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(qiáng)，董山東，姜開林，唐雪山，李 瑛

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

0 引 言

太陽能是一種能夠在一定范圍內(nèi)替代常規(guī)能源的清潔能源。太陽能熱泵技術(shù)有效集成了太陽能熱利用技術(shù)和熱泵技術(shù)，用于供暖和制取生活熱水，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能和可再生能源利用以及污染物減排的有效技術(shù)之一[1-4]。直膨式太陽能熱泵技術(shù)將太陽能集熱器作為熱泵蒸發(fā)器，制冷劑在太陽能集熱/蒸發(fā)器中直接吸收太陽輻射能或環(huán)境空氣中的熱量而蒸發(fā)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、性能系數(shù)較高等特點(diǎn)[5-11]。而且，系統(tǒng)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(qū)冬季和夏季直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)熱力性能，結(jié)果表明，系統(tǒng)冬季性能系數(shù)COP（coefficient of performance）達(dá)到4.2，夏季達(dá)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(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，秋季COP達(dá)到5.37，樣機(jī)優(yōu)化后COP達(dá)到6。蔣綠林等[14]試驗(yàn)分析了太陽輻射強(qiáng)度對直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果顯示，輻射強(qiáng)度增加200 W/m2，COP值升高0.8～1.2。Huang等[15]試驗(yàn)研究了直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的結(jié)霜和制熱性能，分析了環(huán)境溫度、相對濕度和太陽輻射強(qiáng)度對系統(tǒng)的影響。Mohamed等[16]對寒冷氣候條件下直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)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(wěn)定性，直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況逐時(shí)變化，這使得系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和太陽能利用率均降低。集熱/蒸發(fā)器出口過熱度控制直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和運(yùn)行效率，是系統(tǒng)控制的重要環(huán)節(jié)，也是非常復(fù)雜的環(huán)節(jié)[17-19]。電子膨脹閥具有流量調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)速度快和適于電路控制等特點(diǎn)，能夠很好地改善系統(tǒng)變負(fù)荷動態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行[20-24]。眾多學(xué)者對利用電子膨脹閥實(shí)現(xiàn)過熱度控制進(jìn)行了大量研究，提出了多種控制算法，如PID控制[25-27]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[28]、預(yù)測函數(shù)控制[29]等。這些算法控制精度較高，但計(jì)算過程也較為復(fù)雜，而且主要集中在空氣源熱泵系統(tǒng)，目前針對直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)過熱度控制研究還較為缺乏。徐優(yōu)優(yōu)等[30-31]對直膨式太陽能熱泵熱水器過熱度PI控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，將過熱度偏差和太陽輻射強(qiáng)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(yīng)不同的控制參數(shù)，結(jié)果表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)典型工況下系統(tǒng)過熱度的有效控制。本文在全年工況試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(tǒng)正常運(yùn)行階段過熱度控制算法，利用環(huán)境溫度和太陽輻射強(qiáng)度確定電子膨脹閥初始開度，以實(shí)際過熱度值作為控制輸入量，電子膨脹閥脈沖數(shù)為控制輸出量，來實(shí)現(xiàn)過熱度智能控制，以期為直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 直膨式太陽能熱泵熱水器試驗(yàn)系統(tǒng)

直膨式太陽能熱泵熱水器試驗(yàn)系統(tǒng)主要由裸板式太陽能集熱/蒸發(fā)器、定頻壓縮機(jī)、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(shù)見表1。制冷劑R134a作為集熱介質(zhì)在集熱/蒸發(fā)器內(nèi)吸收太陽輻射熱而蒸發(fā)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，在冷凝器內(nèi)將熱量釋放到蓄熱水箱加熱水，然后經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流降壓返回集熱/蒸發(fā)器，完成一次循環(huán)過程。試驗(yàn)系統(tǒng)R134a充注量為800 g。

圖1 直膨式太陽能熱泵熱水器試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖和試驗(yàn)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(shù)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(shè)置過大會導(dǎo)致液擊現(xiàn)象，而設(shè)置過小會使得集熱/蒸發(fā)器出口過熱度過高[32-33]。這些都不利于系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。電子膨脹閥初始開度Kini與開機(jī)階段環(huán)境參數(shù)密切相關(guān)，環(huán)境參數(shù)主要包括平均太陽輻射強(qiáng)度Im，平均環(huán)境溫度tam和平均風(fēng)速um。由于um對系統(tǒng)運(yùn)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(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法確定Kini與Im、tam之間的函數(shù)關(guān)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(huán)境工況下過熱度控制性能較好的數(shù)據(jù)，如圖2所示，其中，Im和tam均為開機(jī)前2 min內(nèi)的平均值。過熱度控制性能較好是指過熱度能夠在開機(jī)階段的較短時(shí)間內(nèi)被控制在5～10℃的目標(biāo)范圍內(nèi)，如圖3所示。

圖2 全年98組不同環(huán)境工況數(shù)據(jù)分布圖Fig.2 Distribution diagram of 98 sets of data under various environmental conditions throughout whole year

圖3 系統(tǒng)開機(jī)階段過熱度隨加熱時(shí)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(jì)算值Kini,cal的擬合函數(shù)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(qiáng)度（W/m2）和環(huán)境溫度（℃）的基準(zhǔn)值，即圖2所示的98組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，分別為360脈沖、360 W/m2和18℃；a1、a2為擬合系數(shù)。

