太阳能辅助供暖系统设计

摘 要

　　近年来，随着人们生活水平的日益提高以及环保意识的增强，雾霾问题越来越刺激着人们的神经。尤其是在冬季，我国北方大部分地区需要进行供暖，而这又会进一步加剧雾霾，已经严重影响到了人们的日常生活。所以，解决雾霾问题迫在眉睫。

　　本文以此为出发点，以广泛使用的燃气壁挂炉供暖系统为主体，结合太阳能热泵供暖系统，构成太阳能热泵-壁挂炉联合供暖系统。壁挂炉供暖系统相比较传统的集中供暖系统而言，用户能够根据自身情况进行供暖温度、供暖时间的调节，同时还能提供相当量的生活用热水，但其供暖成本高于集中供暖，还会大量消耗天然气。太阳能热泵供暖系统充分利用太阳能这种无污染、取之不尽用之不竭的新能源，但受技术所限，还难以实现全天候稳定供暖。故将天然气壁挂炉供暖系统与太阳能热泵供暖系统相结合，相互取长补短，实现联合供暖系统的稳定工作。

　　本文选定直膨式太阳能热泵供暖方式为本次设计的太阳能热泵供暖系统的设计方案。选定 STM32 系列微处理器作为供暖系统的控制核心，需要对环境温度、集热器出入口温度等进行采集，通过对热泵压缩机和电子膨胀阀的实时控制，结合特定的算法，确保对太阳能的最大化利用以及系统的稳定运行。集热器收集到的能量经热泵系统后被用来加热蓄热水箱内的供暖用水，当供暖用水的温度高于壁挂炉设定温度时，可直接采用该热水进行供暖；当热水温度低于壁挂炉设定温度时，则需要经过壁挂炉工作，将供暖用水加热到设定温度后再进行供暖。

　　通过这两个系统的联合工作，既解决了供暖成本高、天然气消耗大的问题，又解决了太阳能利用率低、受天气影响大的问题，从一定程度上缓解了冬季雾霾加剧的现象，具有一定的商业价值。

　　关键词：壁挂炉；太阳能热泵；意法半导体 32 位处理器；联合供暖

Abstract

　　In recent years, with the increasing of people's living standard as well as the environmental protection consciousness enhancement, the fog haze problem more and more to stimulate the humanism of nerve. Especially in the winter, most require heating areas of northern China, which will further aggravate the fog haze, has severely affected people's life. Therefore, solving theproblem offog isimminent.

　　To solve the problem, with extensive use of natural gas hanging furnace heating system as the main subject, combined with the solar energy heat pump heating system. Hanging furnace heating system compared with the traditional central heating system, can according to oneself circumstance for the adjustment of the heating temperature, heating time, at the same time also can provide significant amounts of life with hot water, but the heating cost is higher than the central heating, a large number of consumption of natural gas. Make full use of solar energy the pollution-free solar heat pump heating system, the inexhaustible new energy, is an important direction of the future energy development. However, restricted by technology is difficult to achieve all-weather stable heating. Natural gas heating system with solar energy heat pump eating system, the combination of mutual complement each other, realize the stability of thecombinedheating systemwork.

　　This article selected direct expansion type solar energy heat pump heating mode for the design of solar energy heat pump heating system design. Selected STM32 series microprocessor as control core of heating system, need to the environment temperature, the acquisition of collector entrance temperature of heat pump and the real-time control of electronic expansion valve, selected the appropriate algorithm, to ensure the maximum use of solar energy and the stable operation of the system. Gas hanging furnace via a serial port to realize communications with solar energy heat pump system, the user can set on gas temperature. When the solar heat pump hot water temperature of the heated wall hanging furnace set temperature higher than natural gas, directly use the hot water for heating; When hot water temperature is lower than the settemperature, youneed toagainafterhangingfurnace heatedto settemperatureforheating.

　　Through the joint control of the two systems, both to solve the heating problems of high cost, large consumption of natural gas, and solved the problem of low utilization rate of solar energy, affected by theweather, from the winterhazeincreased to some extent thephenomenon, hasa certaincommercialvalue.

　　Key Words：Wall hangingfurnace；Solar heatpump；STM32；Combined heating

　　人类文明的进步往往伴随着新科技的出现，而科技的发展又以能源为支撑，而在当今社会，这点就表现的更为明显。能源的大量使用，虽然带动了经济的发展，但同时也严重的伤害了人们赖以生存的环境。经济的发展提高了人们的生活水平，同时也让人们开始真正的意识到环境污染的危害，各国政府也开始制定各种法律法规，希望能从法律层面上对人们破坏环境的行为进行约束。能源是现代工业发展的必需品，但同时也是造成环境污染的“罪魁祸首”，而随着人类对化石能源的无节制的开采，能源危机已经日渐显现。基于此，解决两者之间的平衡和寻找新的出路就显得尤为的重要了。

　　我国的经济在改革开放之后迎来了飞速的发展，人们的生活水平连年提高，而随之而来的污染问题也越来越严重。京津地区作为我国的政治、经济中心，吸引了大量的人才的同时，也带来了严重的空气污染，造成了严重的雾霾。而京津地处北方，在冬季就面临着取暖的问题，而以煤炭、天然气等化石能源为主要供暖原材料进行的集中供暖，由于化石能源燃烧的不够充分，使得排放的烟气中含有大量的细小颗粒物质，加剧雾霾现象，极易引起呼吸道疾病；而化石能源被当作燃料进行燃烧原本就是一种浪费，在此背景下，寻找新型供暖原料才是解决污染问题的根本所在。

