装置3通过互频感应方式连接，形成闭环高效能量传递***来进行感应加热。发热***根据墙面瓷砖大小进行单元划分，可设置为每个金属发热装置3为1m×1m的正方形。该墙暖用于墙体除潮和室内加热，根据电压及功率等参数考虑，将单元模块4的额定功率设计为100W。

其中金属发热装置3与墙外表面的瓷砖进行工艺结合，磁感组采用0.9mm的PET膜封装后，与瓷砖结合后，可以采用“搭积木”的模块化安装方式，连同电路机构1固定在墙壁上。具体固定方式在此不做阐述。

所述控制***5包括手机端/电脑端控制app(作为远程控制装置)和近距离控制箱，其中每个房间均安装近距离控制箱，控制箱与各单元模块4的电路机构1通过2.4g通讯模块无线连接，用来实现对该房间内所有墙面单元模块的分单元模块控制，以及对每个单元模块的无级功率调节、运行数据的监测和反馈。手机端控制app通过无线连接控制箱可以远程控制整个房子所有房间的单元模块4。

当墙体的区域D(设有两个单元模块4)对应放置冰箱时，该区域对应的两个单元模块4可以控制不发热，当墙体的区域E(设有四个单元模块4)对应放置衣柜且进行除潮时，该区域对应的四个单元模块4可以控制温度调高以防止木质柜子及其内衣物受潮。除潮结束后，温度可对应调低，以保障有覆盖物的模块区域无热积聚风险。其他单元模块4温度可以根据具体情况进行调节。

下面以道路路面加热为例进项详述。

本例以城市四车道次干路的单向道为例，其中人行道1.5米宽，车行道3.5米宽。

为了方便建设、安装及后期维修等，可以设计为以5米为单位进行每个单元模块4长度划分。人行道区域A中，一个金属发热装置3面积设计为的(5×1.5)m²。其中行车道划分为两部分进行单元模块4的设计，车行道区域B宽度为0.5米，单元模块4面积设计为的(5×0.5)m²；车行道区域C宽度为3米，单元模块4面积设计为的(5×3)m²。

互频功率器件2及电路机构1放置于基座中，与柔性设计的金属发热层(即金属发热装置3)工艺结合，以“搭积木”的模块化安装方式在路面铺装后，再铺设路面的面层。

控制***5可以采用分级别设置，以实现分级控制，每个级别的控制装置的控制范围及权限不同。在此实施例中可以采用三级管理控制***，包括三级近距离控制箱及二级电脑端远程控制装置和一级电脑端远程控制装置。每50米安装一个控制箱，该控制箱能够通过与该50米路段内所有单元模块4中的电路机构1无线连接实现对该50米路段内所有单元模块4的控制及运行数据的监测与反馈；二级电脑端远程控制装置能够通过与该车道上所有控制箱无线连接实现对该车道所有单元模块控制及运行数据的监测、反馈；一级电脑端远程控制装置电脑端控制器一能够通过与控制箱、电脑端控制器二无线连接以实现对设置区域内所有车道内单元模块控制及运行数据的监测、反馈。该供热模组通过软件实现分级控制，大程度的降低了人力物力。

进行化雪时，上述人行道区域A、车行道区域B和车行道区域C这三个区域中的单元模块4温度的设置可以自行调节，例如车行道区域B的功率可以设置高于人行道区域A和车行道区域C，方便车行道区域B区域雪化掉后更容易流入下水口，以防融化后的水再次结冰。

本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组可在任意场景进行铺设，可以用于建筑领域，比如做电地暖、墙暖，实现加热、除潮功能；用于市政领域，对机场跑道、停车场、路面进行加热实现化雪等功能，且可以根据不同的场景和需求及电气需求对单元模块4的大小、形状、数量和功率进行设计。

对于市政领域用于机场跑道、汽车道路、人行道路等，无需再采用机械除雪法和化学融雪法，避免了清除冰雪过程中需要占用行车道影响道路正常运行的情况，且当气温较低或积雪厚度较大时，存在除雪效率低、清除不彻底的问题。采用本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，清洁环保，设备结构简单，成本低，加热效率高，除雪除冰不占用人力不占用道路，使用寿命长，使用寿命超过60年，使用寿命远超电热膜等地面加热设备。

对于墙体，例如别墅落地窗墙体周边包括窗台下面因为潮湿空气会导致墙皮等脱落，通过采用本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组能够解决这个问题，在墙体中设置单元模块4，解决墙皮脱落和屋内返潮等问题，提高生活质量，且使用寿命长。

