相变蓄热蒸发型空气源热泵控制系统的开发

摘要

本文是山西省科技重大专项“基于物联网的煤矿重大生产装备状态监测及全寿命周期管理系统开发（No：20131101029）”的重要子课题之一。其主要针对空气源热泵在低温环境下供热性能差、效率低下及故障频发等问题而提出的。我国是能源消耗大国，化石燃料的消耗占据着我国总能源消耗的90％，同时伴随着严重的环境污染问题，雾霾天气的频繁出现严重影响着当代人的身体健康，虽然国家出台了一系列节能减排措施，但收效甚微，若能源使用结构不发生根本性改变，环境污染问题将持续长久存在，势必影响国家的发展和人们的生活质量。而空气源热泵作为清洁能源，其吸收空气中热量转换为其他形式的能量，清洁无污染，是未来新能源发展的方向之一。发达国家尤其是日本在空气源热泵的研究和应用层面均处于世界领先地位，而欧洲地区也广泛鼓励人们使用空气源热泵，因此，空气源热泵的研究和应用变得刻不容缓。
　　空气源热泵在我国南方应用广泛，其具有使用方便、节能和高效等特点，由于我国北方环境温度较低，空气源热泵在应用过程中会出现一系列问题，目前我国北方大部分地区依然依赖以燃煤为基础的集中供热方式，集中供热存在环境污染严重及不能根据热用户需求调节等缺点。为了解决空气源热泵在低温环境下的应用问题并提高极低条件下热泵的供热性能以推广空气源热泵在北方的应用，课题组经过多年的研究，将传统空气源热泵机组与相变蓄热器相结合开发了一套相变蓄热蒸发型空气源热泵系统。蓄热材料采用80%Na2SO4?10H2O+20%Na2HPO4?12H2O。当室外环境温度高于热泵系统所设计平衡点温度-5℃时，系统于供热—蓄热模式运行，利用相变蓄热技术将多余热量贮存于蓄热器中；当室外环境温度低于-5℃时，系统运行于供热—放热模式，蓄热器作为辅助蒸发器向系统放热并供向热用户，使热量能做到时间上的迁移，解决了空气源热泵在低温环境下的热量供需矛盾，同时增强了空气源热泵低温运行的安全性和经济性；当外界环境温度较低时，热泵机组蒸发器盘管出现凝霜现象，系统运行于除霜—放热模式，其可利用蓄热器所贮存热量进行除霜，实现蓄热储能快速高效节能除霜，缩短了机组除霜时间，显著提高了空气源热泵的供热质量和运行性能。
　　本文基于以上相变蓄热蒸发型空气源热泵系统方案，研制了相变蓄热蒸发型空气源热泵系统样机，并研发了基于STM32F103微控制器的控制系统，设计了数据采集与输出控制电路及系统软件，可对热泵机组主要设备进出口管路温度、水箱液位高度及压缩机压力等参数进行实时采集并显示，系统结合温度回差和过热度 PID算法控制热泵系统压缩机、水泵、四通换向阀、蒸发器、管路电磁阀及电子膨胀阀等部件，实现了空气源热泵热水机组的安全、可靠和经济运行。经实验室调试和现场使用测试，相变蓄热蒸发型空气源热泵系统在三种模式下运行时都具有优良的性能。实验研究结果表明，本相变蓄热蒸发型空气源热泵系统能够解决空气源热泵在供热过程中存在的能量供需矛盾,同时提高了空气源热泵在低温环境运行下的性能，整个系统性能优异且稳定可靠，节能效果良好，-5℃时系统COP达到2.1，为空气源热泵应用于北方地区提供一种新的思路。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和目的

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的研究目标及研究内容

第二章 相变蓄热蒸发型空气源热泵机组简介

2.1 相变蓄热蒸发型空气源热泵机组工作原理

2.2 相变蓄热蒸发型空气源热泵机组工况参数

2.3 相变蓄热蒸发型空气源热泵机组运行模式

2.3 小结

第三章 控制系统整体方案设计及控制策略研究

3.1 热泵机组控制要求及主要研究内容

3.2 控制系统功能设置

3.3 系统控制策略研究

3.4 本章小结

第四章 相变蓄热蒸发型空气源热泵控制系统硬件电路设计

4.1 控制系统整体结构

4.2 信号检测电路设计

4.2 电流电压采集电路设计

4.3 控制器最小系统设计

4.4 驱动电路设计

4.5 手动自动选通电路设计

4.6 小结

第五章 相变蓄热蒸发型空气源热泵控制系统软件设计

5.1 软件设计基础

5.2 软件系统整体结构

5.3 主程序设计

5.4 各工况子程序设计

5.5 虚拟SPI通讯

5.6 一阶滤波程序设计

5.7 单相电压电流采样及有功功率程序设计

5.8 数字PID调节程序设计

5.9 小结

第六章 人机交互界面与上位机交互界面设计

6.1 人机界面软件开发环境

6.2 人机界面通讯

6.3 触摸屏界面设计

6.4 LabVIEW监控画面设计

6.5小结

第七章 相变蓄热蒸发型空气源热泵系统实验与分析

7.1 实验测试系统

7.2 实验方案设计

7.3 实验结果及性能分析

7.4 热泵机组系统样机调试与安装

7.5 热泵系统性能参数

7.6 小结

第八章 结论与展望

8.1 研究结论

8.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果