本文關鍵詞：相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵控制系統(tǒng)的開發(fā)

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【摘要】：本文是山西省科技重大專項“基于物聯(lián)網的煤礦重大生產裝備狀態(tài)監(jiān)測及全壽命周期管理系統(tǒng)開發(fā)(No:20131101029)”的重要子課題之一。其主要針對空氣源熱泵在低溫環(huán)境下供熱性能差、效率低下及故障頻發(fā)等問題而提出的。我國是能源消耗大國,化石燃料的消耗占據著我國總能源消耗的90%,同時伴隨著嚴重的環(huán)境污染問題,霧霾天氣的頻繁出現嚴重影響著當代人的身體健康,雖然國家出臺了一系列節(jié)能減排措施,但收效甚微,若能源使用結構不發(fā)生根本性改變,環(huán)境污染問題將持續(xù)長久存在,勢必影響國家的發(fā)展和人們的生活質量。而空氣源熱泵作為清潔能源,其吸收空氣中熱量轉換為其他形式的能量,清潔無污染,是未來新能源發(fā)展的方向之一。發(fā)達國家尤其是日本在空氣源熱泵的研究和應用層面均處于世界領先地位,而歐洲地區(qū)也廣泛鼓勵人們使用空氣源熱泵,因此,空氣源熱泵的研究和應用變得刻不容緩�？諝庠礋岜迷谖覈戏綉脧V泛,其具有使用方便、節(jié)能和高效等特點,由于我國北方環(huán)境溫度較低,空氣源熱泵在應用過程中會出現一系列問題,目前我國北方大部分地區(qū)依然依賴以燃煤為基礎的集中供熱方式,集中供熱存在環(huán)境污染嚴重及不能根據熱用戶需求調節(jié)等缺點。為了解決空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的應用問題并提高極低條件下熱泵的供熱性能以推廣空氣源熱泵在北方的應用,課題組經過多年的研究,將傳統(tǒng)空氣源熱泵機組與相變蓄熱器相結合開發(fā)了一套相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)。蓄熱材料采用80%Na_2SO_4?10H_2O+20%Na_2HPO_4?12H_2O。當室外環(huán)境溫度高于熱泵系統(tǒng)所設計平衡點溫度-5℃時,系統(tǒng)于供熱—蓄熱模式運行,利用相變蓄熱技術將多余熱量貯存于蓄熱器中;當室外環(huán)境溫度低于-5℃時,系統(tǒng)運行于供熱—放熱模式,蓄熱器作為輔助蒸發(fā)器向系統(tǒng)放熱并供向熱用戶,使熱量能做到時間上的遷移,解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的熱量供需矛盾,同時增強了空氣源熱泵低溫運行的安全性和經濟性;當外界環(huán)境溫度較低時,熱泵機組蒸發(fā)器盤管出現凝霜現象,系統(tǒng)運行于除霜—放熱模式,其可利用蓄熱器所貯存熱量進行除霜,實現蓄熱儲能快速高效節(jié)能除霜,縮短了機組除霜時間,顯著提高了空氣源熱泵的供熱質量和運行性能。本文基于以上相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)方案,研制了相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)樣機,并研發(fā)了基于STM32F103微控制器的控制系統(tǒng),設計了數據采集與輸出控制電路及系統(tǒng)軟件,可對熱泵機組主要設備進出口管路溫度、水箱液位高度及壓縮機壓力等參數進行實時采集并顯示,系統(tǒng)結合溫度回差和過熱度PID算法控制熱泵系統(tǒng)壓縮機、水泵、四通換向閥、蒸發(fā)器、管路電磁閥及電子膨脹閥等部件,實現了空氣源熱泵熱水機組的安全、可靠和經濟運行。經實驗室調試和現場使用測試,相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)在三種模式下運行時都具有優(yōu)良的性能。實驗研究結果表明,本相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)能夠解決空氣源熱泵在供熱過程中存在的能量供需矛盾,同時提高了空氣源熱泵在低溫環(huán)境運行下的性能,整個系統(tǒng)性能優(yōu)異且穩(wěn)定可靠,節(jié)能效果良好,-5℃時系統(tǒng)COP達到2.1,為空氣源熱泵應用于北方地區(qū)提供一種新的思路。
【關鍵詞】：空氣源熱泵 相變蓄熱 溫度回差 PID 控制系統(tǒng)
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU83;TP273
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 符號表8-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 研究背景和目的12-14
• 1.2 國內外研究現狀14-18
• 1.2.1 熱泵機組控制系統(tǒng)研究現狀14-15
• 1.2.2 熱泵系統(tǒng)控制策略研究現狀15-18
• 1.3 本課題的研究目標及研究內容18-20
