一种基于中医头寒足热理论的纵向串联梯级温控水循环床垫及控制方法

本发明属于智能家居，涉及一种床垫，尤其涉及一种基于中医头寒足热理论的纵向串联梯级温控水循环床垫及控制方法。

背景技术：

1、随着人们生活水平的不断提高，对睡眠舒适度的要求也日益增加。传统床垫仅能提供基本的支撑功能，无法根据环境温度及人体需求主动调节温度，难以满足不同季节、不同人群对睡眠温度的要求。

2、中医理论认为，头为诸阳之会，保持头部适度凉爽有助于阳气正常发散；足部为诸阴之会，保持温暖可促进血液循环。头寒足热的养生理念与现代热生理学高度契合，人体核心温度下降是入睡的关键生理信号，头部作为主要散热部位，保持凉爽有助于快速进入深度睡眠；足部温暖则能扩张外周血管，加速核心体温向体表传递，缩短入睡潜伏期。

3、目前市面上出现了一些具备温度调节功能的水循环床垫。公开号为cn111096602a的发明专利申请公开了一种分区温控智能床垫，包括若干个区域，每个区域可进行不同温度的升温或降温，但其各区域采用并联供水方式，各分区需独立维持水温，结构复杂、成本高。公开号为cn221153615u的实用新型专利公开了一种冷暖分区床垫，床垫本体至少分设有两个调温区，每个调温区分别设有独立的回水管，调温模块包括若干个并联设置的半导体制冷组件。公开号为cn105698308a的发明专利申请公开了一种床式空调器，采用辐射式蒸发器通过辐射换热调节床垫温度。公开号为cn116548770a的发明专利申请公开了一种左右分区冷暖调节床垫，各分区为并联独立循环。公开号为cn122229402a的发明专利申请公开了一种基于人体热生理节律的多区域动态睡眠温控方法，提出了入睡阶段足部升温与头部降温的策略。上述方案虽然分区控温，但多采用左右分区或每区独立设置调温模块的并联方案，各分区水路为并联或完全独立关系，这种并联方案结构复杂、成本高，且各分区回水直接回流，上游分区回水携带的余热无法被下游分区梯级利用，能量利用率低。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于中医头寒足热理论的纵向串联梯级温控水循环床垫及控制方法，以克服现有技术中结构复杂、成本高、能量利用率低等缺陷。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于中医头寒足热理论的纵向串联梯级温控水循环床垫，包括冷水箱、热水箱、混合阀、床垫、调节阀和辅助加热装置；所述冷水箱和所述热水箱分别用于储存冷水和热水；所述床垫包括床垫本体、足部管路和腰部管路；所述床垫本体沿床尾至床头纵向方向依次分为足部加热区、腰背余热利用区和头肩自然散热区；所述足部管路和所述腰部管路分别嵌在所述足部加热区和所述腰背余热利用区中；所述混合阀和所述调节阀均为三通阀；所述冷水箱和所述热水箱分别与所述混合阀的两个入口连接，所述混合阀的出口与所述足部管路的入口连接；所述足部管路的出口与所述调节阀的入口连接，所述调节阀的一个出口与所述腰部管路的入口连接，另一个出口与所述热水箱连接；所述腰部管路的出口与所述冷水箱连接；所述辅助加热装置设置在所述调节阀与所述腰部管路之间。

4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

5、进一步地，所述床垫本体的所述足部加热区还嵌有微胶囊相变材料；所述微胶囊相变材料为由高分子壁材包覆石蜡芯材的微胶囊，粒径为10~50μm，相变潜热大于等于180j/g。

6、进一步地，所述床垫本体为弹性多孔基体；所述弹性多孔基体的开孔率大于等于80%；所述微胶囊相变材料经硅烷偶联剂表面处理后分散于所述弹性多孔基体中，所述微胶囊相变材料表面的活性基团与所述弹性多孔基体形成化学键合。

7、进一步地，所述弹性多孔基体为聚氨酯海绵。

8、进一步地，所述足部管路和所述腰部管路均呈蛇形布设；所述足部管路的管路密度为所述腰部管路的管路密度的2~3倍；所述足部管路的内径为2~4mm，管路中心距离为15~25mm；所述腰部管路的内径为3~5mm，管路中心距离为30~50mm。

9、进一步地，所述冷水箱与所述混合阀之间设有冷水泵；所述热水箱与所述混合阀之间设有热水泵；所述冷水箱连接有制冷装置，用于对所述冷水箱中的水进行制冷；所述热水箱连接有加热装置，用于对所述热水箱中的水进行加热。

