基于余熱回收的燃?xì)鉄岜眯阅芗翱刂葡到y(tǒng)

呂杰，黃沖，馮自平，2，胡亞飛，3，宋文吉

（1 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510640；2 中科廣能能源研究院（重慶）有限公司，重慶 401331；3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對生活和工作環(huán)境的舒適度要求越來越高[1-2]。我國許多地區(qū)具有供熱和供冷的雙重需求，目前解決方案是冬季燃煤或燃?xì)忮仩t供暖，夏季使用電動空調(diào)。傳統(tǒng)的燃煤或燃?xì)忮仩t采暖一次能源利用率低，造成資源浪費和環(huán)境污染。電空調(diào)在夏季大量使用，造成城市電網(wǎng)不堪重負(fù)，電力負(fù)荷峰谷差大，導(dǎo)致拉閘限電。電空調(diào)在冬季制熱效果達(dá)不到要求，特別是在嚴(yán)寒地區(qū)。為達(dá)成“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，中國正在進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低化石能源占比，提高能源利用效率。作為一種熱值較高的清潔能源，天然氣越來越受到關(guān)注。另外，為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，減小電力負(fù)荷峰谷差，國家發(fā)展和改革委員會制定分時電價機(jī)制，對各時段分別制定不同的電價水平，造成空調(diào)運行費用大幅上升。因此，急需一種先進(jìn)的低碳清潔供冷供暖技術(shù)。

燃?xì)鉄岜茫╣as engine-driven heat pump，GHP）是通過燃?xì)獍l(fā)動機(jī)機(jī)械驅(qū)動壓縮機(jī)的蒸汽壓縮式熱泵，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能效高、耗電量少等優(yōu)點。燃?xì)鉄岜媚軌蚨竟┡?、夏季供冷，實現(xiàn)一套設(shè)備滿足供熱和供冷雙重需求，并提供冷熱水，能夠解決傳統(tǒng)燃煤或燃?xì)忮仩t采暖一次能源利用率低、資源浪費和環(huán)境污染等問題[3-4]。同時，緩解夏季電空調(diào)大量使用造成的電力負(fù)荷峰谷差大等難題[5-6]。

與電熱泵（electric heat pump，EHP）相比，GHP 具有如下優(yōu)勢。GHP 采用機(jī)械傳動，制冷和制熱性能不易衰減。利用發(fā)動機(jī)余熱化霜和制熱，惡劣工況（低溫制熱）性能優(yōu)異，熱泵系統(tǒng)更節(jié)能、穩(wěn)定。采用機(jī)械驅(qū)動壓縮機(jī)，壓縮機(jī)無需預(yù)熱，啟動時間較短，升溫和降溫速度較快。GHP耗電量低，不需要額外電力增容，減少變配電等設(shè)備投資。天然氣是清潔能源，在開采、生產(chǎn)和運輸過程中產(chǎn)生的污染較小。天然氣燃燒較充分，二氧化碳排放較少，有助于改善大氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。EHP 在夏季的大量使用造成城市電網(wǎng)不堪重負(fù)，電力負(fù)荷峰谷差大，國家發(fā)展改革委制定分時電價機(jī)制，造成空調(diào)運行費用大幅上升，地方電網(wǎng)公司啟動拉閘限電等舉措，影響人們正常工作和生活。燃?xì)鉄岜貌皇芟揠娭萍s，用戶使用更安心。

燃?xì)鉄岜玫臒崃W(xué)循環(huán)是蒸汽壓縮循環(huán)，制熱模式下制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)，將自身熱量傳遞給室內(nèi)換熱器（冷凝器），然后經(jīng)EXV（電子膨脹閥）變?yōu)閮上酄顟B(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中，吸收空氣中的熱量變?yōu)闅庀酄顟B(tài)。制冷模式下，冷媒經(jīng)四通閥改變流向。通過制冷劑將低溫?zé)嵩吹臒崮苻D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，實現(xiàn)制冷和制熱?；厥瞻l(fā)動機(jī)尾氣熱量和缸套冷卻水熱量，增強(qiáng)熱泵低溫制熱性能，改善除霜性能?？刂葡到y(tǒng)是燃?xì)鉄岜玫闹匾M成部分，保證室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)達(dá)到期望值。

