Simulink从入门到入门--热水器1
目录
背景
建模核心参考资料
一、基础物理参数（水的特性，通用取值）
二、设备固有参数（热水器本身属性，建模前需确定）
1. 电即热式热水器
2. 燃气即热式热水器
三、工况变量参数（随使用场景变化，建模核心变量）
四、性能计算参数（建模过程中推导 / 验证用）
五、核心建模方程（参数关联逻辑）
1. 简化建模（忽略散热、热惯性，工程常用）
2. 精准建模（计入散热、热惯性）
建模内容
储水箱
1. 核心参数模块
2. 模型逻辑（能量平衡）
水管
淋浴
其他
结果
优化空间
背景
本次建模为家里使用的热水器，属于燃气热水器（也可以包含即热式电热水器）。根据我个人的体验，这类热水器想要洗热水澡，必须要先放一段水，而且水温一般不太好调节。现在用simulink来模拟这个过程。
建模核心参考资料
总结即热式热水器建模（含电、燃气型）的核心参数，按 “基础物理参数、设备固有参数、工况变量参数、性能计算参数” 分类，覆盖能量平衡方程所需全部关键项，方便直接代入建模：
一、基础物理参数（水的特性，通用取值）
- 水的密度（ρ）：1000 kg/m³（常温下通用，建模无需调整）
- 水的定压比热容（c）：4200 J/(kg・℃)（工程计算标准值，忽略温度对其微小影响）
二、设备固有参数（热水器本身属性，建模前需确定）
1. 电即热式热水器
- 额定加热功率（Pₘₐₓ）：5000~12000 W（家用主流，分档 / 无级调节，建模时需明确 “瞬时实际功率 P (t)”）
- 加热体热惯性参数（可选，精准建模用）：加热体质量（mₕ）、加热体比热容（cₕ）、过水容积（Vₚ）（简化建模可忽略，默认 “瞬时加热无延迟”）
- 散热系数（k）：10~30 W/℃（数值越小保温越好，简化建模可忽略，精准计算需计入 “加热功率 - 散热损失”）
2. 燃气即热式热水器
- 额定热负荷（Qₘₐₓ）：10~24 kW（燃气燃烧释放热量的功率，建模用 “瞬时实际热负荷 Q (t)”）
- 热效率（η）：90%~98%（普通强排式）、100%+（冷凝式）（能量平衡需计入 “有效热量 = 热负荷 × 热效率”）
- 最小启动水流量（qₘᵢₙ）：2~3 L/min（低于此流量无法启动，建模需限定 “q (t)≥qₘᵢₙ”）
三、工况变量参数（随使用场景变化，建模核心变量）
- 进水温度（Tᵢ(t)）：冬季 5~15℃、夏季 20~30℃（时间 t 的函数，可设为恒定值或随季节变化）
- 目标出水温度（Tₒ）：38~42℃（洗澡场景常用 40℃，建模时为 “需维持的恒定值”）
- 瞬时水流量（q (t)）：2~8 L/min（单人洗澡舒适流量 5~7 L/min，需转换为国际单位 “m³/s” 或 “kg/s”，即 q (kg/s)=q (L/min)×10⁻³×1000/60=q (L/min)/60）
- 环境温度（Tₐ）：5~35℃（计算散热损失时用，简化建模可忽略）
四、性能计算参数（建模过程中推导 / 验证用）
- 升温需求（ΔT (t)）：ΔT (t)=Tₒ - Tᵢ(t)（核心变量，直接决定 “功率 / 热负荷需求”）
- 流速上限（qₘₐₓ(t)）：电即热式 qₘₐₓ=P (t)/(ρcΔT)、燃气式 qₘₐₓ=Q (t)×η/(ρcΔT)（超过此流速，出水温度达不到 Tₒ）
- 瞬时出水温度（Tₒ(t)）：建模核心 “待求量”，通过能量平衡方程求解，验证是否等于目标值
五、核心建模方程（参数关联逻辑）
1. 简化建模（忽略散热、热惯性，工程常用）
- 电即热式：P (t)=ρc・q (t)・ΔT (t)
- 燃气即热式：Q (t)×η=ρc・q (t)・ΔT (t)
2. 精准建模（计入散热、热惯性）
- 电即热式：P (t) - k [Tₕ(t)-Tₐ] = mₕcₕ・dTₕ(t)/dt + ρc・q (t)[Tₕ(t)-Tᵢ(t)]（Tₕ(t) 为加热体温度，Tₒ(t)≈Tₕ(t)）
- 燃气即热式：Q (t)×η - k [Tₒ(t)-Tₐ] = ρc・q (t)[Tₒ(t)-Tᵢ(t)]
建模内容
分为三个部分，储水箱，水管，淋浴
储水箱
模拟水箱水温的动态变化过程，核心是基于能量守恒原理构建的数学模型。以下是各模块的功能解读与模型意义：
1. 核心参数模块
- Tank（水箱容积）：
0.1E-3表示水箱容积为 0.0001 m³（即 0.1 L，属于简化建模的小容积示例）。 - density（水的密度）：取值
1000kg/m³，为水的标准密度。 - c（水的比热容）：取值
4200J/(kg・℃)，为水的定压比热容。 - heat power（加热功率）：
15e3表示加热功率为 15000 W（15 kW）。 - 流量相关模块：
10等模块用于定义水的流量（单位隐含为 kg/s 或 L/min，需结合场景确认）。
2. 模型逻辑（能量平衡）
该模型通过积分器（∫）和代数运算模块，实现 “加热功率输入 - 水流带走的热量 = 水箱水的内能变化” 的动态计算，最终输出水箱水温随时间的变化曲线（模块1为输出端）。
水管
简单的延时2s，仅延时温度，不延时流量。
淋浴
AM为环境温度，8为淋浴流量，减去in1来的流量得到冷水流量，然后冷水热水混合计算新的温度。
其他
注意水管中的延时需要设置初始值。
在模型最外围设置热水开度。
仿真时间设置为50s。
结果
温度曲线与实际感受相符，一般来说水管越长，延时时间越长。
温度呈现一阶惯性环节上升，惯性量为水箱水的热容，由于是即热式热水器，所以仅将水箱水的容积设置为0.1L。读者自行理解为什么是一阶惯性。
优化空间
下个版本准备迭代，
加入淋浴阀门控制，使用简单控制或PID控制（甚至模糊控制更接近实际）；
加入热水器温度控制；
加入热水器流量检测判断是否打开燃气；
加入水管热容；
加入散热。
本次未涉及散热主要是考虑到即热式热水器由于时间短，散热相对于加热可以忽略不计。
后续可以加入储水式热水器，并可以探究储水式热水器的功耗情况。