　　集中式供暖的使用历来已久，但在现今的大环境下，暴露出太多的弊端。集中式供暖存在浪费、调节不灵活的问题，例如：当白天外出上班时，由于采用集中供暖，无法自行进行关闭，这部分热量被白白浪费；供暖温度无法根据个人的需求进行调节，不能保证温度的舒适性；对于供暖时间无法自行进行控制，不能提前或者滞后的进行供暖。

　　基于此，燃气式壁挂炉逐渐在市场上推广开来，大有取代集中供暖的趋势。在当今的环境污染和化石能源短缺的情况下，更是迎来了更为广阔的市场。存在即合理这个道理在壁挂炉上体现的也很明显，突出的特点是燃气壁挂炉被广大用户接受的根本性原因：

　　第一、供暖系统体积小、结构简单、相比较传统供暖而言，采用天然气代替燃煤，具有干净、高效等特点。

　　第二、传统供暖系统的供暖温度、供暖时间等都是统一的，用户无法根据自身的需求进行调节。而燃气壁挂炉很好的解决了这个问题，供暖温度、供暖时间都能够自我定义。而且，在供暖的同时，还能提供相当量的生活用热水。

　　第三、在供暖的同时，还能提供相当量的生活用热水，极大的方便了人们的生活。

　　但燃气壁挂炉自身也有一定的限制，如供暖费用较集中供暖高、天然气消耗量大的问题，这些问题一定程度上限制了燃气壁挂炉的推广使用。为了能够更好地对壁挂炉的使用进行推广，解决供暖成本高的问题就亟待解决，而利用太阳能热水器供暖系统对燃气壁挂炉系统进行供暖辅助，成为了解决供暖成本的流行方式。但太阳能热水器属于被动采暖，只能在太阳能充足的情况下才能正常工作，当遇到阴雨天或者低温天气，基本上就无法工作。所以，这种联合系统的实际工作效果很差，太阳能热水器的效率低下且很不稳定，极易受到天气的影响。

　　由上文可知，太阳能热水器供暖系统作为燃气壁挂炉供暖系统的辅助供暖系统的效果并不好，而且造成这个问题的原因在于热水器本身存在着种种的缺陷。因此，为彻底的解决这个问题，不能再针对太阳能热水器进行改造，而是用太阳能热泵供暖系统取代太阳能热水系统[1]，作为燃气壁挂炉供暖系统的辅助供暖系统。这两个系统的燃气壁挂炉部分的设计理念相同，差别主要在于太阳能供暖部分。相比较太阳能热水器供暖系统集热的被动性，采用热泵技术的太阳能热泵供暖系统能够更主动的收集太阳能，更好地为燃气壁挂炉系统进行供暖的辅助，从而实现了整个联合供暖系统的实用价值。

　　太阳能辅助供暖系统相关数据：

电子膨胀阀驱动电路图

流量计接口电路图

 
压力变送器接口电路图

写脉冲时序图

控制方案示意图

压缩机工作状态流程图

供暖系统切换图

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　1 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景
　　　　1.2 太阳能的意义
　　　　1.3 中国太阳能分布情况
　　　　1.4 太阳能供暖系统简介
　　　　1.5 燃气壁挂炉供暖简介
　　　　1.6 国内外太阳能热泵系统发展及研究现状
　　　　1.7 燃气壁挂炉与太阳能联合供暖系统存在的问题
　　　　1.8 课题的提出
　　　　　　1.8.1 课题的目的
　　　　　　1.8.2 研究意义
　　　　　　1.8.3 存在的问题
　　　　　　1.8.4 课题的研究内容及方法
　　2 太阳能热泵-燃气壁挂炉联合供暖系统理论分析
　　　　2.1 太阳能热水器-燃气壁挂炉联合供暖系统
　　　　2.2 太阳能热泵-燃气壁挂炉联合供暖系统
　　　　2.3 太阳能热泵供暖系统
　　　　　　2.3.1 太阳能热泵方案的选取
　　　　　　2.3.2 太阳能集热器选取
　　　　　　2.3.3 热泵系统
　　　　2.4 供暖系统热负荷计算
　　　　2.5 太阳能集热器数学模型建立
　　　　　　2.5.1 太阳辐射量计算
　　　　　　2.5.2 真空管集热器基本能量方程
　　　　　　2.5.3 集热器倾斜角度计算
　　　　　　2.5.4 集热器面积计算
　　　　2.6 蓄热水箱数学模型
　　　　2.7 热泵数学模型
　　　　　　2.7.1 热力学第一定律分析
　　　　2.7.2 热力学第二定律分析
　　　　2.8 本章小结
　　3 太阳能热泵-燃气壁挂炉联合供暖系统硬件设计
　　　　3.1 概述
　　　　3.2 控制系统硬件设计
　　　　　　3.2.1 系统主控回路设计
　　　　　　3.2.2 控制系统设计
　　　　3.3 执行机构选型
　　　　　　3.3.1 电子膨胀阀
　　　　　　3.3.2 变频器
　　　　3.4 本章小结
　　4 太阳能热泵-燃气壁挂炉联合供暖系统软件设计
　　　　4.1 系统整体控制结构
　　　　4.2 系统相关参数检测
　　　　　　4.2.1 温度传感器程序设计
　　　　　　4.2.2 TFT-LCD 显示与触摸程序设计
　　　　4.3 系统执行机构的控制
　　　　　　4.3.1 RS485 通讯程序设计
　　　　　　4.3.2 电子膨胀阀控制程序设计
　　　　4.4 系统的供暖方式切换
　　　　4.5 本章小结
　　5 联合供暖系统的优化分析
　　　　5.1 壁挂炉供暖优化
　　　　5.2 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　附录A :电路原理图
　　附录B ：TFT_LCD 引脚图
　　致 谢

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