基于电子膨胀阀开度的直膨式太阳能热泵过热度智能控制

孔祥强，董山东，姜开林，唐雪山，李 瑛

（山东科技大学 机械电子工程学院，青岛 266590）

0 引 言

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[1-4]。直膨式太阳能热泵技术将太阳能集热器作为热泵蒸发器，制冷剂在太阳能集热/蒸发器中直接吸收太阳辐射能或环境空气中的热量而蒸发，具有结构紧凑、成本低廉、性能系数较高等特点[5-11]。而且，系统在低温工况下也具有较好的热力性能。张东等[12]模拟研究了兰州地区冬季和夏季直膨式太阳能热泵系统热力性能，结果表明，系统冬季性能系数COP（coefficient of performance）达到4.2，夏季达到6.5。蒋澄阳等[13]对肋片式集热板直膨式太阳能热泵系统进行了试验研究，结果表明，秋季COP达到5.37，样机优化后COP达到6。蒋绿林等[14]试验分析了太阳辐射强度对直膨式太阳能热泵系统性能的影响，结果显示，辐射强度增加200 W/m2，COP值升高0.8～1.2。Huang等[15]试验研究了直膨式太阳能热泵系统在低温工况下的结霜和制热性能，分析了环境温度、相对湿度和太阳辐射强度对系统的影响。Mohamed等[16]对寒冷气候条件下直膨式太阳能热泵系统的运行性能进行了分析，结果表明，系统平均COP为3～4，平均集热效率为40%～75%。

由于太阳辐射的间歇不稳定性，直膨式太阳能热泵系统实际运行工况逐时变化，这使得系统运行可靠性和太阳能利用率均降低。集热/蒸发器出口过热度控制直接影响系统的稳定可靠性和运行效率，是系统控制的重要环节，也是非常复杂的环节[17-19]。电子膨胀阀具有流量调节范围宽、调节精度高、调节速度快和适于电路控制等特点，能够很好地改善系统变负荷动态特性，实现系统稳定、高效运行[20-24]。众多学者对利用电子膨胀阀实现过热度控制进行了大量研究，提出了多种控制算法，如PID控制[25-27]、神经网络控制[28]、预测函数控制[29]等。这些算法控制精度较高，但计算过程也较为复杂，而且主要集中在空气源热泵系统，目前针对直膨式太阳能热泵系统过热度控制研究还较为缺乏。徐优优等[30-31]对直膨式太阳能热泵热水器过热度PI控制进行了试验研究，将过热度偏差和太阳辐射强度作为控制输入量，电子膨胀阀开度作为控制输出量，而且不同过热度偏差对应不同的控制参数，结果表明该方法能够实现典型工况下系统过热度的有效控制。本文在全年工况试验的基础上，提出了直膨式太阳能热泵启动阶段电子膨胀阀初始开度算法和系统正常运行阶段过热度控制算法，利用环境温度和太阳辐射强度确定电子膨胀阀初始开度，以实际过热度值作为控制输入量，电子膨胀阀脉冲数为控制输出量，来实现过热度智能控制，以期为直膨式太阳能热泵系统的稳定高效运行提供技术支持。

1 直膨式太阳能热泵热水器试验系统

直膨式太阳能热泵热水器试验系统主要由裸板式太阳能集热/蒸发器、定频压缩机、微通道冷凝器、电子膨胀阀和蓄热水箱等组成，如图1所示，主要部件参数见表1。制冷剂R134a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，在冷凝器内将热量释放到蓄热水箱加热水，然后经电子膨胀阀节流降压返回集热/蒸发器，完成一次循环过程。试验系统R134a充注量为800 g。

图1 直膨式太阳能热泵热水器试验系统原理图和试验平台Fig.1 Schematic diagram and test platform of direct-expansion solar-assisted heat pump(DX-SAHP)water heater test system

表1 直膨式太阳能热泵热水器主要部件参数Table 1 Main components specification of DX-SAHPwater heater

2 直膨式太阳能热泵热水器控制策略

2.1 电子膨胀阀初始开度算法

在热泵热水器启动阶段，电子膨胀阀开度设置过大会导致液击现象，而设置过小会使得集热/蒸发器出口过热度过高[32-33]。这些都不利于系统稳定高效运行。电子膨胀阀初始开度Kini与开机阶段环境参数密切相关，环境参数主要包括平均太阳辐射强度Im，平均环境温度tam和平均风速um。由于um对系统运行性能影响较小[34-37]，忽略其对阀初始开度的影响。

采用试验数据拟合的方法确定Kini与Im、tam之间的函数关系。为保证拟合公式的全工况适用性，选取了全年98组不同环境工况下过热度控制性能较好的数据，如图2所示，其中，Im和tam均为开机前2 min内的平均值。过热度控制性能较好是指过热度能够在开机阶段的较短时间内被控制在5～10℃的目标范围内，如图3所示。

图2 全年98组不同环境工况数据分布图Fig.2 Distribution diagram of 98 sets of data under various environmental conditions throughout whole year

图3 系统开机阶段过热度随加热时间的变化Fig.3 Variation of degree of superheat with heating time during system start-up process

电子膨胀阀初始开度的计算值Kini,cal的拟合函数形式确定为

式中Kini,ref、Iref、ta,ref分别为电子膨胀阀初始开度（脉冲）、太阳辐射强度（W/m2）和环境温度（℃）的基准值，即图2所示的98组试验数据的平均值，分别为360脉冲、360 W/m2和18℃；a1、a2为拟合系数。