當(dāng)前研究重點是GHP 系統(tǒng)的運行特性[7-9]，使用能量和?分析方法對GHP 系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬其運行特性，通過實驗進(jìn)行性能分析和評估[10-11]。而針對GHP 控制系統(tǒng)的研究主要延續(xù)現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)控制研究方法[12-13]，如PID 算法、人工智能算法、模糊控制等[14-15]。通過數(shù)值模擬和算法研究熱泵系統(tǒng)動態(tài)特性，優(yōu)化控制策略[14,16]。當(dāng)前，專門針對GHP 控制的研究主要集中于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制優(yōu)化[12,17-18]。目前，主要通過建立模型研究GHP 系統(tǒng)的動態(tài)特性，采用數(shù)值模擬和算法優(yōu)化控制策略，而忽略了控制系統(tǒng)設(shè)計研究。目前文獻(xiàn)沒有說明如何設(shè)計GHP 控制器的硬件和軟件，沒有闡述GHP 控制器如何與發(fā)動機(jī)ECU（電子控制單元）實時可靠通信，進(jìn)而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、啟停等控制。由于外部環(huán)境和熱負(fù)荷的不斷變化，GHP 系統(tǒng)具有滯后、非線性和時變特點。想要GHP 系統(tǒng)的出水溫度快速逼近然后穩(wěn)定在目標(biāo)值，需要精細(xì)化控制。發(fā)動機(jī)檔位需要由參與熱力循環(huán)的壓縮機(jī)數(shù)量以及目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度之間的差值共同確定，而當(dāng)前研究沒有闡明如何根據(jù)發(fā)動機(jī)數(shù)量調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的方法。為了提高GHP 系統(tǒng)性能，控制系統(tǒng)研究必不可少，本文聚焦于GHP 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計，詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)架構(gòu)以及各功能模塊，并通過制冷和制熱實驗分析基于該控制系統(tǒng)的GHP 機(jī)組運行特性，為開發(fā)人員提供工程設(shè)計指導(dǎo)。

1 燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)及分析方法

燃?xì)鉄岜梅譃槔錈崴畽C(jī)組（gas engine driven heat pump cold-hot water equipment，GHPW）和多聯(lián)機(jī)。以制冷工況為例，燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組外機(jī)通過冷凍水從室內(nèi)空氣中吸收熱能帶到室外。燃?xì)鉄岜枚嗦?lián)機(jī)的冷媒能夠進(jìn)入內(nèi)機(jī)，直接與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換。因此，燃?xì)鉄岜枚嗦?lián)機(jī)控制系統(tǒng)更復(fù)雜，既包含外機(jī)控制器，又包括內(nèi)機(jī)控制器。本文主要研究燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組及其外機(jī)控制器。

如圖1所示，燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組實驗系統(tǒng)包括冷媒循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)系統(tǒng)。冷媒循環(huán)系統(tǒng)包括渦旋式壓縮機(jī)、油分離器、四通閥、翅片式室外換熱器、電子膨脹閥、冷媒-冷凍水換熱器、氣液分離器、旁通閥、快速回油閥等零部件。冷卻水系統(tǒng)包括冷卻水室外熱交換器、冷凍水側(cè)余熱回收換熱器、冷媒側(cè)余熱回收換熱器、廢氣熱交換器、冷卻水泵和兩個恒溫器。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)本體、進(jìn)排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電子控制單元（electronic control unit，ECU）等。

圖1 燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

冷卻水室外熱交換器和制冷劑室外熱交換器相鄰安裝。當(dāng)制冷劑在低溫加熱條件下流過室外熱交換器時，室外熱交換器從室外空氣吸收熱量。同時，制冷劑通過制冷劑側(cè)余熱回收換熱器吸收發(fā)動機(jī)廢熱，以增強(qiáng)制冷劑傳遞的熱量。隨后，冷凍水余熱回收電磁閥打開。冷凍水流過冷凍水側(cè)余熱回收換熱器吸收發(fā)動機(jī)余熱，使冷凍水溫度升高。