10、进一步地，所述制冷装置为半导体制冷片；所述加热装置为电加热器。

11、进一步地，还包括混合水温度检测器、足部温度传感器、腰背温度传感器、环境温度传感器和控制器；所述混合水温度检测器设置在所述混合阀与所述足部管路之间，用于检测进入所述足部管路的混合水的温度；所述足部温度传感器设置在所述床垫本体的所述足部加热区，用于检测所述足部加热区的温度；所述腰背温度传感器设置在所述床垫本体的所述腰背余热利用区，位于所述腰部管路的入口处，用于检测所述腰背余热利用区的所述腰部管路入口处的温度；所述环境温度传感器设置在所述床垫本体的所述头肩自然散热区，位于远离所述腰背余热利用区的位置，用于检测环境温度；所述控制器与所述混合水温度检测器、所述足部温度传感器、所述腰背温度传感器和所述环境温度传感器均连接，接收检测数据，并根据检测数据控制所述混合阀、所述调节阀和所述辅助加热装置。

12、进一步地，所述混合阀与所述足部管路之间设有压力检测器和泄压阀；所述压力检测器和泄压阀均与所述控制器连接；还包括回水器；所述回水器具有两个入口和一个出口，两个入口分别与所述足部管路的出口和所述泄压阀连接，出口与所述热水箱连接。

13、第二方面，本发明还提供上述的基于中医头寒足热理论的纵向串联梯级温控水循环床垫的控制方法，包括以下步骤：

14、s1：所述控制器控制所述制冷装置对所述冷水箱制冷、所述加热装置对所述热水箱加热以及所述冷水泵和所述热水泵分别将所述冷水箱中的冷水和所述热水箱中的热水输送至所述混水阀；

15、s2：冷水和热水经所述混水阀混合后，流入所述床垫的所述足部管路；

16、s3：混合水对所述足部加热区进行加热，同时所述足部加热区内嵌的所述微胶囊相变材料协同工作，即当足部加热区的温度在35~40℃范围内波动时，温度高于37℃时微胶囊相变材料吸热熔化储存潜热，温度低于37℃时微胶囊相变材料放热凝固释放潜热，从而在37℃附近形成热缓冲区间；所述足部温度传感器实时监测所述足部加热区的温度并反馈至所述控制器，所述控制器根据检测数据控制所述混合阀；

17、s4：加热所述足部加热区后的混合水通过所述调节阀，一部分流入所述腰部管路，对所述腰背余热利用区进行加热，另一部分回流至所述热水箱；所述腰背温度传感器实时监测所述腰背余热利用区的所述腰部管路入口处的温度，所述控制器根据检测数据控制所述调节阀和所述辅助加热装置；

18、s5：加热所述腰背余热利用区后的混合水回流至所述冷水箱。

19、进一步地，步骤s3中，所述控制器以所述足部温度传感器检测的所述足部加热区实际温度与所述足部加热区的目标温度的偏差作为外环pid输入，得到混合水温度设定值；以所述混合水温度检测器检测的混合水温度与所述混合水温度设定值的偏差作为内环pid输入，调节所述混合阀的开度。

20、进一步地，所述足部加热区的目标温度为35~40℃。

21、进一步地，步骤s4中，当所述腰背温度传感器检测的所述腰部管路入口处的温度低于所述腰背余热利用区的目标温度时，所述控制器启动所述辅助加热装置进行温度补偿；当所述腰背温度传感器检测的所述腰部管路入口处的温度高于所述腰背余热利用区的目标温度时，所述控制器减小所述调节阀至所述腰部管路的通路、增大所述调节阀至所述热水箱的通路并关闭所述辅助加热装置。

22、进一步地，所述腰背余热利用区的目标温度为30~33℃。

23、进一步地，步骤s2中，当所述压力检测器检测的供水压力超过预设阈值时，所述控制器开启所述泄压阀，将供水主管道中的部分水流分流，回流至所述热水箱，同时降低冷水泵和热水泵的转速。

24、本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于中医头寒足热理论的纵向串联梯级温控水循环床垫及控制方法，床垫分为足部加热区、腰背余热利用区和头肩自然散热区，足部加热区和腰背余热利用区中嵌有串联的足部管路和腰部管路，通过纵向串联梯级水路拓扑，利用水在串联回路中的物理热衰减自然形成足热—背温—头寒的纵向温度梯度，无需各分区独立配置加热/制冷模块，结构简单、成本低。通过调节阀将足部管路中的高温混合水分流，大部分直接回流至热水箱，减少再加热能耗，小部分引入腰部管路对腰背余热利用区进行余热加热，实现热能的梯级利用，节能效果显著。在足部加热区嵌入相变温度为37℃的微胶囊相变材料，与足部管路协同控温，利用微胶囊相变材料的固液相变潜热在37℃附近形成热缓冲区间，有效抑制温度波动，控温精度达±0.5℃。头肩自然散热区不设任何水循环管道，依靠自然散热实现头寒，结构简化且符合中医头寒足热理论。