采用偏差向量范數(shù)描述擬合函數(shù)偏差，其值越小，擬合函數(shù)精度越高，即

為了驗(yàn)證電子膨脹閥初始開度計(jì)算值擬合函數(shù)公式的準(zhǔn)確性，對電子膨脹閥初始開度計(jì)算值Kini,cal與試驗(yàn)值Kini進(jìn)行偏差分析，如圖4所示。

圖4 電子膨脹閥初始開度計(jì)算值Kini,cal與試驗(yàn)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(nèi)，Kini,cal擬合函數(shù)擬合效果良好。

2.2 過熱度控制策略

系統(tǒng)啟動前2 min內(nèi)，自動檢測并計(jì)算tam和Im。根據(jù)式（4）計(jì)算Kini,cal，賦值給電子膨脹閥初始開度。然后啟動壓縮機(jī)，在15 min內(nèi)保持電子膨脹閥開度不變。而后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，電子膨脹閥實(shí)時(shí)調(diào)整開度，采集數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)真實(shí)過熱度tsup。

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

過熱度過高使得集熱/蒸發(fā)器集熱效率降低，壓縮機(jī)排氣溫度升高，系統(tǒng)安全性能降低，在低溫工況下尤為明顯；過熱度過低會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)生震蕩，而且壓縮機(jī)容易出現(xiàn)液擊，影響壓縮機(jī)壽命。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定目標(biāo)過熱度設(shè)定范圍為5～10℃，調(diào)整周期為90 s。根據(jù)系統(tǒng)真實(shí)過熱度與目標(biāo)過熱度的關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)整電子膨脹閥開度K，電子膨脹閥開度控制規(guī)則如表2所示。

表2 電子膨脹閥開度控制規(guī)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(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)硬件

試驗(yàn)系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，主要電路模塊包括RS485通訊模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)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(qiáng)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(shù)據(jù)采集控制器為ModbusRTU-308N型。單片機(jī)與數(shù)據(jù)采集控制器之間采用RS485總線方式通訊。

圖5 控制系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)Fig.5 Hardware module design of control system

3.2 控制系統(tǒng)軟件

軟件程序主要包括RS485串行通信程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、控制算法子程序、數(shù)據(jù)存儲程序、人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)故障處理程序等。其中，人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，包括溫度、壓力、太陽輻射強(qiáng)度、時(shí)間等。系統(tǒng)每隔5 s采集數(shù)據(jù)1次?？刂瞥绦虿捎肅語言編寫，主程序流程如圖6所示。

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

4 試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間τ的變化，可以看出，熱泵啟動后的25 min內(nèi)，過熱度能夠達(dá)到5～10℃。在熱泵穩(wěn)定運(yùn)行階段，通過電子膨脹閥開度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，過熱度基本保持在5～10℃范圍內(nèi)，超調(diào)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(shí)間的變化，其中I、ta分別為瞬時(shí)太陽輻射強(qiáng)度、瞬時(shí)環(huán)境溫度，圖8a和8b分別為太陽輻射強(qiáng)度變化平緩（7月21日）和劇烈（12月19日）的工況。可以看出，I變化平緩時(shí)，K調(diào)節(jié)次數(shù)少，tsup穩(wěn)定在5～10℃范圍內(nèi)；I變化劇烈時(shí)，K調(diào)節(jié)次數(shù)多，tsup仍能基本穩(wěn)定在5～10℃范圍內(nèi)。

圖7 典型工況下過熱度隨加熱時(shí)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(shí)間的變化Fig.8 Variations of EEV opening and degree of superheat with heating time under typical conditions

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)直膨式太陽能熱泵熱水器的穩(wěn)定高效運(yùn)行，提出了一種新型的基于電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)的過熱度控制策略，包括系統(tǒng)啟動階段的電子膨脹閥初始開度算法和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段的過熱度控制算法，得到如下結(jié)論：

1）通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了利用太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度計(jì)算電子膨脹閥初始開度的函數(shù)關(guān)系式。本文提出的方法簡單可靠，能夠有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過熱度控制，有助于系統(tǒng)全工況穩(wěn)定高效運(yùn)行。

2）依托構(gòu)建的直膨式太陽能熱泵熱水器試驗(yàn)平臺，對控制策略進(jìn)行了全年全工況運(yùn)行測試，結(jié)果表明，利用電子膨脹閥初始開度算法，可以計(jì)算不同環(huán)境工況下的閥門初始開度合理值，使得系統(tǒng)在開機(jī)后的25 min內(nèi)，過熱度達(dá)到設(shè)定目標(biāo)范圍5～10℃；在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段，利用過熱度控制算法，過熱度基本穩(wěn)定在目標(biāo)范圍5～10℃內(nèi)，即使在太陽輻射強(qiáng)度變化劇烈的工況下，過熱度控制效果依然良好，最大超調(diào)量小于4℃。

文中試驗(yàn)系統(tǒng)采用了定頻壓縮機(jī)，而且控制算法中參數(shù)包含了制冷劑壓力和太陽輻射強(qiáng)度。在后續(xù)的研究中，系統(tǒng)將采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥聯(lián)合控制策略，以使得系統(tǒng)更高效可靠運(yùn)行，同時(shí)，需要更多的試驗(yàn)來尋找合適的計(jì)算參數(shù)及函數(shù)關(guān)系，避開測量成本較高且安裝不便的參數(shù)，以利于實(shí)現(xiàn)機(jī)組的產(chǎn)業(yè)化。

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