恒溫器通常用于發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，GHPW采用恒溫器控制冷卻水的流動路徑。它是一種自動溫度調(diào)節(jié)裝置，在沒有外部控制信號的情況下，通過熱膨脹或冷收縮來控制液體的流動。冷卻水在天然氣發(fā)動機(jī)內(nèi)部流動并吸收發(fā)動機(jī)熱量。隨后，它流過制冷劑側(cè)的廢熱回收裝置，并通過由恒溫器控制的三個通道進(jìn)入冷卻水泵。最后，冷卻水流過廢氣熱交換器并返回發(fā)動機(jī)。

燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)組運行模式包括加熱、冷卻、除霜和低溫加熱。實驗系統(tǒng)的主要技術(shù)特性如表1所示。采用日本橫河生產(chǎn)的電磁流量計SE205MM測量水流量，流量量程0～50m3/h，精度等級是±0.5%FS。采用浙江蒼南儀表集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的RM-25Z-G10 氣體羅茨流量計測量天然氣流量，測量范圍是0.4～16m3/h，測量精度是±1%FS。采用PT100和T型熱電偶測量溫度，溫度測量范圍分別是-50～100℃和-200～350℃，測量精度分別是±0.1℃和±0.5℃。采用森薩塔科技生產(chǎn)的壓力傳感器Sensata 35CP82-30MD 和Sensata 35CP82- 31MD測量系統(tǒng)壓力，測量范圍分別是0～2000kPa 和0～4600kPa，測量精度是±1.5%FS。

表1 燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組實驗系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

一次能源利用率（primary energy ratio，PER）用于表征GHP 系統(tǒng)的總能耗性能。性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）用于表征GHP 系統(tǒng)壓縮機(jī)的性能。加熱模式下的PER 和COP 分別可用式(1)和式(2)描述。GHP 系統(tǒng)的供熱能力由兩部分組成，即熱泵系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)余熱。因此，Qheat可以用式(3)來描述。發(fā)動機(jī)的天然氣消耗功率（Pgas）可通過式(4)計算。Vgas是發(fā)動機(jī)的天然氣體積流量；LHV 是天然氣的低熱值。本實驗天然氣熱值為35540kJ/m3。壓縮機(jī)功率（Pcompressor）可以用天然氣發(fā)動機(jī)（Pengine）的有效功率來描述，如式(5)所示。

式中，Tengine是天然氣發(fā)動機(jī)的輸出扭矩；Nengine是自然氣發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速；η是發(fā)動機(jī)和壓縮機(jī)之間的傳動效率，在本研究中，其值為95%；ηengine是天然氣發(fā)動機(jī)的熱效率。

2 燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外機(jī)控制器是燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組的主控制器，負(fù)責(zé)控制冷媒循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃?xì)獍l(fā)動機(jī)系統(tǒng)。外機(jī)控制器包括多輸入輸出（multiple inputs and multiple outputs，MIMO）控制模塊、發(fā)動機(jī)控制模塊、過熱度控制模塊和觸摸屏監(jiān)控模塊。外機(jī)控制器控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，外機(jī)控制器電路板實物如圖3所示。

圖2 燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組主控制器電路板實物圖

2.2 MIMO控制模塊

燃?xì)鉄岜猛鈾C(jī)控制器的輸入和輸出信號較多。輸入信號包括溫度輸入信號、壓力輸入信號和開關(guān)輸入信號。輸出信號包含繼電器控制輸出信號和電子膨脹閥控制輸出信號。輸入和輸出信號分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬輸入信號主要包括溫度和壓力信號。數(shù)字輸入信號包括高壓/低壓、水流和開關(guān)信號。模擬輸出信號主要是電子膨脹閥控制信號。數(shù)字輸出信號通過繼電器控制電磁閥、四通閥、水泵和壓縮機(jī)離合器。此外，GHPW 通過RS485串行端口通信接口與主機(jī)、有線控制器和風(fēng)扇通信，并通過CAN總線接口與發(fā)動機(jī)ECU通信。

