太陽能—土壤源熱泵跨季蓄熱系統運行模式研究

李卓明

【摘 要】針對單獨使用太陽能熱泵技術存在的局限，本文設計了一套太陽能-土壤源熱泵跨季蓄熱系統，并介紹了該系統的工作原理、運行模式和控制條件。系統功能全面，分為冬季供暖、夏季制冷與過渡季蓄熱，可全年運行實現多能源的互補利用。同時使用DSP進行控制，保證了運行的可靠性。在供暖季針對不同的環境工況，系統充分利用低溫熱源，啟動最佳的運行模式，發揮系統的節能和環保特性，具有廣闊的發展前景。

【關鍵詞】SGCHPESS；運行模式；DSP

0 引言

近年來能源消耗急劇增加，過度開發的傳統能源引起的環境污染問題對人類社會的發展構成了嚴重威脅，因此發展可持續能源己成為當今世界發展的必然趨勢。而建筑能耗占了相當大的比例，產生的污染物非?？捎^，建筑業的可持續發展問題已上升為國策，提高到國家戰略的高度，在這種背景下，提出了太陽能—土壤源熱泵跨季蓄熱系統（SGCHPESS）。系統將太陽能集熱與土壤跨季節蓄熱結合，土壤熱源能彌補單獨使用太陽能在陰雨天或夜晚不能運行的缺陷，同時蓄熱系統將豐富的太陽能資源儲存起來，恢復土壤溫度，二者良好的互補性、匹配性加強了太陽能利用的深度與廣度，保障系統運行的穩定性，提高了運行效率，節約了建筑能耗。

對于整個系統來講，控制的主要目的就是保證室內環境的舒適性，通過合理的管路連接及閥門控制，實現冬季供暖、夏季供冷、過渡季節蓄熱，是一種高效節能的空調系統。

1 系統工作原理

太陽能—土壤源熱泵跨季蓄熱系統原理如圖 1所示，集熱器吸收太陽能加熱循環水，并將熱量儲存在蓄熱水箱中，冬季優先使用太陽能，土壤源輔助供暖，夏季將多余的太陽能蓄存在地下，一部分供冷，過渡季節將太陽能集熱系統剩余熱量蓄到地下，提高可再生能源利用率。系統通過不同閥門的開啟， 改變冷熱媒流向， 實現不同運行模式的轉換，從而使得室內溫度保持在一定范圍。SGCHPESS 系統中有三種熱源：太陽能、土壤源和蓄熱，其中蓄熱包括土壤季節性蓄熱和水箱蓄熱，其中水箱蓄熱是短期將太陽能儲存在儲熱水箱中，兩者均為間接利用太陽能。

SC-集熱器；TS-儲熱水箱；Evap-蒸發器；FCU-風機；VUGHE-垂直式U型管土壤換熱器；RF-輻射地板；EV-電磁閥；CV-止回閥；P-水泵；FM-流量計；HP-熱泵；FWV-四通閥；AC-壓縮機；TEV-膨脹閥；Cond-冷凝器

該系統主要由太陽能集熱、土壤換熱、熱泵以及系統末端組成。

2 控制設計

整個控制系統包括兩層，即過程控制層和監控管理層。過程控制層以TI公司的32位浮點處理器 TMS320F28335為核心設計了硬件系統，完成現場數據采集、運算處理，再將控制信號發送到執行機構，對系統進行自動控制，實現不同工作模式的狀態切換。 現場的執行機構主要包括電磁閥、 循環水泵、壓縮機、膨脹閥和四通閥等。監控管理層通過 RS232 接口與PC 機上的上位機進行數據通信，上位機實時監控過程控制層，完成現場數據的傳輸。

2.1 硬件結構設計

電源模塊為 TMS320F28335 核心板提供 3.3V 電壓，同時提供 12V 的電壓作為執行機構的電源；JTAG 模塊完成開發環境CCS 與 DSP 的通信，并負責程序的下載及在線調試；串口通信模塊負責 DSP 與上位機的通信，用于監控系統的運行情況；時鐘復位電路保證TMS320F28335 芯片正常工作；芯片采集到系統的工作狀態后，分別發出控制信號驅動水泵、壓縮機、四通閥、膨脹閥、電磁閥等有序動作，完成制冷、供暖、蓄熱等任務。系統的硬件結構如圖2所示：

系統通過DS18B20溫度傳感器檢測集熱器出水口溫度與水箱出口溫度，DHT22檢測室內溫度。同時對I/O進行擴展，擴展的輸出模塊控制19個電磁閥。被控器件如水泵，電磁閥等設備由 CPU集中控制，但由于控制部分不能直接驅動元器件，需要功率電路擴展輸出電流滿足被控元件的電流、電壓需求。繼電器驅動模塊電路如圖3所示：

2.2 控制方案

為保證系統實現上述功能，使系統處在高效率的有利工況下運行，現提出系統的運行控制策略?？刂撇呗苑譃閮刹糠郑海?）房間溫度控制系統啟停。在供暖季，當室內溫度低于設定值時，系統開始供暖；在供冷季，當室溫高于設定值時系統開始供冷。（2）水箱溫度控制各模式切換。利用水箱溫度較恒定的優勢，在不同的溫度變化范圍內穩定切換，使水溫實現梯度利用，提高系統性能系數，從而達到節能環保的目的。具體的控制方式有以下三種：

1）溫度控制：整個系統的啟停采用溫度控制，預先設定好，當時，系統停止工作；時，系統開始工作。同時各運行模式的切換以及高溫報警也才用溫度控制。

2）溫差控制：太陽能集熱部分的運行釆用溫差循環控制，當且時，泵P1開啟，集熱部分運行，當或時，泵P1關閉，集熱部分停止。

3）時間控制： 系統全年運行時，根據所處月份供暖、供冷與蓄熱，從而實現跨季蓄熱目的。

2.3 軟件設計

系統上電啟動后根據運行條件選擇工作模式，由運行模式確定各元件的啟停狀況，若出現異常，則發出警報信號并停機檢查。DSP 程序使用 CCS 編譯軟件，利用軟件提供的工具對 DSP 芯片進行編譯并實時調試，其開發流程如圖4所示：

3 總結

北方的冬季熱負荷遠大于夏季冷負荷，太陽能-土壤源熱泵跨季蓄熱系統通過跨季蓄熱使得太陽能與土壤源聯合運行成為可能，可解決全年吸熱量與排熱量不平衡的問題，使得地下溫度場保持穩定的變化 ，實現冬夏兩季能量的互補。整個系統優先使用太陽能，實現能量的梯度利用，最大限度發揮太陽能作用。系統運行模式雖然較多，但每種運行模式運行時間有區別，例如在供暖季模式二、模式四、模式六與模式七經常使用。在DSP的穩定控制下，運行模式的準確切換可使系統運行性能系數得到進一步提高。此系統一機多用性能良好，經濟可行，符合可持續發展要求，可成為今后發展的方向。

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[責任編輯：朱麗娜]