一種多功能聯(lián)網(wǎng)型熱泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
熱泵技術(shù)是一種以消耗少量電能或燃料能為代價，將大量無用的低溫?zé)崮茏優(yōu)橛杏玫母邷責(zé)崮艿募夹g(shù)。目前市場上熱泵的應(yīng)用主要可以分為空調(diào)和熱水2大方向?？照{(diào)方面主要指冷暖通空調(diào)，熱水方面主要指熱泵熱水器。近年來，空氣源熱泵熱水器行業(yè)逆勢活躍，國內(nèi)各大空調(diào)公司相繼推出多款熱泵熱水器產(chǎn)品，這與冷暖通空調(diào)低迷的行情形成了鮮明對比。
本文提出了基于RS 485總線或CAN總線的聯(lián)網(wǎng)式熱泵熱水器的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)方法，擁有分工明確的硬件模塊和科學(xué)的軟件算法。通過模仿實(shí)時系統(tǒng)(Re-al-time Operating System，RTOS)的基本原理，充分利用系統(tǒng)的硬件資源，使復(fù)雜的控制任務(wù)在有限硬件條件下的有序進(jìn)行成為可能，降低了系統(tǒng)成本。

1 熱泵技術(shù)概述
1．1 熱泵的概念
如果要讓水從低處流動到高處，需要水泵來完成；如果要把低溫物體的熱量傳送給高溫物體，就需要用熱泵。熱泵工作原理如圖1所示。熱泵以水或者空氣等低溫?zé)嵩醋鳛闊嵩?，通過冷媒的物理狀態(tài)變化，進(jìn)行吸收和釋放熱量，并通過循環(huán)傳遞熱量，實(shí)現(xiàn)熱的轉(zhuǎn)移，這樣就可以把不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能的目的。

1．2 空氣源熱泵空調(diào)原理
空氣源空調(diào)的原理如圖2所示，冷媒首先經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮做功后，變成高溫高壓的氣態(tài)；然后經(jīng)過冷凝器進(jìn)行冷卻，將熱量傳遞給室外空氣，液化成低溫高壓的氣液混合態(tài)；接著經(jīng)過膨脹閥膨脹對外做功，溫度進(jìn)一步降低，成為低溫低壓的氣液混合態(tài)冷媒；再接著經(jīng)過蒸發(fā)器，吸收室內(nèi)環(huán)境的熱量而溫度變高；最后又回到壓縮機(jī)進(jìn)行新一輪的循環(huán)。

熱泵的原理其實(shí)與上述空調(diào)原理基本相同，不過空調(diào)是要吸收室內(nèi)過高的熱量然后排到室外去，起到室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的效果；而熱泵則是吸收環(huán)境的低溫?zé)崃?可以是大氣、土壤、水的低溫余熱)然后泵送到有利用價值的高溫?zé)嵩粗腥ス┡蛘咧圃鞜崴?。圖3為熱泵熱水器的原理簡圖。冷媒的循環(huán)原理與熱傳遞原理都是跟空調(diào)的一致，惟一不同的就是熱泵是將從環(huán)境中吸收的熱量通過熱交換器傳遞給冷水來加熱冷水，然后將冷氣排放到空氣中。

對比上面二者，可以看出無論是空調(diào)還是熱泵熱水器都會往大氣中排放冷氣或者廢熱，這不僅造成能源的利用率低，還會影響環(huán)境質(zhì)量。如果將兩者取長補(bǔ)短，結(jié)合在一起，則其意義和效益將是極其明顯的。空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)則是上面兩者結(jié)合的產(chǎn)物。整個系統(tǒng)可以分為3個區(qū)：冷區(qū)(又稱為室內(nèi)風(fēng)機(jī)區(qū))、熱區(qū)(又稱為熱交換區(qū))和冷熱區(qū)(又稱為室外風(fēng)機(jī)區(qū))。冷區(qū)是熱泵吸收外界熱量排放冷氣的區(qū)域，一般是指空調(diào)室內(nèi)的冷風(fēng)機(jī)；熱區(qū)則是熱泵輸出高位熱能的區(qū)域，對于本文研究的系統(tǒng)來說，這個區(qū)域的高位熱能都是通過熱交換器來將熱量傳遞給熱水加熱，被加熱的熱水存儲于熱水箱之中，同時在冬天的時候也可以將部分熱水引導(dǎo)到室內(nèi)取暖；冷熱區(qū)是一個比較特殊的區(qū)域，這里既可以吸收環(huán)境的低品位熱量也可以釋放高品位熱量，一般情況下都是指室外風(fēng)機(jī)所在的區(qū)域。通過切換四通閥、冷凝器電磁閥、蒸發(fā)器電磁閥和化霜電磁閥等閥門就可以實(shí)現(xiàn)熱泵裝置、制冷機(jī)、熱泵制冷聯(lián)合機(jī)之間等功能以及各功能之間的轉(zhuǎn)換，而且切換靈活方便，隨時可以根據(jù)實(shí)際需要來進(jìn)行功能的選用。該系統(tǒng)各功能模塊的冷媒循環(huán)通路如圖4所示。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)的特點(diǎn)是多臺熱泵機(jī)組聯(lián)網(wǎng)控制，因此必須具備一個功能強(qiáng)大的上位控制器，收集全系統(tǒng)各機(jī)組的工作狀態(tài)，并根據(jù)收集回來的數(shù)據(jù)對各機(jī)組作統(tǒng)籌分析，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制以及節(jié)能效應(yīng)。而對于水箱以及安裝在用戶端的每臺熱泵機(jī)組，都必須配有一臺控制器，連接在網(wǎng)絡(luò)上的控制器接收來自頂端控制器的控制命令，以進(jìn)行對本機(jī)組中各子設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)熱泵的基本功能。另外，由于熱泵機(jī)組安裝在用戶端，需要配有一個用戶作交互的接口，該接口安裝需在用戶室內(nèi)。綜上所述，本熱泵控制系統(tǒng)劃分成4種控制器：主面板(管理員控制板)，副面板(用戶控制板)，水箱控制板和熱泵控制板。
2．1 主面板
主面板是整個系統(tǒng)的管理控制中心，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的通信和協(xié)調(diào)，綜合水箱控制板與熱泵控制板的反饋狀況對環(huán)境做出判斷，實(shí)現(xiàn)對各熱泵機(jī)組的控制和統(tǒng)一，并且提供一個良好的人機(jī)接口。同時主面板也具備E2PROM數(shù)據(jù)保存、防掉電和機(jī)組出錯報警等功能。主面板硬件模塊示意圖如圖5所示。