空氣源熱泵控制系統開發

摘 要： 在此開發一種優良的空氣源熱泵自動控制系統。對空氣源熱泵原理和系統結構做了簡要介紹。然后介紹了該設計的控制系統。該控制系統采用基于MSP430微控制器的數據采集與輸出控制電路。溫度探頭采用PT100，水位探頭采用帶變送器的成品水位傳感器。對水位與溫度信號調理電路進行了設計計算。在IAR平臺上進行軟件開發與仿真。采用C語言編程。實現了良好的控制效果。現場使用兩年來，性能穩定、可靠，節能效果良好。

關鍵字： 空氣源熱泵； 水位探頭； 水溫探頭； 節能效果

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0150?02

本控制系統以微控制器MSP430F5438為核心，外加傳感器、信號調理電路以及繼電器控制電路，實時監測水箱內的水位、水溫、外部環境溫度以及壓縮機出口溫度，使水箱內的水溫和水位滿足用戶的熱水需求并實現良好的節能與保護效果。

1 空氣源熱泵工作原理簡介

在空氣源熱泵中經過膨脹閥的冷媒體積增大多倍，而壓力降低多倍，在吸熱器中進行蒸發，蒸發使其溫度下降很多，最低可達到-18 ℃以下，蒸發需要熱量，于是從空氣中吸收熱量，有效的利用空氣能。之后經壓縮機壓縮為高溫高壓液體媒質，其溫度最高可以達到90 ℃以上，通過置于水中的散熱管將其中熱量傳導給水而使水溫升高。壓縮機消耗電能僅用于搬移空氣中的熱量到水中。其熱效率最高可以達到300%以上。其熱效率會隨著水溫升高而降低。而單獨使用電加熱，效率最高只能達到100%。因此熱泵節電效果顯著[1?4]。在能源日益短缺的現在，推廣熱泵具有重要的社會經濟意義。因此研究熱泵的控制技術亦具有重要的學術與社會意義。

2 熱泵熱水系統設計

為了節能，采用空氣源熱泵熱水，而以電加熱作為輔助手段。只有在熱泵加熱不能滿足用戶需求時，才打開電加熱器作為補充，而一旦熱泵加熱能夠滿足需求時，立即關閉電加熱器。為了充分發揮熱泵熱水的優勢，必須將本系統的吸熱部分安裝在通風良好的地方。圖1是設計的日供30 t熱水的系統組成。圖中水箱總高2.5 m，30 t，平時維持20 t水，最低水位0.5 m，平時水位變化0.5～2.2 m，當水箱內水量不足時，打開進水閥進水；進水使得水溫下降到45 ℃時，停止進水，通過熱泵繼續加熱，水溫上升到50 ℃時，又開始進水，如此循環直到水位達到最高水位，稱此過程為程控進水。

在一年內大部分日期，例如西安，約有10個月僅需熱泵工作，就可滿足熱水需求。隆冬季節，當外界環境溫度過低不能保證水溫在所需溫度時，才需要打開電加熱器對水箱內的水進行補充加熱。在全年內，當水箱內水的溫度過高時，熱泵效率會下降較多，同時熱泵壓縮機冷媒的出口溫度會上升較高，使熱管部分產生較大壓力，對管路造成損害，此時要關閉熱泵，保護管路，節約電力。

3 熱泵控制系統

本控制系統由多個傳感器、信號調理電路、主控制器、繼電器板組成。其中，信號調理電路對傳感器信號進行濾波放大，輸入到主控制器[4]，包括監測環境溫度的3只溫度傳感器，在水箱內測量水溫的3只溫度傳感器，1個水位傳感器和1個壓縮機出口溫度傳感器。控制系統組成見圖2。本系統軟件采用C語言編寫，在著名的IAR集成開發平臺上進行程序編寫與硬件仿真調試，完成了產品的硬件完善和軟件開發[5]。硬件控制系統的關鍵部件是主控制器和信號調理電路，分別介紹如下所述。

3.1 主控制器

主控制器采用MSP430F5438微控制器，接收由信號調理電路輸入的多路電壓信號，進行A/D轉換與分析處理，將相應的開關量控制信號輸出到繼電器板，以控制熱泵、進水電磁閥、電加熱器、用戶泵等設備。該主控制器內置一個12位A/D轉換器，可以接收外部輸入的12路模擬信號和內部的4路模擬信號，也可以對規定通道數目的模擬信號進行掃描轉換，具有內部參考電壓和采樣保持電路；主控制器還具有32位的內部硬件乘法器，256 KB閃存可以存放程序代碼，512 B閃存用于保存用戶的設置參數，16 KB RAM用于存放全局變量與局部變量和中間計算結果。它是一款性價比很高的微控制器。

3.2 信號調理電路

3.2.1 水位傳感器信號調理

本系統中采用水位傳感器選用的測深3 m的密封壓力探頭，輸出4～20 mA直流信號，當水位為0時，輸出電流為4 mA，而本系統A/D轉換采用的是雙極性接法，即當水位為0時，輸出-10 V，當水位為2.5 m（在實際應用中，水箱水深度為2.5 m時，即認為水箱水已滿）時，輸出為10 V。信號調理以及放大電路見圖3。電路調試完后，可變電阻都有確定數值，由電工理論可得式（1）：

3.2.2 溫度傳感器信號調理

本系統采用的溫度傳感器為PT100，當溫度為0 ℃時，電阻為100 Ω，經信號調理電路后輸出電壓為-10 V，當溫度為100 ℃時，電阻為142.8 Ω；經信號調理后輸出電壓為10 V。具體電路如圖4（其中T1、T2接PT100，JM1為調試用）。調試電路各個電阻都取固定值，可得式（2）：

通過上述兩個電路獲得Vout后，還要通過電壓平移電路和分壓電路將Vout轉換為主控制器需要的0～3 V模擬信號，才能輸送給主控制器進行A/D轉換[6]。

4 結 語

本系統已經用于熱泵的控制，現場使用兩年來，可靠穩定，效果良好。

參考資料

[1] 管立偉，李汪彪，秦永熙，等.太陽能、熱泵熱水工程多模式測試及技術實現[J].現代電子技術，2013，26（12）：82?83.

[2] 周赤忠.熱泵熱水器技術及應用[J].能源研究與信息，2009（4）：223?225.

[3] YAN Bi?hong， SHE Cai?qing， DING Hao， et al. The fuzzy control system of the solar energy collector combining with heat? pump [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Electrical and Control Engineering. Yichang， China： ICECE， 2011： 2691?2694.

[4] 佚名.熱泵熱水器技術[DB/OL].[2013?07?09].http：//wenku.baidu.com.

[5] 畢宏彥，張日強，張小棟.計算機測控技術及應用[M].西安：西安交通大學出版社，2010.

[6] 韓濤，趙曉瑛，盛鍇.基于單片機的智能油溫檢測報警系統設計[J].現代電子技術，2012，35（23）：56?57.