2.2.1 溫度和開關(guān)輸入信號監(jiān)測

為了準(zhǔn)確控制冷媒循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)等，需要對燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)中多個特征點的溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測。溫度監(jiān)測包括環(huán)境溫度、壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度、冷凍水進(jìn)水溫度和出水溫度、余熱回收進(jìn)水和出水溫度等。壓力監(jiān)測主要是監(jiān)控壓縮機(jī)的油壓、吸氣壓力和排氣壓力。

溫度輸入信號擴(kuò)展電路如圖4所示。采用熱敏電阻監(jiān)測溫度。由于輸入輸出接口較多，MCU的I/O口數(shù)量無法滿足需求，采用外部電路擴(kuò)展方式擴(kuò)充I/O 口數(shù)量。熱敏電阻兩端電壓信號通過多路選擇芯片CD4067傳輸?shù)組CU。MCU通過控制三極管基極電壓，控制CD4067的通道選擇引腳AA、BB、CC、DD 的電壓，進(jìn)而選擇CD4067 的輸出通道。CD4067 最多可以擴(kuò)展16 路I/O 口通道。CD4067 的輸出引腳連接MCU 的ADC 輸入I/O 口，將熱敏電阻的電壓值傳輸?shù)組CU。MCU 計算監(jiān)測點的溫度值。

圖4 溫度輸入信號擴(kuò)展電路

開關(guān)輸入信號是數(shù)字量信號。開關(guān)輸入信號監(jiān)測電路如圖5 所示。采用光耦隔離芯片TLP521 檢測開關(guān)信號。當(dāng)開關(guān)輸入信號是低電平時，TLP521 的發(fā)光二極管導(dǎo)通，光三極管的集電極電壓被拉低。光三極管的集電極與MCU 的I/O 口相連，開關(guān)狀態(tài)信息被傳輸?shù)組CU。

圖5 開關(guān)輸入信號處理電路

2.2.2 壓力輸入信號監(jiān)測

采用壓力傳感器監(jiān)測壓縮機(jī)的油壓、吸氣壓力和排氣壓力。壓力輸入信號是連續(xù)變化的模擬量信號。通過信號調(diào)理電路將壓力傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)變成MCU 能夠接收的電壓范圍。壓力輸入信號調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 壓力輸入信號調(diào)理電路

2.2.3 輸出控制

外機(jī)控制器通過繼電器實現(xiàn)數(shù)字量輸出信號控制。數(shù)字量輸出信號包括電磁閥、四通閥、水泵、電加熱帶、壓縮機(jī)離合器等閉合和斷開信號。數(shù)字量輸出信號較多，依然采用多路信號選擇芯片CD4067 擴(kuò)展數(shù)字信號輸出通道。繼電器輸出信號擴(kuò)展電路如圖7所示。

圖7 繼電器輸出信號擴(kuò)展電路

將移位寄存器74HC595 級聯(lián)，擴(kuò)展數(shù)字量輸出接口。MCU 無法提供足夠的電流驅(qū)動繼電器，在位移緩存器輸出端增加達(dá)林頓管驅(qū)動芯片ULN2003A，提高電流驅(qū)動能力。74HC595 芯片的DIN、OE、ST 引腳接MCU，Qa～Qh 接ULN2003A的輸入端，ULN2003A的輸出端接繼電器線圈，繼電器線圈另一端接12V 直流電源。當(dāng)MCU 控制74HC595的Qa通道輸出高電平時，ULN2003A對應(yīng)接口輸出低電平，繼電器吸合，輸出接口DO1 接通電源，為電磁閥、水泵等零部件供電。

采用鷺宮電子膨脹閥，勵磁方式是1～2 相勵磁，勵磁速度是31.25pps（每秒脈沖數(shù)）。通過74HC595 級聯(lián)，擴(kuò)展輸出控制I/O 口，實現(xiàn)對多個電子膨脹閥的獨立控制。電子膨脹閥依靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動針閥，調(diào)節(jié)閥的開度。電子膨脹閥須嚴(yán)格遵循驅(qū)動時序開閥和閉閥。