对于商场等公建的室内，可通过墙体内和地面下设置单元模块4实现供暖，可通过控制***在无需供暖的时段(例如夜间等)切断运行实现管理节能，降低能耗。

对于民建用于家用电采暖等，取代水供暖的煤燃烧及空调供暖，更加环保且能耗低，且电热分离，使用寿命长。

本发明应用时，根据实际的使用环境以及电气需求对单元模块4的数量、大小、形状及功率等参数进行设计，且可以根据具体的使用场景对建设相关材料如表面材料层、基座、封装材料等都可以结合成本及需求进行灵活匹配，以实现不同应用场景下的不同加热功能。本发明的一种基于互频原理的模块化智能供热模组可在任意使场景铺设，适合应用的范围广，可根据各种应用需求情况进行灵活配比设计。本“模块化”智能供热模组采用分单元模块4的设计原理，每个单元模块4都能够独立进行工作，打破了传统供暖方式整体控制，受热面只能统一调节的弊端。实现了标准化建设、安装及运行方式。通过功率无级调节，实现温度连续可调，相较于传统的分档位调节经常会出现的高温档太热、低温档太冷的情况来说，不受***档位设置的影响，实现控制更加精准、运行更加节能、设计更加人性化。采用电热分离设计，不存在安全隐患且增加了使用寿命；可以通过控制***5实现管理节能，节约能源，利于环境保护。

Claims (10)

1.一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，包括发热***、电路***和控制***；所述发热***包括N个互频功率器件和N个金属发热装置，N为正整数，互频功率器件和金属发热装置一一对应设置；电路***包括N个电路机构，电路机构和互频功率器件一一对应连接，一个互频功率器件、一个金属发热装置和一个电路机构共同构成一个单元模块；所述控制***无线连接每个单元模块中的电路机构，控制***能够监测单元模块的运行数据，控制***通过单元模块的电路机构能够对该单元模块的互频功率器件进行无级功率调节，通过控制***和电路机构的控制，互频功率器件能够产生交变磁场，金属发热装置能够在与其对应的互频功率器件产生的交变磁场中产生涡流生热。

2.如权利要求1所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述互频功率器件包括谐振器与磁感组件，所述磁感组件包括磁性材料件和物理结合所述磁性材料件放置的线圈，谐振器电连接线圈，所述谐振器和与其对应的电路机构连接。

3.如权利要求1所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，通过控制***能够分别对各个单元模块进行无级功率调节。

4.如权利要求1所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述运行数据包括单元模块的电流数据、用电量数据、功率数据、温度数据。

5.如权利要求1所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述控制***包括近距离控制箱和远程控制装置，控制***根据通信距离选择具体的通信方式。

6.如权利要求5所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述电路机构能够采集与其对应的单元模块的运行数据，所述近距离控制箱包括控制电路板和显示机构，显示机构和控制电路板电连接，控制电路板上设有依次电连接的整流滤波电路一、辅助电源一和控制电路一；整流滤波电路一提供的电压经辅助电源一调节后直接对控制电路一供电；控制电路一上载有用户接口模块和网络通信模块一，网络通信模块一无线连接电路机构，网络通信模块一能够将电路机构采集的运行数据通过用户接口模块反馈至显示机构；用户接口模块能够将用户输入的调节指令由网络通信模块一发送给电路机构，以实现对单元模块的控制。

7.如权利要求1所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述电路机构包括整流滤波电路二、电流检测电路、驱动电路、辅助电源二和控制电路二；整流滤波电路二连接电流检测电路和辅助电源二，电流检测电路连接互频功率器件和控制电路二，辅助电源二连接控制电路二，控制电路二连接驱动电路，驱动电路连接互频功率器件；整流滤波电路二提供互频功率器件工作的电流和电压，电流检测电路用于检测整流滤波电路二输出的电流得到第一电流数据，辅助电源二作为控制电路二的工作电源，控制电路二上载有软件功能模块，控制电路二通过控制驱动电路来控制互频功率器件的工作频率，控制电路二能够采集第一电流数据并据此通过驱动电路切断互频功率器件工作的电压，所述控制电路二上载有网络通信模块二，网络通信模块二连接控制***。

8.如权利要求7所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述控制电路二上载有的软件功能模块包括数据采集模块、***保护模块、功率调节模块、定时模块和网络通信模块二，所述数据采集模块连接***保护模块、功率调节模块和网络通信模块二，***保护模块、功率调节模块、定时模块和网络通信模块二均连接驱动电路，控制***通过无线连接网络通信模块二实现和功率调节模块的连接，控制***通过控制功率调节模块驱使驱动电路能够对互频功率器件进行无级功率调节。

9.如权利要求8所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述控制***通过单元模块的电路机构对该单元模块的互频功率器件进行无级功率调节的步骤包括：

步骤一、用户通过控制***将功率调节信号发送至网络通信模块二；

步骤二、电路机构将功率调节信号解析为模拟信号通过调节控制电路二中PWM的占空比与频率控制驱动电路调节互频功率器件的工作频率；

步骤三、电路机构通过网络通信模块二发送功率调节完成信号至控制***。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的一种基于互频原理的模块化智能供热模组，其特征在于，所述互频功率器件和金属发热装置均位于地面下、均位于墙体中或均位于棚顶中。

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