TWI588425B - 基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法 - Google Patents

基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法 Download PDF

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Description

基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法
本發明係有關於一種基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法，尤其是指一種以模糊控制控制該太陽能熱水器裝置與熱泵熱水器裝置的熱水提供比例，於熱水溫度不夠時再以電熱輔助器裝置進行輔助加熱，使得其不僅在使用上更具便利性，且更能有效節省資源，而在其整體施行使用上更增實用功效特性之基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法創新設計者。
按，於近年來，由於石油、煤炭、天然氣等資源已日漸枯竭，使得能源使用成本相對日益增加，也因此即造就了各式的再生替代能源之興起，再生能源包含了水力、風力、潮汐能、太陽能等取自自然環境中的資源，以其取之不盡、用之不竭、及不會產生過量溫室氣體而有助於環境保護的特點，因而受到全球科學家與企業的重 視，成為一股新興的研發熱潮。
其中，太陽能源可說是再生能源中最為被廣泛利用的一種，於當該太陽能源供用來進行加熱時，一般太陽能熱水器皆係利用集熱板吸收太陽的熱量來加熱流經集熱板的冷水，使集熱板內的水溫高於保溫桶內的水溫，因熱水比冷水輕，熱水會往上升而冷水會往下降，形成對流，而讓保溫桶內的熱水溫度達到所需的較高溫度，進而提供給使用者洗澡等需使用熱水的場合進行使用。
然而，上述太陽能熱水器雖可達到吸收太陽熱能對水進行加熱之預期功效，但也在其實際操作施行使用上發現，該太陽能熱水器由於僅係利用吸收太陽熱能對水進行加熱，造成其受到天候狀態影響極大，於陰天、秋冬等日照不足或夜晚時，即無法吸收太陽熱能對水進行加熱，而往往需另行使用其他加熱裝置對水進行加熱，又因熱水流出前放掉冷水的管損造成能源與水源的重覆浪費，導致其使用上之極大不便；再因傳統儲熱式熱水器是不論季節、天候或使用人數多寡，皆製造相同的熱水量，重覆式的加熱易導致不必要的能源浪費，因此現有的熱水器在整體結構設計使用上仍存在有改進之空間。
緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法，以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統及方法，其主要係分別設有太陽能熱水器裝置與熱泵熱水器裝置對水進行加熱，且能以模糊控制控制該太陽能熱水器裝置與熱泵熱水器裝置的熱水提供比例，於熱水溫度不夠時再以電熱輔助器裝置進行輔助加熱，使得其不僅在使用上更具便利性，且更能有效節省資源，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
本發明基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：其主要係包括儲水裝置、太陽能熱水器裝置、熱泵熱水器裝置、電熱輔助器裝置及微電腦控制裝置；其中：該儲水裝置，其設有隔熱材料進行保溫，令該儲水裝置與輸水管相連接，讓外界的水由該輸水管導通流入該儲水裝置內，且令該儲水裝置於分別以循環水管與該太陽能熱水器裝置及該熱泵熱水器裝置相連接，使得該儲水裝置經該循環水管將冷水分別輸入該太陽能熱水器裝置及該熱泵熱水器裝置進行加熱後流回該儲水裝置內儲存；該太陽能熱水器裝置，係與該儲水裝置之該循環水管相連接，其主要是將太陽能輻射能轉換成熱能，用以對循環用水進行加熱； 該熱泵熱水器裝置，係與該儲水裝置之該循環水管相連接，是屬於空調/熱泵二合一熱水器，於運作時能將水加熱，而製熱過程產生的冷空氣能提供做室內空調使用；該電熱輔助器裝置，其以出水管與該儲水裝置連接，使得於當該儲水裝置所輸出的熱水溫度不足時，能利用該電熱輔助器裝置予以進行輔助加熱；該微電腦控制裝置，其分別與該儲水裝置、該太陽能熱水器裝置、該熱泵熱水器裝置、及該電熱輔助器裝置相連接，並於該微電腦控制裝置分別連接有光照計感測太陽光照度、環境溫度計感測環境溫度、及室內溫度計感測室內溫度，以能利用該微電腦控制裝置對各裝置進行模糊控制。
