基于電子膨脹閥開度的直膨式太陽能熱泵過熱度智能控制

孔祥強，董山東，姜開林，唐雪山，李 瑛

（山東科技大學 機械電子工程學院，青島 266590）

0 引 言

太陽能是一種能夠在一定范圍內替代常規能源的清潔能源。太陽能熱泵技術有效集成了太陽能熱利用技術和熱泵技術，用于供暖和制取生活熱水，是實現建筑節能和可再生能源利用以及污染物減排的有效技術之一[1-4]。直膨式太陽能熱泵技術將太陽能集熱器作為熱泵蒸發器，制冷劑在太陽能集熱/蒸發器中直接吸收太陽輻射能或環境空氣中的熱量而蒸發，具有結構緊湊、成本低廉、性能系數較高等特點[5-11]。而且，系統在低溫工況下也具有較好的熱力性能。張東等[12]模擬研究了蘭州地區冬季和夏季直膨式太陽能熱泵系統熱力性能，結果表明，系統冬季性能系數COP（coefficient of performance）達到4.2，夏季達到6.5。蔣澄陽等[13]對肋片式集熱板直膨式太陽能熱泵系統進行了試驗研究，結果表明，秋季COP達到5.37，樣機優化后COP達到6。蔣綠林等[14]試驗分析了太陽輻射強度對直膨式太陽能熱泵系統性能的影響，結果顯示，輻射強度增加200 W/m2，COP值升高0.8～1.2。Huang等[15]試驗研究了直膨式太陽能熱泵系統在低溫工況下的結霜和制熱性能，分析了環境溫度、相對濕度和太陽輻射強度對系統的影響。Mohamed等[16]對寒冷氣候條件下直膨式太陽能熱泵系統的運行性能進行了分析，結果表明，系統平均COP為3～4，平均集熱效率為40%～75%。

由于太陽輻射的間歇不穩定性，直膨式太陽能熱泵系統實際運行工況逐時變化，這使得系統運行可靠性和太陽能利用率均降低。集熱/蒸發器出口過熱度控制直接影響系統的穩定可靠性和運行效率，是系統控制的重要環節，也是非常復雜的環節[17-19]。電子膨脹閥具有流量調節范圍寬、調節精度高、調節速度快和適于電路控制等特點，能夠很好地改善系統變負荷動態特性，實現系統穩定、高效運行[20-24]。眾多學者對利用電子膨脹閥實現過熱度控制進行了大量研究，提出了多種控制算法，如PID控制[25-27]、神經網絡控制[28]、預測函數控制[29]等。這些算法控制精度較高，但計算過程也較為復雜，而且主要集中在空氣源熱泵系統，目前針對直膨式太陽能熱泵系統過熱度控制研究還較為缺乏。徐優優等[30-31]對直膨式太陽能熱泵熱水器過熱度PI控制進行了試驗研究，將過熱度偏差和太陽輻射強度作為控制輸入量，電子膨脹閥開度作為控制輸出量，而且不同過熱度偏差對應不同的控制參數，結果表明該方法能夠實現典型工況下系統過熱度的有效控制。本文在全年工況試驗的基礎上，提出了直膨式太陽能熱泵啟動階段電子膨脹閥初始開度算法和系統正常運行階段過熱度控制算法，利用環境溫度和太陽輻射強度確定電子膨脹閥初始開度，以實際過熱度值作為控制輸入量，電子膨脹閥脈沖數為控制輸出量，來實現過熱度智能控制，以期為直膨式太陽能熱泵系統的穩定高效運行提供技術支持。

1 直膨式太陽能熱泵熱水器試驗系統

直膨式太陽能熱泵熱水器試驗系統主要由裸板式太陽能集熱/蒸發器、定頻壓縮機、微通道冷凝器、電子膨脹閥和蓄熱水箱等組成，如圖1所示，主要部件參數見表1。制冷劑R134a作為集熱介質在集熱/蒸發器內吸收太陽輻射熱而蒸發，經壓縮機壓縮后，在冷凝器內將熱量釋放到蓄熱水箱加熱水，然后經電子膨脹閥節流降壓返回集熱/蒸發器，完成一次循環過程。試驗系統R134a充注量為800 g。