采用偏差向量范数描述拟合函数偏差，其值越小，拟合函数精度越高，即

为了验证电子膨胀阀初始开度计算值拟合函数公式的准确性，对电子膨胀阀初始开度计算值Kini,cal与试验值Kini进行偏差分析，如图4所示。

图4 电子膨胀阀初始开度计算值Kini,cal与试验值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)

由图4可以看出Kini,cal与Kini的偏差较小，基本保持在±20脉冲以内，Kini,cal拟合函数拟合效果良好。

2.2 过热度控制策略

系统启动前2 min内，自动检测并计算tam和Im。根据式（4）计算Kini,cal，赋值给电子膨胀阀初始开度。然后启动压缩机，在15 min内保持电子膨胀阀开度不变。而后系统进入稳定运行阶段，电子膨胀阀实时调整开度，采集数据计算系统真实过热度tsup。

式中to为集热/蒸发器出口制冷剂温度，℃；ts为集热/蒸发器出口制冷剂压力对应的饱和温度，℃。

过热度过高使得集热/蒸发器集热效率降低，压缩机排气温度升高，系统安全性能降低，在低温工况下尤为明显；过热度过低会导致系统运行参数发生震荡，而且压缩机容易出现液击，影响压缩机寿命。在大量试验的基础上，确定目标过热度设定范围为5～10℃，调整周期为90 s。根据系统真实过热度与目标过热度的关系，实时调整电子膨胀阀开度K，电子膨胀阀开度控制规则如表2所示。

表2 电子膨胀阀开度控制规则Table 2 Control rules of electronic expansion valve(EEV)opening

3 直膨式太阳能热泵热水器控制策略实现

3.1 控制系统硬件

试验系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器，主要电路模块包括RS485通讯模块、实时时钟模块、LCD显示模块、数据存储模块等，如图5所示。

温度采用A级PT100铂电阻温度传感器测量，测量范围为-50～150℃，精度为±0.1℃；太阳辐射强度采用TBQ-2型总辐射表测量，测量范围为0～2000 W/m2，灵敏度为8.145μV/(W/m2)；压力采用CYYZ11型压力变送器测量，测量范围为-0.1～5 MPa，精度为0.1%FS。数据采集控制器为ModbusRTU-308N型。单片机与数据采集控制器之间采用RS485总线方式通讯。

图5 控制系统硬件模块设计Fig.5 Hardware module design of control system

3.2 控制系统软件

软件程序主要包括RS485串行通信程序、数据采集与处理程序、控制算法子程序、数据存储程序、人机界面程序设计、系统故障处理程序等。其中，人机界面程序设计可以实现各参数的实时显示，包括温度、压力、太阳辐射强度、时间等。系统每隔5 s采集数据1次。控制程序采用C语言编写，主程序流程如图6所示。

图6 控制系统主程序流程图Fig.6 Main program flow chart of control system

4 试验结果与分析

针对所提出的全工况过热度控制策略，于2016年1月—12月间，在山东省青岛市进行了试验测试与研究。选取了3月22日（春）、7月21日（夏）、9月11日（秋）和12月19日（冬）试验数据进行分析，如图7和图8所示。

图7为典型工况下过热度随加热时间τ的变化，可以看出，热泵启动后的25 min内，过热度能够达到5～10℃。在热泵稳定运行阶段，通过电子膨胀阀开度的实时调节，过热度基本保持在5～10℃范围内，超调量小于4℃。

图8为典型工况下电子膨胀阀开度和过热度随加热时间的变化，其中I、ta分别为瞬时太阳辐射强度、瞬时环境温度，图8a和8b分别为太阳辐射强度变化平缓（7月21日）和剧烈（12月19日）的工况。可以看出，I变化平缓时，K调节次数少，tsup稳定在5～10℃范围内；I变化剧烈时，K调节次数多，tsup仍能基本稳定在5～10℃范围内。

图7 典型工况下过热度随加热时间的变化Fig.7 Variations of degree of superheat with heating time under typical conditions

图8 典型工况下电子膨胀阀开度和过热度随加热时间的变化Fig.8 Variations of EEV opening and degree of superheat with heating time under typical conditions

5 结论

为了实现直膨式太阳能热泵热水器的稳定高效运行，提出了一种新型的基于电子膨胀阀开度调节的过热度控制策略，包括系统启动阶段的电子膨胀阀初始开度算法和系统稳定运行阶段的过热度控制算法，得到如下结论：

1）通过拟合试验数据，得出了利用太阳辐射强度和环境温度计算电子膨胀阀初始开度的函数关系式。本文提出的方法简单可靠，能够有效实现系统过热度控制，有助于系统全工况稳定高效运行。

2）依托构建的直膨式太阳能热泵热水器试验平台，对控制策略进行了全年全工况运行测试，结果表明，利用电子膨胀阀初始开度算法，可以计算不同环境工况下的阀门初始开度合理值，使得系统在开机后的25 min内，过热度达到设定目标范围5～10℃；在系统稳定运行阶段，利用过热度控制算法，过热度基本稳定在目标范围5～10℃内，即使在太阳辐射强度变化剧烈的工况下，过热度控制效果依然良好，最大超调量小于4℃。

文中试验系统采用了定频压缩机，而且控制算法中参数包含了制冷剂压力和太阳辐射强度。在后续的研究中，系统将采用变频压缩机和电子膨胀阀联合控制策略，以使得系统更高效可靠运行，同时，需要更多的试验来寻找合适的计算参数及函数关系，避开测量成本较高且安装不便的参数，以利于实现机组的产业化。

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