應(yīng)用于輻射板系統(tǒng)土壤熱泵機(jī)組的電控設(shè)計(jì)

應(yīng)用于輻射板系統(tǒng)土壤熱泵機(jī)組的電控設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了用于輻射板系統(tǒng)土壤熱泵的電控設(shè)計(jì)方案，用于輻射板系統(tǒng)的土壤熱泵機(jī)組在功能和控制上都有其獨(dú)特之處，機(jī)組增設(shè)了帶熱泵功能的新風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)不僅為用戶常年輸送溫度適宜的新鮮空氣，還要承擔(dān)室內(nèi)空氣的除濕負(fù)荷，防止輻射板凝露。該系統(tǒng)包含了幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：室內(nèi)露點(diǎn)溫度控制；新風(fēng)機(jī)除濕及新風(fēng)輸送；風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)速；輻射板供水溫度設(shè)定值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；冬季新風(fēng)預(yù)熱及加濕；土壤熱泵主控板的硬件構(gòu)成及機(jī)組的安全運(yùn)行保護(hù)措施。關(guān)鍵字：土壤熱泵輻射板新風(fēng)除濕露點(diǎn)溫度單片機(jī)電磁兼容0前言隨著社會(huì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)其工作、生活的環(huán)境提出了更高的要求。舒適、健康、節(jié)能、無(wú)污染成為新一代空調(diào)系統(tǒng)追求的目標(biāo)。順其潮流，公司成功開發(fā)出應(yīng)用于輻射板系統(tǒng)的土壤熱泵機(jī)組。1用于輻射板系統(tǒng)土壤熱泵機(jī)組簡(jiǎn)介用于輻射板系統(tǒng)的土壤熱泵機(jī)組在功能和控制上都有其獨(dú)特之處。首先機(jī)組增設(shè)了帶熱泵功能的新風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。新風(fēng)機(jī)不僅為用戶常年輸送溫度適宜的新鮮空氣，還要承擔(dān)室內(nèi)空氣的除濕負(fù)荷，防止輻射板凝露，在冬季可增設(shè)新風(fēng)預(yù)熱功能。再者在控制上體現(xiàn)了以人為本的理念：安全、方便、靈活。系統(tǒng)構(gòu)成參見(jiàn)土壤熱泵機(jī)組工作原理圖（圖1）。該土壤熱泵機(jī)組的電控系統(tǒng)較為復(fù)雜，主機(jī)和新風(fēng)機(jī)是獨(dú)立的兩套制冷系統(tǒng)，它們又通過(guò)室內(nèi)露點(diǎn)溫度這個(gè)關(guān)鍵參數(shù)緊緊地聯(lián)系在一起，協(xié)調(diào)工作，為用戶營(yíng)造一個(gè)舒適、健康的生活空間。2土壤熱泵機(jī)組電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1土壤熱泵機(jī)組電控設(shè)計(jì)概述土壤熱泵機(jī)組分制冷、制熱、通風(fēng)三種工作模式。制冷模式：?jiǎn)?dòng)機(jī)組，新風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，并工作于除濕模式，此時(shí)，送風(fēng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，新風(fēng)閥關(guān)閉，室內(nèi)回風(fēng)的旁通閥開啟，排風(fēng)機(jī)不工作，室內(nèi)風(fēng)循環(huán)除濕，逐漸降低室內(nèi)的空氣露點(diǎn)溫度。30分鐘后，檢測(cè)室內(nèi)的露點(diǎn)溫度，若露點(diǎn)溫度降到設(shè)定溫度點(diǎn)tdew1，送開機(jī)信號(hào)給主機(jī)，主機(jī)啟動(dòng)制冷，向輻射板輸送冷凍水。主機(jī)供水溫度的設(shè)定值將隨室內(nèi)露點(diǎn)溫度的變化作動(dòng)態(tài)的調(diào)整。露點(diǎn)溫度降到設(shè)定溫度點(diǎn)tdew2時(shí)，新風(fēng)閥開啟、排風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，送風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，為用戶輸送新風(fēng)。制熱模式：新風(fēng)機(jī)和主機(jī)同時(shí)啟動(dòng)。新風(fēng)閥開啟，送風(fēng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，向室內(nèi)輸送新風(fēng)。在制熱模式，新風(fēng)可設(shè)預(yù)熱功能，在送風(fēng)側(cè)設(shè)置加濕設(shè)備，檢測(cè)室內(nèi)的相對(duì)濕度，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)空氣干燥，不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，對(duì)送風(fēng)加濕。主機(jī)壓縮機(jī)啟動(dòng)，向輻射板輸送適宜的熱水。通風(fēng)模式：新風(fēng)閥開啟，室內(nèi)回風(fēng)的旁通閥關(guān)閉，送風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)行，為用戶輸送新風(fēng)。