李卓明

【摘 要】針對(duì)單獨(dú)使用太陽能熱泵技術(shù)存在的局限，本文設(shè)計(jì)了一套太陽能-土壤源熱泵跨季蓄熱系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的工作原理、運(yùn)行模式和控制條件。系統(tǒng)功能全面，分為冬季供暖、夏季制冷與過渡季蓄熱，可全年運(yùn)行實(shí)現(xiàn)多能源的互補(bǔ)利用。同時(shí)使用DSP進(jìn)行控制，保證了運(yùn)行的可靠性。在供暖季針對(duì)不同的環(huán)境工況，系統(tǒng)充分利用低溫?zé)嵩?，啟?dòng)最佳的運(yùn)行模式，發(fā)揮系統(tǒng)的節(jié)能和環(huán)保特性，具有廣闊的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】SGCHPESS；運(yùn)行模式；DSP

0 引言

近年來能源消耗急劇增加，過度開發(fā)的傳統(tǒng)能源引起的環(huán)境污染問題對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此發(fā)展可持續(xù)能源己成為當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢(shì)。而建筑能耗占了相當(dāng)大的比例，產(chǎn)生的污染物非?？捎^，建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題已上升為國(guó)策，提高到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，在這種背景下，提出了太陽能—土壤源熱泵跨季蓄熱系統(tǒng)（SGCHPESS）。系統(tǒng)將太陽能集熱與土壤跨季節(jié)蓄熱結(jié)合，土壤熱源能彌補(bǔ)單獨(dú)使用太陽能在陰雨天或夜晚不能運(yùn)行的缺陷，同時(shí)蓄熱系統(tǒng)將豐富的太陽能資源儲(chǔ)存起來，恢復(fù)土壤溫度，二者良好的互補(bǔ)性、匹配性加強(qiáng)了太陽能利用的深度與廣度，保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了運(yùn)行效率，節(jié)約了建筑能耗。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來講，控制的主要目的就是保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性，通過合理的管路連接及閥門控制，實(shí)現(xiàn)冬季供暖、夏季供冷、過渡季節(jié)蓄熱，是一種高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

太陽能—土壤源熱泵跨季蓄熱系統(tǒng)原理如圖 1所示，集熱器吸收太陽能加熱循環(huán)水，并將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱水箱中，冬季優(yōu)先使用太陽能，土壤源輔助供暖，夏季將多余的太陽能蓄存在地下，一部分供冷，過渡季節(jié)將太陽能集熱系統(tǒng)剩余熱量蓄到地下，提高可再生能源利用率。系統(tǒng)通過不同閥門的開啟， 改變冷熱媒流向， 實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換，從而使得室內(nèi)溫度保持在一定范圍。SGCHPESS 系統(tǒng)中有三種熱源：太陽能、土壤源和蓄熱，其中蓄熱包括土壤季節(jié)性蓄熱和水箱蓄熱，其中水箱蓄熱是短期將太陽能儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，兩者均為間接利用太陽能。

SC-集熱器；TS-儲(chǔ)熱水箱；Evap-蒸發(fā)器；FCU-風(fēng)機(jī)；VUGHE-垂直式U型管土壤換熱器；RF-輻射地板；EV-電磁閥；CV-止回閥；P-水泵；FM-流量計(jì)；HP-熱泵；FWV-四通閥；AC-壓縮機(jī)；TEV-膨脹閥；Cond-冷凝器