2.3 發(fā)動機(jī)控制模塊

2.3.1 發(fā)動機(jī)通信控制

燃?xì)獍l(fā)動機(jī)由ECU 控制，ECU 根據(jù)各種傳感器輸入的信息，經(jīng)過計算和分析，控制發(fā)動機(jī)點火、運行和空燃比等。同時，ECU 保護(hù)發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)控制模塊是GHPW 主控制器的子單元，用于與發(fā)動機(jī)ECU 交換信息。通過燃?xì)獍l(fā)動機(jī)控制模塊，外機(jī)控制器與發(fā)動機(jī)ECU 通信，設(shè)定發(fā)動機(jī)運行模式和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，控制發(fā)動機(jī)啟停，監(jiān)測發(fā)動機(jī)狀態(tài)（實際轉(zhuǎn)速、運行時間、溫度、油壓、故障信號等）并控制蓄電池充電等。

GHPW的發(fā)動機(jī)控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。發(fā)動機(jī)ECU 通過CAN 總線與GHPW 主控制器通信，ECU的鑰匙信號通過光學(xué)耦合隔離器連接到GHPW 主控制器的微控制器。發(fā)動機(jī)ECU 與外機(jī)控制器硬件通過4 根引線連接，分別是CANH、CANL、鑰匙信號、信號地GND。CAN 總線傳輸信號由GHPW 主控制器傳輸?shù)拿钚盘柦M成，如啟動請求、調(diào)速請求、調(diào)速設(shè)置、停機(jī)和故障復(fù)位命令。此外，CAN 總線傳輸信號包含ECU 返回信號，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、出水溫度和空燃比。

圖8 發(fā)動機(jī)控制結(jié)構(gòu)示意圖

通過CAN 總線傳輸?shù)男盘柊ㄍ鈾C(jī)控制器發(fā)出的控制信號和發(fā)動機(jī)ECU 的返回信號。外機(jī)控制器發(fā)出的控制信號包括發(fā)動機(jī)啟動信號、調(diào)速信號、停機(jī)信號。發(fā)動機(jī)ECU 的返回信號包括發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速、歧管進(jìn)氣溫度和壓力、發(fā)動機(jī)出水溫度、節(jié)氣門開度、機(jī)油壓力、實際空燃比、燃?xì)鈮毫?、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、燃?xì)怆姶砰y狀態(tài)、發(fā)動機(jī)運行時間、故障信息等。

發(fā)動機(jī)ECU 通過12V 蓄電池供電，蓄電池通過發(fā)電機(jī)充電。蓄電池充電信號由外機(jī)控制器控制。外機(jī)控制器的發(fā)動機(jī)控制模塊每10ms RTC 時鐘中斷一次，發(fā)送控制命令，并讀取發(fā)動機(jī)狀態(tài)。外機(jī)控制器與發(fā)動機(jī)ECU通信控制軟件流程如圖9所示。

圖9 外機(jī)控制器與發(fā)動機(jī)ECU通信控制軟件流程

2.3.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制

GHPW的控制目標(biāo)是通過發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊使系統(tǒng)出水溫度逼近目標(biāo)值。由于外部環(huán)境溫度和熱負(fù)荷不斷變化，GHPW系統(tǒng)具有滯后性、非線性和時變特點，使系統(tǒng)出水溫度快速接近并穩(wěn)定在目標(biāo)值至關(guān)重要。

發(fā)動機(jī)檔位由參與熱力學(xué)循環(huán)的壓縮機(jī)數(shù)量以及目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度之間的差值決定。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是800～2400r/min，檔位范圍是1～51。當(dāng)冷熱負(fù)荷需求大于0時，GHPW從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)。首先發(fā)動機(jī)以最低檔位1 檔（800r/min）啟動，隨后逐漸增加。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速每增大80r/min，發(fā)動機(jī)檔位增加1 檔。當(dāng)發(fā)動機(jī)檔位增加到2 檔（880r/min），閉合一臺壓縮機(jī)離合。當(dāng)發(fā)動機(jī)檔位超過6 檔（1200r/min）時，參與熱力學(xué)循環(huán)的壓縮機(jī)數(shù)量調(diào)整為兩臺，隨后發(fā)動機(jī)檔位主要根據(jù)目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度之間的差值實時調(diào)整。從發(fā)動機(jī)檔位是7 檔（800r/min） 開始，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速每增大40r/min，發(fā)動機(jī)檔位增加1 檔。