2.2土壤熱泵機(jī)組電控設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.2.1露點(diǎn)溫度采集：露點(diǎn)溫度是土壤熱泵機(jī)組系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在設(shè)計(jì)中采用了室內(nèi)相對(duì)濕度和干球溫度兩個(gè)參數(shù)，利用控制主板單片機(jī)內(nèi)設(shè)置好查表程序，間接查出與其相對(duì)應(yīng)的空調(diào)區(qū)域的露點(diǎn)溫度。根據(jù)室內(nèi)露點(diǎn)溫度的值控制新風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)及主機(jī)的啟停，并要求tdew1、tdew2、Δt1、Δt2參數(shù)可調(diào)。見(jiàn)圖2圖1機(jī)組工作原理圖1、新風(fēng)閥2、回風(fēng)旁通閥3、熱回收器4、排風(fēng)機(jī)5、送風(fēng)機(jī)6、翅片換熱器7、四通換向閥8、壓縮機(jī)9、氣液分離器10、室外側(cè)換熱器11、雙向過(guò)濾器12、雙向熱力膨脹閥13、膨脹水箱14、室內(nèi)水泵15、室外水泵圖2露點(diǎn)溫度設(shè)定示意圖2.2.2冷卻吊板供水溫度設(shè)置：為了提高主機(jī)的運(yùn)行效率，避免主機(jī)的頻繁啟動(dòng)，主機(jī)的供水溫度（輸送到輻射板）設(shè)定值，在一定范圍內(nèi)要求隨室內(nèi)露點(diǎn)溫度的變化作動(dòng)態(tài)的調(diào)整。露點(diǎn)溫度下降了，主機(jī)的供水溫度設(shè)定值也隨著下降，增大輻射板的散冷量。2.2.3風(fēng)機(jī)自動(dòng)換檔：送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)應(yīng)根據(jù)機(jī)組不同的運(yùn)行模式，自動(dòng)換檔。在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，風(fēng)機(jī)可低速運(yùn)行，力求系統(tǒng)降耗、降噪。2.2.4室內(nèi)溫度設(shè)定值優(yōu)先于主機(jī)的供水溫度設(shè)定值來(lái)控制土壤熱泵機(jī)組的啟、停。即當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到了用戶的設(shè)定要求，可以控制主機(jī)壓縮機(jī)一臺(tái)或全部投入、退出運(yùn)行。2.2.5主機(jī)采用雙機(jī)頭或多機(jī)頭組合（除了容量很小的機(jī)組，制冷量≤10kW），可進(jìn)行能量分級(jí)調(diào)節(jié)。2.2.6輔助加熱功能：制熱模式下的新風(fēng)預(yù)熱功能：在嚴(yán)寒季節(jié)，當(dāng)新風(fēng)溫度降到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)新風(fēng)預(yù)熱器，以防換熱器的通道內(nèi)結(jié)霜。新風(fēng)預(yù)熱器采用PTC陶瓷材料。該類陶瓷發(fā)熱元件，熱阻小、換熱效率高，它最突出的優(yōu)點(diǎn)還在于其工作的安全性能上，即遇風(fēng)機(jī)故障而停轉(zhuǎn)時(shí)，PTC加熱器因得不到充分的散熱，其功率會(huì)急劇下降，此時(shí)加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右（一般在250℃上下），無(wú)燃燒危險(xiǎn)。2.2.7系統(tǒng)可配置遠(yuǎn)程電話控制，異地開、關(guān)機(jī)組，提前預(yù)冷（熱）房間。2.2.8系統(tǒng)運(yùn)行所必須的各種安全保證措施：包括壓縮機(jī)的排氣壓力保護(hù)、吸氣壓力保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、防凍保護(hù)，新風(fēng)機(jī)回路的各種溫度保護(hù)，三種運(yùn)行模式之間的互鎖等。2.3硬件組成（見(jiàn)圖3）圖3硬件構(gòu)成示意圖PIC16F874單片機(jī)是土壤熱泵機(jī)組控制主板的核心元件，它是美國(guó)Microchip公司的產(chǎn)品，帶有8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有4K的FLASH存儲(chǔ)器，256*8個(gè)的EEPROM存儲(chǔ)器,五個(gè)多功能端口，三個(gè)定時(shí)器/WDT,該單片機(jī)豐富的配置，完全能滿足空調(diào)類控制器的需要。控制主板采用了同一型號(hào)的兩片單片機(jī)，一片單片機(jī)專用于露點(diǎn)溫度的采集、顯示及露點(diǎn)溫度、控制信號(hào)的輸出。另一片單片機(jī)用于新風(fēng)機(jī)和主機(jī)的控制。主控板在電路設(shè)計(jì)、元器件的選擇、印制線路板的設(shè)計(jì)、布線與制造工藝等方面都考慮了系統(tǒng)的電磁兼容性。其主要措施包括：接地、濾波、隔離。印制線路板方面包括：線路板合理分區(qū)、區(qū)分?jǐn)?shù)模地、合理布線、鋪地、以減少干擾。2.3.1控制板輸入、輸出量六路模擬量輸入：四路NTC熱敏電阻，兩路用于主機(jī)的供、回水溫度檢測(cè)，兩路用于新風(fēng)系統(tǒng)送、回風(fēng)溫度的檢測(cè)。兩路4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入，用于溫、濕度的輸入。