該系統(tǒng)主要由太陽能集熱、土壤換熱、熱泵以及系統(tǒng)末端組成。

2 控制設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)包括兩層，即過程控制層和監(jiān)控管理層。過程控制層以TI公司的32位浮點(diǎn)處理器 TMS320F28335為核心設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理，再將控制信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)不同工作模式的狀態(tài)切換。 現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電磁閥、 循環(huán)水泵、壓縮機(jī)、膨脹閥和四通閥等。監(jiān)控管理層通過 RS232 接口與PC 機(jī)上的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控過程控制層，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電源模塊為 TMS320F28335 核心板提供 3.3V 電壓，同時(shí)提供 12V 的電壓作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源；JTAG 模塊完成開發(fā)環(huán)境CCS 與 DSP 的通信，并負(fù)責(zé)程序的下載及在線調(diào)試；串口通信模塊負(fù)責(zé) DSP 與上位機(jī)的通信，用于監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況；時(shí)鐘復(fù)位電路保證TMS320F28335 芯片正常工作；芯片采集到系統(tǒng)的工作狀態(tài)后，分別發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)水泵、壓縮機(jī)、四通閥、膨脹閥、電磁閥等有序動(dòng)作，完成制冷、供暖、蓄熱等任務(wù)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

系統(tǒng)通過DS18B20溫度傳感器檢測(cè)集熱器出水口溫度與水箱出口溫度，DHT22檢測(cè)室內(nèi)溫度。同時(shí)對(duì)I/O進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的輸出模塊控制19個(gè)電磁閥。被控器件如水泵，電磁閥等設(shè)備由 CPU集中控制，但由于控制部分不能直接驅(qū)動(dòng)元器件，需要功率電路擴(kuò)展輸出電流滿足被控元件的電流、電壓需求。繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖3所示：

2.2 控制方案

為保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述功能，使系統(tǒng)處在高效率的有利工況下運(yùn)行，現(xiàn)提出系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略?？刂撇呗苑譃閮刹糠郑海?）房間溫度控制系統(tǒng)啟停。在供暖季，當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)開始供暖；在供冷季，當(dāng)室溫高于設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)開始供冷。（2）水箱溫度控制各模式切換。利用水箱溫度較恒定的優(yōu)勢(shì)，在不同的溫度變化范圍內(nèi)穩(wěn)定切換，使水溫實(shí)現(xiàn)梯度利用，提高系統(tǒng)性能系數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。具體的控制方式有以下三種：

1）溫度控制：整個(gè)系統(tǒng)的啟停采用溫度控制，預(yù)先設(shè)定好，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)停止工作；時(shí)，系統(tǒng)開始工作。同時(shí)各運(yùn)行模式的切換以及高溫報(bào)警也才用溫度控制。

2）溫差控制：太陽能集熱部分的運(yùn)行釆用溫差循環(huán)控制，當(dāng)且時(shí)，泵P1開啟，集熱部分運(yùn)行，當(dāng)或時(shí)，泵P1關(guān)閉，集熱部分停止。

3）時(shí)間控制： 系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)，根據(jù)所處月份供暖、供冷與蓄熱，從而實(shí)現(xiàn)跨季蓄熱目的。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后根據(jù)運(yùn)行條件選擇工作模式，由運(yùn)行模式確定各元件的啟停狀況，若出現(xiàn)異常，則發(fā)出警報(bào)信號(hào)并停機(jī)檢查。DSP 程序使用 CCS 編譯軟件，利用軟件提供的工具對(duì) DSP 芯片進(jìn)行編譯并實(shí)時(shí)調(diào)試，其開發(fā)流程如圖4所示：

3 總結(jié)

北方的冬季熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷，太陽能-土壤源熱泵跨季蓄熱系統(tǒng)通過跨季蓄熱使得太陽能與土壤源聯(lián)合運(yùn)行成為可能，可解決全年吸熱量與排熱量不平衡的問題，使得地下溫度場(chǎng)保持穩(wěn)定的變化 ，實(shí)現(xiàn)冬夏兩季能量的互補(bǔ)。整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽能，實(shí)現(xiàn)能量的梯度利用，最大限度發(fā)揮太陽能作用。系統(tǒng)運(yùn)行模式雖然較多，但每種運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)間有區(qū)別，例如在供暖季模式二、模式四、模式六與模式七經(jīng)常使用。在DSP的穩(wěn)定控制下，運(yùn)行模式的準(zhǔn)確切換可使系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)得到進(jìn)一步提高。此系統(tǒng)一機(jī)多用性能良好，經(jīng)濟(jì)可行，符合可持續(xù)發(fā)展要求，可成為今后發(fā)展的方向。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]