变容量直膨式太阳能热泵热水器运行控制与能量管理

发布时间：2020-04-09 05:54

【摘要】：太阳能是一种能够在一定范围内替代常规能源的清洁能源。太阳能热泵技术有效集成了太阳能热利用技术和热泵技术,用于供暖和制取生活热水,是实现建筑节能和可再生能源利用以及污染物减排的有效技术之一。本文在大量实验的基础上,对直膨式太阳能热泵热水器运行控制与能量管理进行了研究,主要内容如下:研究分析了直膨式太阳能热泵热水器工作原理,设计并搭建了以R134a为工质的直膨式太阳能热泵热水器实验平台。实验平台主要由裸板式太阳能集热/蒸发器、变频压缩机、微通道冷凝器、蓄热水箱和电子膨胀阀等组成。组建了数据采集与控制系统,对各器件进行选型、连接和调试等,编制了基于组态王的数据采集与监控软件程序,可以实现数据实时采集、显示、存储等功能,能够对电子膨胀阀开度和压缩机转速进行自动控制。对大量的实验数据进行研究分析后,提出了直膨式太阳能热泵热水器运行控制与能量管理策略,主要包括:启动阶段电子膨胀阀初始开度算法和压缩机初始转速算法;系统正常运行阶段压缩机转速调节方法和基于电子膨胀阀开度调节的过热度控制算法,并对系统制定了合理的运行时间。所提出的全工况控制策略有助于系统稳定高效运行,使能量得到更加合理的利用。研制了基于直膨式太阳能热泵热水器的微控制器,包括微控制器上各种元器件的选型、控制电路设计、PCB板设计、编制控制程序和软硬件调试等。控制系统主要包括:单片机最小系统、电子膨胀阀驱动模块、RS485通信模块、显示模块、温度采集模块、按键扫描模块、时钟模块等。对提出的运行控制与能量管理策略进行了大量的实验测试研究,结果表明:系统初始运行阶段,能够准确计算压缩机初始转速和电子膨胀阀初始开度,在系统开机后,过热度快速向目标范围5～10℃逼近;在系统正常运行阶段,过热度被稳定的控制在目标范围内,压缩机转速控制效果良好,加热时间误差在5%以内。在夏季工况时,COP基本能够达到6.0以上,平均消耗电量1.1kW h/天。在冬季工况时,COP基本保持在4.0以上,平均消耗电量2.356kW h/天。提出的策略效果明显,系统在各工况条件下均可安全、高效、稳定运行。
【图文】：

２．１直膨式太阳能热泵热水器工作原理逡逑ＤＸ－ＳＡＨＰ热水器主要由裸板式太阳能集热／蒸发器、ＥＥＶ、微通道冷凝器、逡逑变频压缩机、蓄热水箱和连接各部件的铜管组成，如图２－１所示。制冷剂Ｒ１３４ａ逡逑作为集热介质在集热／蒸发器内吸收太阳辐射热而蒸发，经压缩机压缩后，在冷逡逑凝器内将热量释放到蓄热水箱加热水，，然后经ＥＥＶ节流降压后返回集热／蒸发逡逑器，接着进行下一次相同的循环过程，直到水箱中的水加热到用户需求温度。逡逑馨逡逑＾邋压缩机逦太阳能集热／蒸发器逡逑蓄热水箱邋逦逡逑电子膨胀阀逡逑图２－１邋ＤＸ－ＳＡＨＰ热水器系统原理图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＤＸ－ＳＡＨＰ邋ｗａｔｅｒ邋ｈｅａｔｅｒ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑系统性能系数ＣＯＰ是ＤＸ－ＳＡＨＰ系统重要的性能评价标准。热水总得热量逡逑与压缩机总耗能的比值即为ＣＯＰ，其计算公式为：逡逑ＣＯＰ邋＝邋＾－逦（２－１）逡逑Ｋ逡逑式中，为热水总得热量，ｋＪ；逡逑％为压缩机耗功，ｋＪ。逡逑２．２变频调速技术概述逡逑随着科技的不断进步与发展，新的控制理论不断提出与完善，变频技术得逡逑到了飞速发展

交型是间接式变频器，经过变频器处理后将交流电转换成直流电，在逆变器的逡逑作用下逆变为交流电。交一直一交型变频器控制电路简单、成本低、调节频率逡逑范围广，得到了广泛应用，其整体组成框图如图２－２所示［５２］。逡逑＾整流器Ｍ逦＾逆变器ｐＭｇ）逡逑ＡＣ逦｜邋环邋Ｌ＿ｒ＿＿逡逑ｕ逦￥ｙ逡逑指逦，．．Ｉ逦指逡逑Ａ．邋逦控制逦｜邋＞逡逑丨电路逡逑＋ｊ运指令逡逑图２－２交一直一交变频器结构图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＡＣ邋－邋ＤＣ邋－邋ＡＣ邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ逡逑交一直一交型变频器主要包含整流电路、中间电路、控制电路和逆变电路四逡逑个部分：逡逑（１）
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU822.2;TK515

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本文编号：2620384