圖1 直膨式太陽能熱泵熱水器試驗系統原理圖和試驗平臺Fig.1 Schematic diagram and test platform of direct-expansion solar-assisted heat pump(DX-SAHP)water heater test system

表1 直膨式太陽能熱泵熱水器主要部件參數Table 1 Main components specification of DX-SAHPwater heater

2 直膨式太陽能熱泵熱水器控制策略

2.1 電子膨脹閥初始開度算法

在熱泵熱水器啟動階段，電子膨脹閥開度設置過大會導致液擊現象，而設置過小會使得集熱/蒸發器出口過熱度過高[32-33]。這些都不利于系統穩定高效運行。電子膨脹閥初始開度Kini與開機階段環境參數密切相關，環境參數主要包括平均太陽輻射強度Im，平均環境溫度tam和平均風速um。由于um對系統運行性能影響較小[34-37]，忽略其對閥初始開度的影響。

采用試驗數據擬合的方法確定Kini與Im、tam之間的函數關系。為保證擬合公式的全工況適用性，選取了全年98組不同環境工況下過熱度控制性能較好的數據，如圖2所示，其中，Im和tam均為開機前2 min內的平均值。過熱度控制性能較好是指過熱度能夠在開機階段的較短時間內被控制在5～10℃的目標范圍內，如圖3所示。

圖2 全年98組不同環境工況數據分布圖Fig.2 Distribution diagram of 98 sets of data under various environmental conditions throughout whole year

圖3 系統開機階段過熱度隨加熱時間的變化Fig.3 Variation of degree of superheat with heating time during system start-up process

電子膨脹閥初始開度的計算值Kini,cal的擬合函數形式確定為

式中Kini,ref、Iref、ta,ref分別為電子膨脹閥初始開度（脈沖）、太陽輻射強度（W/m2）和環境溫度（℃）的基準值，即圖2所示的98組試驗數據的平均值，分別為360脈沖、360 W/m2和18℃；a1、a2為擬合系數。

采用偏差向量范數描述擬合函數偏差，其值越小，擬合函數精度越高，即

為了驗證電子膨脹閥初始開度計算值擬合函數公式的準確性，對電子膨脹閥初始開度計算值Kini,cal與試驗值Kini進行偏差分析，如圖4所示。

圖4 電子膨脹閥初始開度計算值Kini,cal與試驗值Kini的偏差分布Fig.4 Deviation distribution between calculated value Kini,cal and test value Kiniof initial opening of electronic expansion valve(EEV)

由圖4可以看出Kini,cal與Kini的偏差較小，基本保持在±20脈沖以內，Kini,cal擬合函數擬合效果良好。

2.2 過熱度控制策略

系統啟動前2 min內，自動檢測并計算tam和Im。根據式（4）計算Kini,cal，賦值給電子膨脹閥初始開度。然后啟動壓縮機，在15 min內保持電子膨脹閥開度不變。而后系統進入穩定運行階段，電子膨脹閥實時調整開度，采集數據計算系統真實過熱度tsup。

式中to為集熱/蒸發器出口制冷劑溫度，℃；ts為集熱/蒸發器出口制冷劑壓力對應的飽和溫度，℃。

過熱度過高使得集熱/蒸發器集熱效率降低，壓縮機排氣溫度升高，系統安全性能降低，在低溫工況下尤為明顯；過熱度過低會導致系統運行參數發生震蕩，而且壓縮機容易出現液擊，影響壓縮機壽命。在大量試驗的基礎上，確定目標過熱度設定范圍為5～10℃，調整周期為90 s。根據系統真實過熱度與目標過熱度的關系，實時調整電子膨脹閥開度K，電子膨脹閥開度控制規則如表2所示。

表2 電子膨脹閥開度控制規則Table 2 Control rules of electronic expansion valve(EEV)opening

3 直膨式太陽能熱泵熱水器控制策略實現

3.1 控制系統硬件

試驗系統采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，主要電路模塊包括RS485通訊模塊、實時時鐘模塊、LCD顯示模塊、數據存儲模塊等，如圖5所示。