開關(guān)量輸入：包括機(jī)組的各種安全保護(hù)，異地開機(jī)等。鍵盤輸入：包括開關(guān)機(jī)組、運(yùn)行模式選擇、參數(shù)設(shè)定等。繼電器輸出：驅(qū)動(dòng)負(fù)載包括：壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、輔助加熱器、控制信號(hào)等。2.3.2電源電路該系統(tǒng)中電源電路采用雙路獨(dú)立電源，分別為數(shù)、模供電。包括交流變壓器（220V/12V）、橋式整流電路、濾波電容、集成穩(wěn)壓電源LM7812CT、MC7805T組成，為電控板提供+12V，+5V的直流電壓。2.3.3溫度采集電路PIC16F874自帶A/D轉(zhuǎn)換電路，溫度信號(hào)直接采集，簡(jiǎn)化了外圍電路。在該系統(tǒng)中我們采用四路溫度信號(hào)。兩路用于主機(jī)供、回水溫度的采集。兩路用于新風(fēng)機(jī)送、回風(fēng)溫度的采集。四路溫度都可在機(jī)組控制面板上顯示。這樣機(jī)組在調(diào)試運(yùn)行時(shí)，通過(guò)供、回水（風(fēng)）溫度，能直接判斷出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。2.3.4相對(duì)濕度、干球溫度采集電路將在現(xiàn)場(chǎng)采集的兩路4-20mA溫、濕度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為毫伏電信號(hào)，輸送給單片機(jī)，并通過(guò)軟件查表的方法，查出與此相對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度，顯示輸出。在模擬量數(shù)據(jù)的采集時(shí)，為防止干擾，本方案采用了數(shù)字濾波技術(shù)—平均值濾波。平均值濾波對(duì)周期性的干擾有良好的抑制作用。2.3.5LED顯示回路LED顯示回路采用了動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描雖然多占用了一些MPU的時(shí)間,但使用的硬件少,能節(jié)約線路板空間。本系統(tǒng)用三組三位LED顯示電路，一組用于顯示土壤熱泵的供、回水溫度及機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；一組用于顯示新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)、回風(fēng)溫度及機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；一組用于顯示露點(diǎn)溫度。LED采用共陽(yáng)極七段數(shù)碼管，由單片機(jī)以動(dòng)態(tài)掃描方式驅(qū)動(dòng)，每位掃描時(shí)間為3ms，應(yīng)用程序中使用循環(huán)方式對(duì)PORTD端口不斷地輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示。循環(huán)周期小于20ms，在LED顯示數(shù)據(jù)時(shí)，人不會(huì)感到有閃爍現(xiàn)象。2.3.6開關(guān)量、按鍵輸入電路開關(guān)量輸入包括各個(gè)故障點(diǎn)激活（即常閉觸點(diǎn)斷開）及異地控制的信號(hào)輸入。按鍵輸入包括機(jī)組開、關(guān)機(jī)，模式選擇，參數(shù)調(diào)整等。開關(guān)量輸入、按鍵輸入所使用的單片機(jī)引腳都借用了LED位選引腳。采用掃描方式進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，這樣大大減少了硬件資源。按鍵輸入時(shí)增加了一段延時(shí)小程序，作為防抖動(dòng)處理，開關(guān)鍵和模式鍵增加了1s的延遲，以防誤操作。開關(guān)量信號(hào)輸入也進(jìn)行了抗干擾處理，連續(xù)讀取該信號(hào)兩次，才能確認(rèn)該故障信號(hào)。2.3.7繼電器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)回路采用了ULN2003反向驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)集電極開路的七非門電路，具有達(dá)林頓輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。2.4軟件功能軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有：系統(tǒng)初始化，自檢程序，數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換，查表程序，開機(jī)程序、關(guān)機(jī)程序、運(yùn)行模式判斷程序，按鍵掃描程序、故障掃描程序、掃描顯示程序、溫度判斷程序、故障處理程序、負(fù)載驅(qū)動(dòng)程序、延時(shí)程序等。3實(shí)際應(yīng)用中各參數(shù)的設(shè)定機(jī)組主要參數(shù)設(shè)定表參數(shù)參數(shù)描述默認(rèn)值單位tdew1露點(diǎn)溫度1點(diǎn)設(shè)設(shè)定值18℃Δt1露點(diǎn)溫度1點(diǎn)差差值2℃tdew2露點(diǎn)溫度2點(diǎn)設(shè)設(shè)定值16℃Δt2露點(diǎn)溫度2點(diǎn)差差值2℃t3系統(tǒng)供水溫度19℃Δt3供水溫度差值3℃t4供水溫度動(dòng)態(tài)偏偏差值3℃機(jī)組在