一種多功能聯(lián)網型熱泵控制系統(tǒng)的設計與實現

0 引言
熱泵技術是一種以消耗少量電能或燃料能為代價，將大量無用的低溫熱能變?yōu)橛杏玫母邷責崮艿募夹g。目前市場上熱泵的應用主要可以分為空調和熱水2大方向?？照{方面主要指冷暖通空調，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，國內各大空調公司相繼推出多款熱泵熱水器產品，這與冷暖通空調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)網式熱泵熱水器的硬件與軟件實現方法，擁有分工明確的硬件模塊和科學的軟件算法。通過模仿實時系統(tǒng)(Re-al-time Operating System，RTOS)的基本原理，充分利用系統(tǒng)的硬件資源，使復雜的控制任務在有限硬件條件下的有序進行成為可能，降低了系統(tǒng)成本。

1 熱泵技術概述
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熱源作為熱源，通過冷媒的物理狀態(tài)變化，進行吸收和釋放熱量，并通過循環(huán)傳遞熱量，實現熱的轉移，這樣就可以把不能直接利用的低位熱能轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)約部分高位能的目的。

1．2 空氣源熱泵空調原理
空氣源空調的原理如圖2所示，冷媒首先經過壓縮機壓縮做功后，變成高溫高壓的氣態(tài)；然后經過冷凝器進行冷卻，將熱量傳遞給室外空氣，液化成低溫高壓的氣液混合態(tài)；接著經過膨脹閥膨脹對外做功，溫度進一步降低，成為低溫低壓的氣液混合態(tài)冷媒；再接著經過蒸發(fā)器，吸收室內環(huán)境的熱量而溫度變高；最后又回到壓縮機進行新一輪的循環(huán)。

熱泵的原理其實與上述空調原理基本相同，不過空調是要吸收室內過高的熱量然后排到室外去，起到室內溫度調節(jié)的效果；而熱泵則是吸收環(huán)境的低溫熱量(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熱源中去供暖或者制造熱水。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)境質量。如果將兩者取長補短，結合在一起，則其意義和效益將是極其明顯的。空氣源熱泵空調系統(tǒng)則是上面兩者結合的產物。整個系統(tǒng)可以分為3個區(qū)：冷區(qū)(又稱為室內風機區(qū))、熱區(qū)(又稱為熱交換區(qū))和冷熱區(qū)(又稱為室外風機區(qū))。冷區(qū)是熱泵吸收外界熱量排放冷氣的區(qū)域，一般是指空調室內的冷風機；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到室內取暖；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機所在的區(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現熱泵裝置、制冷機、熱泵制冷聯(lián)合機之間等功能以及各功能之間的轉換，而且切換靈活方便，隨時可以根據實際需要來進行功能的選用。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)結構
該系統(tǒng)的特點是多臺熱泵機組聯(lián)網控制，因此必須具備一個功能強大的上位控制器，收集全系統(tǒng)各機組的工作狀態(tài)，并根據收集回來的數據對各機組作統(tǒng)籌分析，以實現統(tǒng)一控制以及節(jié)能效應。而對于水箱以及安裝在用戶端的每臺熱泵機組，都必須配有一臺控制器，連接在網絡上的控制器接收來自頂端控制器的控制命令，以進行對本機組中各子設備的控制，實現熱泵的基本功能。另外，由于熱泵機組安裝在用戶端，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。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，主要負責整個系統(tǒng)的通信和協(xié)調，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，實現對各熱泵機組的控制和統(tǒng)一，并且提供一個良好的人機接口。同時主面板也具備E2PROM數據保存、防掉電和機組出錯報警等功能。主面板硬件模塊示意圖如圖5所示。