• 第二章 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組簡介20-26
• 2.1 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組工作原理20-21
• 2.2 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組工況參數21-22
• 2.3 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組運行模式22-25
• 2.3.1 供熱—蓄熱模式22-23
• 2.3.2 供熱—放熱模式23-24
• 2.3.3 除霜模式24-25
• 2.4 小結25-26
• 第三章 控制系統(tǒng)整體方案設計及控制策略研究26-34
• 3.1 熱泵機組控制要求及主要研究內容26-27
• 3.2 控制系統(tǒng)功能設置27
• 3.3 系統(tǒng)控制策略研究27-32
• 3.3.1 系統(tǒng)整體控制方案28
• 3.3.2 系統(tǒng)溫度控制策略28-29
• 3.3.3 電子膨脹閥控制策略29-32
• 3.4 本章小結32-34
• 第四章 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵控制系統(tǒng)硬件電路設計34-48
• 4.1 控制系統(tǒng)整體結構34-35
• 4.2 信號檢測電路設計35-40
• 4.2.1 溫度變送電路設計35-36
• 4.2.2 液位傳感器選型36-37
• 4.2.3 壓力傳感器選型37-39
• 4.2.4 信號隔離及調理跟隨電路設計39
• 4.2.5 模數轉換電路設計39-40
• 4.3 電流電壓采集電路設計40-41
• 4.4 控制器最小系統(tǒng)設計41-42
• 4.5 驅動電路設計42-46
• 4.5.1 繼電器驅動電路設計42-43
• 4.5.2 電子膨脹閥驅動電路設計43-46
• 4.6 手動自動選通電路設計46-47
• 4.7 小結47-48
• 第五章 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵控制系統(tǒng)軟件設計48-64
• 5.1 軟件設計基礎48-50
• 5.1.1 STM32的開發(fā)環(huán)境及編程語言48-49
• 5.1.2 STM32F103系統(tǒng)配置49-50
• 5.2 軟件系統(tǒng)整體結構50-51
• 5.3 主程序設計51-52
• 5.4 各工況子程序設計52-57
• 5.4.1 供熱—蓄熱工況子程序52-53
• 5.4.2 供熱—放熱工況子程序53-54
• 5.4.3 除霜工況子程序54-55
• 5.4.4 工況等待子程序55
• 5.4.5 液位控制子程序55-56
• 5.4.6 壓力與排氣溫度保護子程序56-57
• 5.5 虛擬SPI通訊57-59
• 5.6 一階濾波程序設計59-60
• 5.7 單相電壓電流采樣及有功功率程序設計60-61
• 5.8 數字PID調節(jié)程序設計61-62
• 5.9 小結62-64
• 第六章 人機交互界面與上位機交互界面設計64-74
• 6.1 人機界面軟件開發(fā)環(huán)境64
• 6.2 人機界面通訊64-66
• 6.3 觸摸屏界面設計66-69
• 6.4 LabVIEW監(jiān)控畫面設計69-73
• 6.5 小結73-74
• 第七章 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵系統(tǒng)實驗與分析74-90
• 7.1 實驗測試系統(tǒng)74-77
• 7.2 實驗方案設計77-79
• 7.3 實驗結果及性能分析79-86
• 7.3.1 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵安全性能分析79-81
• 7.3.2 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組制熱量分析81-82
• 7.3.3 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組供熱性能分析82-83
• 7.3.4 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組除霜性能分析83-84
• 7.3.5 相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵機組全天候性能分析84
• 7.3.6 非承壓保溫水箱水溫分析84-86
• 7.4 熱泵機組系統(tǒng)樣機調試與安裝86-88
• 7.5 熱泵系統(tǒng)性能參數88
• 7.6 小結88-90
• 第八章 結論與展望90-92
• 8.1 研究結論90
• 8.2 工作展望90-92
• 參考文獻92-96
• 致謝96-98
• 作者在攻讀碩士學位期間的研究成果98

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