以制冷模式為例說明發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制邏輯，當(dāng)目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度的差值大于2.0℃，發(fā)動機(jī)檔位增大4檔。當(dāng)目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度的差值處于-1.5～-2.0℃之間，發(fā)動機(jī)檔位則減小4檔。如果目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度的差值小于-2.0℃并持續(xù)60s，則發(fā)動機(jī)停機(jī)。當(dāng)目標(biāo)出水溫度和實際出水溫度的差值處于-1.5～2.0℃之間，差值每變化0.5℃，發(fā)動機(jī)檔位變化1檔。

2.4 蒸發(fā)溫度控制模塊

燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)蒸發(fā)溫度控制模塊主要功能是通過控制電子膨脹閥開度，實現(xiàn)制冷劑流量自動調(diào)節(jié)。以制熱模式為例，說明電子膨脹閥控制（蒸發(fā)器出來）進(jìn)入壓縮機(jī)的冷媒吸氣過熱度，進(jìn)而對冷媒流量進(jìn)行微調(diào)的過程。當(dāng)熱負(fù)荷滿足后，熱能需求減少，此時冷媒流量較大，單位質(zhì)量冷媒吸收的熱量下降，造成進(jìn)入壓縮機(jī)的冷媒吸氣溫度降低，進(jìn)而造成冷媒吸氣過熱度下降。此時需要減小電子膨脹閥開度，減少冷媒流量。通過控制電子膨脹閥開度實現(xiàn)制冷劑流量自動調(diào)節(jié)，從而使空調(diào)系統(tǒng)始終保持在最佳工況下運行，達(dá)到快速制冷/制熱、溫度精確控制、省電等目的。

用戶通過人機(jī)交互模塊輸入制冷目標(biāo)過熱度和制熱目標(biāo)過冷度。當(dāng)制熱/制冷模式啟動后，系統(tǒng)對過熱度/過冷度進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子膨脹閥開度控制主要包括初始化、開閥控制和閉閥控制。電子膨脹閥初始化實現(xiàn)0脈沖起點調(diào)整，將閥全閉并調(diào)整起點至A相勵磁。施加520脈沖，進(jìn)行閉閥動作。由于燃?xì)鉄岜每刂破髦骺匦酒琁/O 口數(shù)量有限，采用74HC595實現(xiàn)I/O口擴(kuò)展。

監(jiān)測進(jìn)入壓縮機(jī)的冷媒吸氣溫度、排氣溫度和壓力，計算冷媒吸氣過熱度。采用比例-積分（PI）算法，根據(jù)吸氣過熱度和排氣溫度調(diào)整電子膨脹閥開度，見式(6)，ΔEXV是主回路電子膨脹閥調(diào)整開度，p1和p2是比例系數(shù)，i是積分系數(shù)。ΔTSSHk和ΔTSSHk-1分別是k時刻和k-1 時刻冷媒吸氣過熱度偏差值。Tsample表示采樣周期，Tresponse是積分響應(yīng)時間常數(shù)。TSSHk和TSSHk-1分別是k時刻和k-1 時刻冷媒吸氣過熱度。Texhaustk和Texhaustk-1分別是k時刻和k-1時刻壓縮機(jī)排氣溫度。通過實時調(diào)整電子膨脹閥開度，控制蒸發(fā)溫度，保證不回液，保護(hù)壓縮機(jī)。電子膨脹閥開度控制流程如圖10所示。

圖10 電子膨脹閥開度控制流程圖

2.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊用于燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)組狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)模式識別等，提升燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)組整體能效和COP值，提高機(jī)組穩(wěn)定性。人機(jī)交互模塊包括狀態(tài)監(jiān)測、模式選擇、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢等功能。人機(jī)交互控制結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 人機(jī)交互控制結(jié)構(gòu)圖

