太阳能―土壤源热泵跨季蓄热系统运行模式探究.doc

太阳能―土壤源热泵跨季蓄热系统运行模式探究 　　【摘 要】针对单独使用太阳能热泵技术存在的局限，本文设计了一套太阳能-土壤源热泵跨季蓄热系统，并介绍了该系统的工作原理、运行模式和控制条件。系统功能全面，分为冬季供暖、夏季制冷与过渡季蓄热，可全年运行实现多能源的互补利用。同时使用DSP进行控制，保证了运行的可靠性。在供暖季针对不同的环境工况，系统充分利用低温热源，启动最佳的运行模式，发挥系统的节能和环保特性，具有广阔的发展前景 【关键词】SGCHPESS；运行模式；DSP 0 引言 近年来能源消耗急剧增加，过度开发的传统能源引起的环境污染问题对人类社会的发展构成了严重威胁，因此发展可持续能源己成为当今世界发展的必然趋势。而建筑能耗占了相当大的比例，产生的污染物非常可观，建筑业的可持续发展问题已上升为国策，提高到国家战略的高度，在这种背景下，提出了太阳能―土壤源热泵跨季蓄热系统（SGCHPESS）。系统将太阳能集热与土壤跨季节蓄热结合，土壤热源能弥补单独使用太阳能在阴雨天或夜晚不能运行的缺陷，同时蓄热系统将丰富的太阳能资源储存起来，恢复土壤温度，二者良好的互补性、匹配性加强了太阳能利用的深度与广度，保障系统运行的稳定性，提高了运行效率，节约了建筑能耗 对于整个系统来讲，控制的主要目的就是保证室内环境的舒适性，通过合理的管路连接及阀门控制，实现冬季供暖、夏季供冷、过渡季节蓄热，是一种高效节能的空调系统 1 系统工作原理 太阳能―土壤源热泵跨季蓄热系统原理如图 1所示，集热器吸收太阳能加热循环水，并将热量储存在蓄热水箱中，冬季优先使用太阳能，土壤源辅助供暖，夏季将多余的太阳能蓄存在地下，一部分供冷，过渡季节将太阳能集热系统剩余热量蓄到地下，提高可再生能源利用率。系统通过不同阀门的开启， 改变冷热媒流向， ??现不同运行模式的转换，从而使得室内温度保持在一定范围。SGCHPESS 系统中有三种热源：太阳能、土壤源和蓄热，其中蓄热包括土壤季节性蓄热和水箱蓄热，其中水箱蓄热是短期将太阳能储存在储热水箱中，两者均为间接利用太阳能 SC-集热器；TS-储热水箱；Evap-蒸发器；FCU-风机；VUGHE-垂直式U型管土壤换热器；RF-辐射地板；EV-电磁阀；CV-止回阀；P-水泵；FM-流量计；HP-热泵；FWV-四通阀；AC-压缩机；TEV-膨胀阀；Cond-冷凝器 该系统主要由太阳能集热、土壤换热、热泵以及系统末端组成 2 控制设计 整个控制系统包括两层，即过程控制层和监控管理层。过程控制层以TI公司的32位浮点处理器 TMS320F28335为核心设计了硬件系统，完成现场数据采集、运算处理，再将控制信号发送到执行机构，对系统进行自动控制，实现不同工作模式的状态切换。 现场的执行机构主要包括电磁阀、 循环水泵、压缩机、膨胀阀和四通阀等。监控管理层通过 RS232 接口与PC 机上的上位机进行数据通信，上位机实时监控过程控制层，完成现场数据的传输 2.1 硬件结构设计 电源模块为 TMS320F28335 核心板提供 3.3V 电压，同时提供 12V 的电压作为执行机构的电源；JTAG 模块完成开发环境CCS 与 DSP 的通信，并负责程序的下载及在线调试；串口通信模块负责 DSP 与上位机的通信，用于监控系统的运行情况；时钟复位电路保证TMS320F28335 芯片正常工作；芯片采集到系统的工作状态后，分别发出控制信号驱动水泵、压缩机、四通阀、膨胀阀、电磁阀等有序动作，完成制冷、供暖、蓄热等任务。系统的硬件结构如图2所示： 系统通过DS18B20温度传感器检测集热器出水口温度与水箱出口温度，DHT22检测室内温度。同时对I/O进行扩展，扩展的输出模块控制19个电磁阀。被控器件如水泵，电磁阀等设备由 CPU集中控制，但由于控制部分不能直接驱动元器件，需要功率电路扩展输出电流满足被控元件的电流、电压需求。继电器驱动模块电路如图3所示： 2.2 控制方案 为保证系统实现上述功能，使系统处在高效率的有利工况下运行，现提出系统的运行控制策略。控制策略分为两部分：（1）房间温度控制系统启停。在供暖季，当室内温度低于设定值时，系统开始供暖；在供冷季，当室温高于设定值时系统开始供冷。（2）水箱温度控制各模式切换。利用水箱温度较恒定的优势，在不同的温度变化范围内稳定切换，使水温实现梯度利用，提高系统性能系数，从而达到节能环保的目的。具体的控制方式有以下三种： 1）温度控制：整个系统的启停采用温度控制，预先设定好，当时，系统停止工作；时，系统开始工作。同时各运行模式的切换以及高温报警也才用温度控制 2）温差控制：太阳能集热部分的运行?用温差循环控制，当且时，泵P1开启，集热