本發明基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統，其中，該太陽能熱水器裝置係為真空管太陽能熱水器裝置。
本發明基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統，其中，該微電腦控制裝置可輸入雲端大數據資料、包含有：每日早午晚溫度、濕度、天氣狀態；每日使用人數、使用時段、使用熱水量；每日不同時段的熱水使用量、熱水剩餘量，或氣象局當地氣候資料等資訊。
本發明基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理方法之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成： 其主要係根據所求出的太陽能熱水器裝置提供熱水的占比，以設定太陽能熱水器裝置與熱泵熱水器裝置的熱水提供比例，其包括下列步驟：設定規屬函數圖，分別以太陽光照度、環境溫度、室內溫度及空調需求為變數，各自設定其規屬函數圖，且定義L是光照計所感測太陽光照度值、L1是該光照計所感測太陽光照度輸出最小值、L6是該光照計所感測太陽光照度輸出最大值，定義TE是環境溫度計所感測環境溫度值、TE1是該環境溫度計所感測環境溫度輸出最小值、TE6是該環境溫度計所感測環境溫度輸出最大值，定義TR是室內溫度計所感測室內溫度值、TR1是該室內溫度計所感測室內溫度輸出最小值、TR6是該室內溫度計所感測室內溫度輸出最大值，定義Air是空調需求值、Air1為空調需求最小值、Air4為空調需求最大值；分別建立SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比〕模糊規則庫及△SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量〕模糊規則庫；進行SPR的模糊推論，假設(L,TE)是A×C，則SPR是D，其中[A×C](L,TE)=min[A(L),C(TE)]對所有L [L1,L6]且TE [TE1,TE6]；進行解模糊化，利用重心解模糊法求得明確的太陽能熱水器 裝置提供熱水的占比；進行△SPR的模糊推論，假設(TR,Air)是F×G，則△SPR是H，其中[F×G](TR,Air)=min[F(TR),G(Air)]對所有TR [TR1,TR6]且Air[0,1]；進行解模糊化，利用重心解模糊法求得明確的太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量，η H 代表解模糊化因子；而根據模糊控制所求出的SPR與△SPR，就可以得到總共的SPR：SPRTotal=SPR+△SPR，即係為總合的太陽能熱水器裝置提供熱水的占比。
(1)‧‧‧儲水裝置
(11)‧‧‧輸水管
(12)‧‧‧循環水管
(13)‧‧‧循環水管
(14)‧‧‧出水管
(2)‧‧‧太陽能熱水器裝置
(3)‧‧‧熱泵熱水器裝置
(4)‧‧‧電熱輔助器裝置
(5)‧‧‧微電腦控制裝置
(51)‧‧‧光照計
(52)‧‧‧環境溫度計
(53)‧‧‧室內溫度計
(54)‧‧‧模糊化界面
(55)‧‧‧模糊推論計算機制
(56)‧‧‧模糊規則庫
(57)‧‧‧解模糊化界面
第一圖：本發明之系統架構示意圖
第二圖：本發明之系統結構示意圖
第三圖：本發明之模糊控制方法示意圖
第四圖：本發明之太陽光照度歸屬函數圖
第五圖：本發明之環境溫度計溫度歸屬函數圖
第六圖：本發明之太陽能熱水器裝置提供熱水的占比歸屬函數圖
第七圖：本發明之室內溫度計溫度歸屬函數圖
第八圖：本發明之空調需求歸屬函數圖
第九圖：本發明之太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量歸屬函數圖
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：首先，請參閱第一圖本發明之系統架構示意圖及第二圖本發明之系統結構示意圖所示，本發明主要係包括儲水裝置(1)、太陽能熱水器裝置(2)、熱泵熱水器裝置(3)、電熱輔助器裝置(4)及微電腦控制裝置(5)；其中：