采用7.0 寸觸摸分辨率為800×480 的串口觸摸屏，利用觸摸屏配套的PC軟件VisualTFT設(shè)計燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，并通過USB 下載到觸摸屏內(nèi)部的存儲器中。燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)組主控制器發(fā)送指令并接收觸摸屏信息。圖片、字庫等文件的讀取由觸摸屏獨立完成。用戶通過觸摸屏選擇燃?xì)鉄岜美渌畽C(jī)工作模式，并設(shè)定板式換熱器目標(biāo)回水溫度和目標(biāo)過冷/熱度。數(shù)據(jù)傳輸模塊將模式信息和設(shè)定參數(shù)傳輸?shù)街骺匦酒瑫r接收主控芯片發(fā)送的機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)觸摸屏顯示。通過觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，并控制系統(tǒng)制冷、制熱模式的啟停。

采用MCU 自帶的USART 接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。首先對USART 接口進(jìn)行初始化，等待接收或發(fā)送使能后，讀取發(fā)送幀或接收幀的ID 號，判斷發(fā)送方或接收方地址和發(fā)送次序，接收報文，重組計算接收到的信息。當(dāng)用戶通過觸摸屏選擇“制冷”“制熱”“自動”“除霜”按鈕時，數(shù)據(jù)傳輸模塊將命令通過RS485傳輸?shù)较挛粰C(jī)，控制系統(tǒng)的工作模式和啟停。數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 出水溫度控制

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速影響燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組實驗系統(tǒng)的出水溫度，并調(diào)節(jié)其冷卻和加熱能力。通過制冷實驗研究了實驗系統(tǒng)出水溫度的變化，以驗證實驗系統(tǒng)的出水溫度控制性能。出口水溫設(shè)定為7℃，環(huán)境溫度為30℃，制冷模式下不回收發(fā)動機(jī)余熱。

實驗結(jié)果如圖13 所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在800～1000r/min范圍內(nèi)略有變化，出口水溫可快速調(diào)節(jié)，并表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。實際出水溫度與目標(biāo)出水溫度之間的偏差小于7.2%。此外，實驗結(jié)果表明，本文提出的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略運行良好，在制冷工況下，當(dāng)實際出水溫度高于目標(biāo)出水溫度（7℃），發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，這表明制冷劑流量增大，制冷能力增強(qiáng)，從制冷劑中獲得的低溫水的冷卻能力增加，出水溫度逐漸降低，從而實現(xiàn)對出水溫度的閉環(huán)控制。

圖13 實際出水溫度與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

3.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制

燃?xì)鉄岜猛鈾C(jī)控制器根據(jù)負(fù)載實時調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。環(huán)境溫度為15.4℃，出水溫度設(shè)置為45℃。在制熱模式下，啟動實驗系統(tǒng)，對比發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，驗證控制系統(tǒng)發(fā)動機(jī)控制模塊響應(yīng)速度。如圖14 所示，實驗結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)速隨發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速持續(xù)穩(wěn)定地變化，發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)速從800r/min逐漸增大，增加到1800r/min 的調(diào)整時間是385s。發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間的偏差小于4.5%，沒有超調(diào)。在實際應(yīng)用過程中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整不應(yīng)太快，以便減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動，維持制冷劑流量和蒸發(fā)溫度的穩(wěn)定性，以及燃?xì)鉄岜孟到y(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖14 發(fā)動機(jī)實際轉(zhuǎn)速隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化情況

3.3 系統(tǒng)制熱性能

通過實驗測試燃?xì)鉄岜脵C(jī)組在不同低溫環(huán)境下的制熱性能，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行驗證。目標(biāo)出水溫度是45℃，水的質(zhì)量流量為3.4kg/s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是2400r/min。環(huán)境溫度從-20℃逐漸升高到7℃，并且回收發(fā)動機(jī)余熱。實驗系統(tǒng)的制熱量、回收的發(fā)動機(jī)余熱熱量和PER如圖15和圖16所示。