溫度采用A級PT100鉑電阻溫度傳感器測量，測量范圍為-50～150℃，精度為±0.1℃；太陽輻射強度采用TBQ-2型總輻射表測量，測量范圍為0～2000 W/m2，靈敏度為8.145μV/(W/m2)；壓力采用CYYZ11型壓力變送器測量，測量范圍為-0.1～5 MPa，精度為0.1%FS。數據采集控制器為ModbusRTU-308N型。單片機與數據采集控制器之間采用RS485總線方式通訊。

圖5 控制系統硬件模塊設計Fig.5 Hardware module design of control system

3.2 控制系統軟件

軟件程序主要包括RS485串行通信程序、數據采集與處理程序、控制算法子程序、數據存儲程序、人機界面程序設計、系統故障處理程序等。其中，人機界面程序設計可以實現各參數的實時顯示，包括溫度、壓力、太陽輻射強度、時間等。系統每隔5 s采集數據1次。控制程序采用C語言編寫，主程序流程如圖6所示。

圖6 控制系統主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart of control system

4 試驗結果與分析

針對所提出的全工況過熱度控制策略，于2016年1月—12月間，在山東省青島市進行了試驗測試與研究。選取了3月22日（春）、7月21日（夏）、9月11日（秋）和12月19日（冬）試驗數據進行分析，如圖7和圖8所示。

圖7為典型工況下過熱度隨加熱時間τ的變化，可以看出，熱泵啟動后的25 min內，過熱度能夠達到5～10℃。在熱泵穩定運行階段，通過電子膨脹閥開度的實時調節，過熱度基本保持在5～10℃范圍內，超調量小于4℃。

圖8為典型工況下電子膨脹閥開度和過熱度隨加熱時間的變化，其中I、ta分別為瞬時太陽輻射強度、瞬時環境溫度，圖8a和8b分別為太陽輻射強度變化平緩（7月21日）和劇烈（12月19日）的工況?？梢钥闯?，I變化平緩時，K調節次數少，tsup穩定在5～10℃范圍內；I變化劇烈時，K調節次數多，tsup仍能基本穩定在5～10℃范圍內。

圖7 典型工況下過熱度隨加熱時間的變化Fig.7 Variations of degree of superheat with heating time under typical conditions

圖8 典型工況下電子膨脹閥開度和過熱度隨加熱時間的變化Fig.8 Variations of EEV opening and degree of superheat with heating time under typical conditions

5 結論

為了實現直膨式太陽能熱泵熱水器的穩定高效運行，提出了一種新型的基于電子膨脹閥開度調節的過熱度控制策略，包括系統啟動階段的電子膨脹閥初始開度算法和系統穩定運行階段的過熱度控制算法，得到如下結論：

1）通過擬合試驗數據，得出了利用太陽輻射強度和環境溫度計算電子膨脹閥初始開度的函數關系式。本文提出的方法簡單可靠，能夠有效實現系統過熱度控制，有助于系統全工況穩定高效運行。

2）依托構建的直膨式太陽能熱泵熱水器試驗平臺，對控制策略進行了全年全工況運行測試，結果表明，利用電子膨脹閥初始開度算法，可以計算不同環境工況下的閥門初始開度合理值，使得系統在開機后的25 min內，過熱度達到設定目標范圍5～10℃；在系統穩定運行階段，利用過熱度控制算法，過熱度基本穩定在目標范圍5～10℃內，即使在太陽輻射強度變化劇烈的工況下，過熱度控制效果依然良好，最大超調量小于4℃。

文中試驗系統采用了定頻壓縮機，而且控制算法中參數包含了制冷劑壓力和太陽輻射強度。在后續的研究中，系統將采用變頻壓縮機和電子膨脹閥聯合控制策略，以使得系統更高效可靠運行，同時，需要更多的試驗來尋找合適的計算參數及函數關系，避開測量成本較高且安裝不便的參數，以利于實現機組的產業化。

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