該儲水裝置(1)，其設有隔熱材料進行保溫，令該儲水裝置(1)與輸水管(11)相連接，讓外界的水能由該輸水管(11)導通流入該儲水裝置(1)內，且令該儲水裝置(1)分別以循環水管(12)、(13)與該太陽能熱水器裝置(2)及該熱泵熱水器裝置(3)相連接，使得該儲水裝置(1)經循環水管(12)、(13)將冷水分別輸入該太陽能熱水器裝置(2)及該熱泵熱水器裝置(3)進行加熱，再令該太陽能熱水器裝置(2)及該熱泵熱水器裝置(3)將加熱後的熱水流回該儲水裝置(1)內儲存。
該太陽能熱水器裝置(2)，其可為真空管太陽能熱水器裝置(2)，主要是將太陽能輻射能轉換成熱能〔熱輻射、熱傳導和熱對流〕，將由該儲水裝置(1)之循環水管(12)導入太陽能熱水器裝置(2)的循環用水進行加熱，而因台灣的緯度在北緯22~25度之間，集熱器朝南安裝、傾斜25~30度時可以使冬天太陽光直射在集熱板上，效能較高，可以達到最佳的集熱效果。
該熱泵熱水器裝置(3)，以循環水管(13)連接於儲水裝置(1)，是屬於空調/熱泵二合一熱水器，於運作時能利用環境中的熱空氣將循環水管(13)流入的水加熱，而製熱過程產生的冷空氣能提供做室內空調使用，使得其在夏天能降低空調的負荷，降低再加熱所需之能源，並節省可觀的能源費用。
該電熱輔助器裝置(4)，其以出水管(14)與該儲水裝置(1)連接，使得於當該儲水裝置(1)所輸出的熱水溫度不足時，能利用該電熱輔助器裝置(4)予以進行輔助加熱。
該微電腦控制裝置(5)，其分別與該儲水裝置(1)、該太陽能熱水器裝置(2)、該熱泵熱水器裝置(3)及該電熱輔助器裝置(4)相連接，該微電腦控制裝置(5)分別連接有光照計(51)感測太陽光照度、環境溫度計(52)感測環境溫度、及室內溫度計(53)感測室內溫度，並於微電腦控制裝置(5)接收大數據資料，如：每日早午晚溫度、濕度、天氣狀態；每日使用人數、使用時段、使用熱水量；每日不同時段的熱水使用量、熱水 剩餘量，或擷取氣象局當地氣候資料等資訊，以能利用該微電腦控制裝置(5)對各裝置進行模糊控制。
請再一併參閱第三圖本發明之模糊控制方法示意圖所示，本發明係令該微電腦控制裝置(5)以模糊控制方法進行控制，其係於微電腦控制裝置(5)具有模糊化界面(54)將輸入的信號或資料轉換成語言變數，且於該模糊化界面(54)連接有模糊推論計算機制(55)，以利用模糊邏輯的推論方法得到計算的公式，並於模糊推論計算機制(55)連接有模糊規則庫(56)，於該模糊規則庫(56)儲存有根據控制的標的所作的一連串規則，再於該模糊推論計算機制(55)連接有解模糊化界面(57)，以將模糊推論得到的結果使用解模糊化界面(57)轉換為明確的控制信號或決策。
而本發明於設定規屬函數時，請再一併參閱第四圖本發明之太陽光照度歸屬函數圖所示，其係將太陽光照度轉變為一種模糊變數，其中：S代表小值、M代表中值、B代表大值、XB代表更大值，而L1~L6為該光照計(51)所感測太陽光照度的值，L1是該光照計(51)輸出最小值、L6是該光照計(51)輸出最大值，令L1<L2<L3<L4<L5<L6；請再一併參閱第五圖本發明之環境溫度計溫度歸屬函數圖所示，其係將環境溫度轉變為一種模糊變數，其中：S代表小值、M代表中值、B代表大值、XB代表更大值，而TE1~TE6為該環境溫度計(52)所感測溫度 的值，TE1是該環境溫度計(52)輸出最小值、TE6是該環境溫度計(52)輸出最大值，令TE1<TE2<TE3<TE4<TE5<TE6；並請再一併參閱第六圖本發明之太陽能熱水器裝置提供熱水的占比歸屬函數圖所示，其亦將該太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比轉變為一種模糊變數，其中：S代表小值、M代表中值、B代表大值、XB代表更大值，而R1~R4為該太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比比值，令0<R1<R2<R3<R4<1；使得即能於該模糊規則庫(56)內建立一個SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比〕模糊規則庫，如表一所示：
其共有16條規則，L代表太陽光照度〔即該光照計所感測強度〕，TE代表環境溫度〔即環境溫度計所感測溫度〕，S代表小值、M代表中值、B代表大值、XB代表更大值。
由該表一所進行的模糊推論可知，若太陽光照度大，且環境溫度低，則太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比為更大值，也可寫為：假如L大，且TE低，則SPR為更大值。