圖15 不同環(huán)境溫度下實驗系統(tǒng)PER對比

圖16 不同環(huán)境溫度下實驗系統(tǒng)制熱量和回收熱量對比

當(dāng)環(huán)境溫度較低時，GHPW 系統(tǒng)的性能下降。然而，由于回收發(fā)動機(jī)余熱，實驗系統(tǒng)的制熱能力仍優(yōu)于EHP 系統(tǒng)。隨著環(huán)境溫度從-20℃上升到7℃，實驗系統(tǒng)的制熱量和PER 逐漸增大。實驗系統(tǒng)的制熱量從52.94kW 逐漸上升到105.87kW，系統(tǒng)的PER 從0.8 平穩(wěn)上升到1.5。隨著環(huán)境溫度的升高，實驗系統(tǒng)的低壓升高，循環(huán)制冷劑的質(zhì)量流量增加，制熱量增加。同時，隨著環(huán)境溫度升高，發(fā)動機(jī)回收熱量先逐漸增加，當(dāng)環(huán)境溫度是-2℃時，達(dá)到最大34.79kW，隨后發(fā)動機(jī)回收熱量下降。發(fā)動機(jī)回收熱量占制熱量的比重大于20%，在-10℃時最高，為40.0%；在-20℃時最低，為28.8%。

3.4 系統(tǒng)電功率

與EHP 通過變頻器驅(qū)動電壓縮機(jī)不同，GHP通過燃?xì)獍l(fā)動機(jī)機(jī)械驅(qū)動壓縮機(jī)。電壓縮機(jī)的額定功率較大，啟動功率通常是額定功率的3 倍。如表2所示，以30匹燃?xì)鉄岜美錈崴畽C(jī)組外機(jī)為例，說明燃?xì)鉄岜檬彝鈾C(jī)電功率。燃?xì)鉄岜檬彝鈾C(jī)用電部件包括風(fēng)機(jī)、水泵、電加熱器、主控制板等，室外機(jī)電功率總和約2.5kW（不包括外部冷凍水泵）。GHP 的用電量遠(yuǎn)小于EHP，大約是EHP 用電量的10%。GHP可以降低夏季高峰電力峰值負(fù)荷并平衡天然氣季節(jié)性峰谷差。由于GHP 耗電量低，不需要電力增容，采用GHP 可以降低電力設(shè)施投資，特別是在電負(fù)荷占總負(fù)荷比重較大的酒店等應(yīng)用場景。根據(jù)《全國供用電規(guī)則》規(guī)定，用戶需要繳納基本電費和電度電費，電度電費包括目錄電費、線損電量和變損電量。一年中學(xué)校有三個多月不用電，但仍需支付基本電費和無功損耗電費，如果采用GHP 系統(tǒng)，寒暑假可節(jié)約電費支出。另外，醫(yī)院、養(yǎng)老院等非盈利機(jī)構(gòu)享受最低檔氣價優(yōu)惠政策，采用GHP系統(tǒng)可以大幅降低運營成本。

表2 燃?xì)鉄岜脤嶒炏到y(tǒng)電功率計算表

4 結(jié)論

本文提出了一種嵌入式控制系統(tǒng)來控制GHPW，并通過實驗討論了基于該控制系統(tǒng)的GHPW系統(tǒng)的運行特性。主要結(jié)論總結(jié)如下。

（1）本文提出的控制器結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、成本低，控制方法易于實現(xiàn)和普及。

（2）控制器對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)溫度進(jìn)行雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)穩(wěn)定，出水溫度控制準(zhǔn)確。

（3）低溫環(huán)境下，發(fā)動機(jī)回收熱量占制熱量的比重始終大于20%，說明發(fā)動機(jī)余熱顯著提高了GHP系統(tǒng)的制熱能力和PER，節(jié)能優(yōu)勢顯著。

（4）當(dāng)環(huán)境溫度為-20℃時，GHPW 系統(tǒng)的性能降低。然而，GHPW系統(tǒng)的加熱能力為52.9kW，其中包括15.26kW的回收熱量，制熱性能優(yōu)于沒有發(fā)動機(jī)余熱回收的熱泵系統(tǒng)。

符號說明