变容量直膨式太阳能热泵热水器运行控制与能量管理

摘要

太阳能是一种能够在一定范围内替代常规能源的清洁能源。太阳能热泵技术有效集成了太阳能热利用技术和热泵技术，用于供暖和制取生活热水，是实现建筑节能和可再生能源利用以及污染物减排的有效技术之一。本文在大量实验的基础上，对直膨式太阳能热泵热水器运行控制与能量管理进行了研究，主要内容如下：
　　研究分析了直膨式太阳能热泵热水器工作原理，设计并搭建了以R134a为工质的直膨式太阳能热泵热水器实验平台。实验平台主要由裸板式太阳能集热/蒸发器、变频压缩机、微通道冷凝器、蓄热水箱和电子膨胀阀等组成。组建了数据采集与控制系统，对各器件进行选型、连接和调试等，编制了基于组态王的数据采集与监控软件程序，可以实现数据实时采集、显示、存储等功能，能够对电子膨胀阀开度和压缩机转速进行自动控制。
　　对大量的实验数据进行研究分析后，提出了直膨式太阳能热泵热水器运行控制与能量管理策略，主要包括：启动阶段电子膨胀阀初始开度算法和压缩机初始转速算法；系统正常运行阶段压缩机转速调节方法和基于电子膨胀阀开度调节的过热度控制算法，并对系统制定了合理的运行时间。所提出的全工况控制策略有助于系统稳定高效运行，使能量得到更加合理的利用。
　　研制了基于直膨式太阳能热泵热水器的微控制器，包括微控制器上各种元器件的选型、控制电路设计、PCB板设计、编制控制程序和软硬件调试等。控制系统主要包括：单片机最小系统、电子膨胀阀驱动模块、RS485通信模块、显示模块、温度采集模块、按键扫描模块、时钟模块等。
　　对提出的运行控制与能量管理策略进行了大量的实验测试研究，结果表明：系统初始运行阶段，能够准确计算压缩机初始转速和电子膨胀阀初始开度，在系统开机后，过热度快速向目标范围5~10℃逼近；在系统正常运行阶段，过热度被稳定的控制在目标范围内，压缩机转速控制效果良好，加热时间误差在5%以内。在夏季工况时，COP基本能够达到6.0以上，平均消耗电量1.1kW·h/天。在冬季工况时，COP基本保持在4.0以上，平均消耗电量2.356kW·h/天。提出的策略效果明显，系统在各工况条件下均可安全、高效、稳定运行。

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