而其於該模糊推論計算機制(55)所進行之模糊推論運算公式即如下所示： 假如(L,TE)是A×C，則SPR是D，A、C、D代表模糊集合的語句變數，例如：S、M、B、XB，其中：[A×C](L,TE)=min[A(L),C(TE)]對所有L [L1,L6]且TE [TE1,TE6]。
再以該解模糊化界面(57)進行解模糊化，利用重心解模糊法即可求得明確的太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比：，y代表第六圖中的橫座標值，D(y)代表第六圖中的縱座標值。
另，當根據空調需求來調整該太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比時，其再設定規屬函數過程中，請再一併參閱第七圖本發明之室內溫度計溫度歸屬函數圖所示，其係將室內溫度轉變為一種模糊變數，其中：S代表小值、M代表中值、B代表大值、XB代表更大值，而TR1~TR6為該室內溫度計(53)所感測溫度的值，TR1是該室內溫度計(53)輸出最小值、TR6是該室內溫度計(53)輸出最大值，令TR1<TR2<TR3<TR4<TR5<TR6；請再一併參閱第八圖本發明之空調需求歸屬函數圖所示，其係將空調需求轉變為一種模糊變數，其中：S代表小值、M代表中值、B代表大值、XB代表更大值，而Air1~Air4為空調的需求值，令0<Air1<Air2<Air3<Air4<1；並請再一併參閱第九圖本發明之太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比之增量歸屬函數圖所示，其亦將該太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比之增量轉變為一種模糊變數，其中：N代表負值、Z代表零、 P代表正值；使得即能於該模糊規則庫(56)內建立一個△SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量〕模糊規則庫，如表二所示：
其共有16條規則，TR代表室溫〔即該室內溫度計所感測溫度〕，Air代表空調需求，而△SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量〕可為正值或負值。
由該表二所進行的模糊推論可知，若室溫高、空調需求大、則太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比之增量為負值，也可寫為若TR高、且Air大、則△SPR為負值。
而其於該模糊推論計算機制(55)所進行之模糊推論運算公式即如下所示：假如(TR,Air)是F×G，則△SPR是H，F、G、H代表模糊集合的語句變數，其中：[F×G](TR,Air)=min[F(TR),G(Air)]對所有TR [TR1,TR6]且Air[0,1]。
再以該解模糊化界面(57)進行解模糊化，利用重心解模糊法即可求得明確的太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比之增量：，y代表第九圖中的橫座標值，H(y)代表第九圖中的縱座標值，η H 代表解模糊化因子，根據經驗值可以設為0.1。
而根據模糊控制所求出的SPR與△SPR，就可以得到總共的SPR如下：SPRTotal=SPR+△SPR，即係為總合的太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比。
如此一來，該微電腦控制裝置(5)可藉由光照計(51)感測太陽光照度、環境溫度計(52)感測環境溫度、及室內溫度計(53)感測室內溫度，搭配網路裝置接收來自雲端分析之大數據資料，如：每日早午晚溫度、濕度、天氣狀態；每日使用人數、使用時段、使用熱水量；每日不同時段的熱水使用量、熱水剩餘量，或擷取氣象局當地氣候資料等資訊，此非本案訴求重點，在此不于贅述。而微電腦控制裝置(5)根據綜合各數據資料及策略，由模糊控制所求出的太陽能熱水器裝置(2)提供熱水的占比，即能設定太陽能熱水器裝置(2)與熱泵熱水器裝置(3)的熱水提供比例，以控制太陽能熱水器裝置(2)與熱泵熱水器裝置(3)的運作。
藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有熱水器實施方式相較之下，本發明具有以下優點：
1.本發明主要係分別設有太陽能熱水器裝置與熱泵熱水器裝置對儲水裝置的水進行加熱，且能以模糊控制控制該太陽能熱水器裝置與熱泵熱水器裝置的熱水提供比例，達到最大的節能、最小的浪費。
