一种多功能联网型热泵控制系统的设计与实现

0 引言
热泵技术是一种以消耗少量电能或燃料能为代价，将大量无用的低温热能变为有用的高温热能的技术。目前市场上热泵的应用主要可以分为空调和热水2大方向。空调方面主要指冷暖通空调，热水方面主要指热泵热水器。近年来，空气源热泵热水器行业逆势活跃，国内各大空调公司相继推出多款热泵热水器产品，这与冷暖通空调低迷的行情形成了鲜明对比。
本文提出了基于RS 485总线或CAN总线的联网式热泵热水器的硬件与软件实现方法，拥有分工明确的硬件模块和科学的软件算法。通过模仿实时系统(Re-al-time Operating System，RTOS)的基本原理，充分利用系统的硬件资源，使复杂的控制任务在有限硬件条件下的有序进行成为可能，降低了系统成本。

1 热泵技术概述
1．1 热泵的概念
如果要让水从低处流动到高处，需要水泵来完成；如果要把低温物体的热量传送给高温物体，就需要用热泵。热泵工作原理如图1所示。热泵以水或者空气等低温热源作为热源，通过冷媒的物理状态变化，进行吸收和释放热量，并通过循环传递热量，实现热的转移，这样就可以把不能直接利用的低位热能转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。

1．2 空气源热泵空调原理
空气源空调的原理如图2所示，冷媒首先经过压缩机压缩做功后，变成高温高压的气态；然后经过冷凝器进行冷却，将热量传递给室外空气，液化成低温高压的气液混合态；接着经过膨胀阀膨胀对外做功，温度进一步降低，成为低温低压的气液混合态冷媒；再接着经过蒸发器，吸收室内环境的热量而温度变高；最后又回到压缩机进行新一轮的循环。

热泵的原理其实与上述空调原理基本相同，不过空调是要吸收室内过高的热量然后排到室外去，起到室内温度调节的效果；而热泵则是吸收环境的低温热量(可以是大气、土壤、水的低温余热)然后泵送到有利用价值的高温热源中去供暖或者制造热水。图3为热泵热水器的原理简图。冷媒的循环原理与热传递原理都是跟空调的一致，惟一不同的就是热泵是将从环境中吸收的热量通过热交换器传递给冷水来加热冷水，然后将冷气排放到空气中。

对比上面二者，可以看出无论是空调还是热泵热水器都会往大气中排放冷气或者废热，这不仅造成能源的利用率低，还会影响环境质量。如果将两者取长补短，结合在一起，则其意义和效益将是极其明显的。空气源热泵空调系统则是上面两者结合的产物。整个系统可以分为3个区：冷区(又称为室内风机区)、热区(又称为热交换区)和冷热区(又称为室外风机区)。冷区是热泵吸收外界热量排放冷气的区域，一般是指空调室内的冷风机；热区则是热泵输出高位热能的区域，对于本文研究的系统来说，这个区域的高位热能都是通过热交换器来将热量传递给热水加热，被加热的热水存储于热水箱之中，同时在冬天的时候也可以将部分热水引导到室内取暖；冷热区是一个比较特殊的区域，这里既可以吸收环境的低品位热量也可以释放高品位热量，一般情况下都是指室外风机所在的区域。通过切换四通阀、冷凝器电磁阀、蒸发器电磁阀和化霜电磁阀等阀门就可以实现热泵装置、制冷机、热泵制冷联合机之间等功能以及各功能之间的转换，而且切换灵活方便，随时可以根据实际需要来进行功能的选用。该系统各功能模块的冷媒循环通路如图4所示。

2 系统结构
该系统的特点是多台热泵机组联网控制，因此必须具备一个功能强大的上位控制器，收集全系统各机组的工作状态，并根据收集回来的数据对各机组作统筹分析，以实现统一控制以及节能效应。而对于水箱以及安装在用户端的每台热泵机组，都必须配有一台控制器，连接在网络上的控制器接收来自顶端控制器的控制命令，以进行对本机组中各子设备的控制，实现热泵的基本功能。另外，由于热泵机组安装在用户端，需要配有一个用户作交互的接口，该接口安装需在用户室内。综上所述，本热泵控制系统划分成4种控制器：主面板(管理员控制板)，副面板(用户控制板)，水箱控制板和热泵控制板。
2．1 主面板
主面板是整个系统的管理控制中心，主要负责整个系统的通信和协调，综合水箱控制板与热泵控制板的反馈状况对环境做出判断，实现对各热泵机组的控制和统一，并且提供一个良好的人机接口。同时主面板也具备E2PROM数据保存、防掉电和机组出错报警等功能。主面板硬件模块示意图如图5所示。