2.本發明非常適用於飯店、餐廳、大賣場、醫院、健身中心、學校宿舍、工廠等需要大量熱水及冷氣的場所，藉由雲端大數據分析之資料，當熱水需求量提高時，智慧型的微電腦控制裝置以模糊推論控制將自動啟動熱泵熱水器裝置或電熱輔助器裝置加入運作，並自動調整至預估使用量，生產的熱水同樣存入大型的儲水裝置內，有效解決傳統熱水器不論季節、天候或使用人數多寡，皆製造相同的熱水量，所造成不必要的浪費。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
(1)‧‧‧儲水裝置
(2)‧‧‧太陽能熱水器裝置
(3)‧‧‧熱泵熱水器裝置
(4)‧‧‧電熱輔助器裝置
(5)‧‧‧微電腦控制裝置
(51)‧‧‧光照計
(52)‧‧‧環境溫度計
(53)‧‧‧室內溫度計

Claims (3)

  1. 一種基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統，其主要係包括儲水裝置、太陽能熱水器裝置、熱泵熱水器裝置、電熱輔助器裝置及微電腦控制裝置；其中：該儲水裝置，其設有隔熱材料進行保溫，令該儲水裝置與輸水管相連接，讓外界的水由該輸水管導通流入該儲水裝置內，且令該儲水裝置分別以循環水管與該太陽能熱水器裝置及該熱泵熱水器裝置相連接，使得該儲水裝置經該循環水管將冷水分別輸入該太陽能熱水器裝置及該熱泵熱水器裝置進行加熱後流回該儲水裝置內儲存；該太陽能熱水器裝置，係與該儲水裝置之該循環水管相連接，其主要是將太陽能輻射能轉換成熱能，用以對循環用水進行加熱；該熱泵熱水器裝置，係與該儲水裝置之該循環水管相連接，是屬於空調/熱泵二合一熱水器，於運作時能將水加熱，而製熱過程產生的冷空氣能提供做室內空調使用；該電熱輔助器裝置，其以出水管與該儲水裝置連接，使得於當該儲水裝置所輸出的熱水溫度不足時，能利用該電熱輔助器裝置予以進行輔助加熱；該微電腦控制裝置，其分別與該儲水裝置、該太陽能熱水器裝置、該熱泵熱水器裝置、及該電熱輔助器裝置相連接，並 於該微電腦控制裝置分別連接有光照計感測太陽光照度、環境溫度計感測環境溫度、及室內溫度計感測室內溫度，且於該微電腦控制裝置供輸入雲端大數據資料，包含有：每日早午晚溫度、濕度、天氣狀態；每日使用人數、使用時段、使用熱水量；每日不同時段的熱水使用量、熱水剩餘量、氣象局當地氣候資料，以能利用該微電腦控制裝置對各裝置進行模糊控制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理系統，其中，該太陽能熱水器裝置係為真空管太陽能熱水器裝置。
  3. 一種使用於如申請專利範圍第1項所述基於環境數據分析模糊控制之熱水器管理方法，其包括下列步驟：設定規屬函數圖，分別以太陽光照度、環境溫度、室內溫度及空調需求為變數，各自設定其規屬函數圖，且定義L是光照計所感測太陽光照度值、L1是該光照計所感測太陽光照度輸出最小值、L6是該光照計所感測太陽光照度輸出最大值，定義TE是環境溫度計所感測環境溫度值、TE1是該環境溫度計所感測環境溫度輸出最小值、TE6是該環境溫度計所感測環境溫度輸出最大值，定義TR是室內溫度計所感測室內溫度值、TR1是該室內溫度計所感測室內溫度輸出最小值、TR6是該室內溫度計所感測室內溫度輸出最大值，定義Air是空調需求值、Air1為空調需求最小值、Air4為空調需求最大值； 分別建立SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比〕模糊規則庫及△SPR〔太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量〕模糊規則庫；進行SPR的模糊推論，假設(L,TE)是A×C，則SPR是D，其中[A×C](L,TE)=min[A(L),C(TE)]對所有L [L1,L6]且TE [TE1,TE6]；進行解模糊化，利用重心解模糊法求得明確的太陽能熱水器裝置提供熱水的占比；進行△SPR的模糊推論，假設(TR,Air)是F×G，則△SPR是H，其中[F×G](TR,Air)=min[F(TR),G(Air)]對所有TR [TR1,TR6]且Air[0,1]；進行解模糊化，利用重心解模糊法求得明確的太陽能熱水器裝置提供熱水的占比之增量，η H 代表解模糊化因子；而根據模糊控制所求出的SPR與△SPR，就可以得到總共的SPR：SPRTotal=SPR+△SPR，即係為總合的太陽能熱水器裝置提供熱水的占比。
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