CN116610058B - 一种空气能热泵节能运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于暖通技术领域，公开了一种空气能热泵节能运行控制系统，包括MCU芯片、一个控制模块和多个控制单元；其中控制模块包括运算放大器U1A、运算放大器U2A、运算放大器U3A和运算放大器U6A，运算放大器U1A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，反相端分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端、运算放大器U2A的反相端，运算放大器U2A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，电阻R3的另一端连接电源信号。本发明对多个热泵在不同时段的功耗进行选择和限制，限制总功耗时，使多个热泵的功率在选择时段所对应的总功耗下自由平衡，提高整个系统的能效。

Description

一种空气能热泵节能运行控制系统

技术领域

本发明属于暖通技术领域，尤其涉及一种空气能热泵节能运行控制系统。

背景技术

空气热泵是一种利用空气作为热源，将低温热能转移到室内高温区域的设备，其主要工作原理是通过压缩机、换热器、膨胀阀等组成的制冷循环系统，将低温的空气中的热能吸收到制冷剂中，然后将制冷剂压缩升温，释放出高温热量，从而实现室内供暖或制冷。具体来说，空气热泵的工作过程分为以下几个步骤：吸收热能：空气热泵中的换热器会吸收低温空气中的热能，将其传输到制冷剂中；压缩制冷剂：经过吸收热能后，制冷剂被压缩机压缩成高温高压气体，同时增加了其内能；释放热量：高温高压制冷剂通过换热器释放出热量，将热量传递到室内，从而实现供暖或制冷；膨胀：高温高压制冷剂通过膨胀阀膨胀成低温低压气体，减少了其内能，然后重新回到换热器吸收热量，循环往复。

办公楼宇中往往存在多个热泵，这些节能控制需要在多个热泵的运行过程中，通过对负荷进行均衡分配，避免单一热泵长时间超负荷运行，从而提高整个系统的能效。

公开号为CN215932388U的中国专利是通过采集交流频率输出PWM信号控制空气源热泵的核心部件为压缩机工作，但没有解决的问题是如何对多个热泵在不同时段的功耗进行选择和限制，限制总功耗的同时，使多个热泵的功率进行自由平衡。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种空气能热泵节能运行控制系统，包括MCU芯片、一个控制模块和多个控制单元；

其中控制模块包括运算放大器U1A、运算放大器U2A、运算放大器U3A和运算放大器U6A，运算放大器U1A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，反相端分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端、运算放大器U2A的反相端，运算放大器U2A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，电阻R3的另一端连接电源信号；运算放大器U1A的输出连接电阻R16的一端，运算放大器U2A的输出分别连接二极管D2的正极、电阻R10的一端、电阻R12的一端；运算放大器U3A的同相端连接P1，反相端分别连接电阻R7的一端、电阻R8的一端，运算放大器U3A的输出端分别连接电阻R13的一端、电阻R8的另一端、NMOS管Q3的栅极；电阻R16的另一端分别连接电阻R11的一端、电阻R9的一端、二极管D1的正极；电阻R11的另一端连接三极管Q1的集电极，电阻R10的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R9的另一端连接发光二极管LED1的正极，电阻R12的另一端连接发光二极管LED2的正极，电阻R6的另一端、发光二极管LED1的负极、三极管Q1的发射极、发光二极管LED2的负极分别接地；控制模块的总功率设置通过MCU芯片对I1和I2进行设置；

二极管D2的负极连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的源极分别连接运算放大器U6A的同相端、发光二极管LED3的正极，NMOS管Q3的栅极分别连接运算放大器U3A的输出端、电阻R13的一端，发光二极管LED3的负极、电阻R13的另一端分别接地。

进一步地，控制模块还包括电阻R6、电阻R7，电阻R6的一端分别连接P1、运算放大器U3A的同相端，另一端接地；电阻R7的一端分别连接电阻R8的一端、运算放大器U3A的反相端，另一端接地。

进一步地，控制模块还包括电阻R29、电阻R30，电阻R29的一端连接电源，另一端分别连接运算放大器U6A的反相端、电阻R30的一端，电阻R30的另一端接地，运算放大器U6A的输出连接O/1。

进一步地，控制模块还包括电阻R1和可调电阻R2，电阻R1的一端连接电源，另一端分别连接运算放大器U1A的同相端、运算放大器U2A的同相端，另一端连接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端接地。

进一步地，所述控制单元包括运算放大器U4A、运算放大器U5A、可调电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、发光二极管LED4、电阻R14、电阻R15和二极管D3；可调电阻R17的第一定引脚连接P2，第二定引脚接地，动引脚分别连接电阻R20的一端、电阻R19的一端、运算放大器U4A的同相端、运算放大器U5A的反相端，运算放大器U4A的反相端分别连接电阻R14的一端、电阻R15的一端，电阻R14的另一端分别连接运算放大器U4A的输出端、二极管D3的正极，二极管D3的负极连接P1；电阻R19的另一端分别连接电容C1的一端、电阻R18的一端，运算放大器U5A的输出端分别连接发光二极管LED4的正极、O/1_1，电阻R18的另一端、电容C1的另一端、电阻R20的另一端、发光二极管LED4的负极、电阻R15的另一端分别接地。

本发明的有益效果如下：

本发明在运行过程中，对多个热泵在不同时段的功耗进行选择和限制，限制总功耗时，使多个热泵的功率在选择时段所对应的总功耗下自由平衡，对自由平衡状态下，对功耗上升热泵进行抑制，从而提高整个系统的能效。

附图说明

图1本发明的控制模块电路原理图；

图2本发明的控制单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明公开的空气能热泵节能运行控制系统包括MCU芯片(图中未示出)、一个控制模块和多个控制单元，一个控制单元控制一个空气热泵，若有多个空气热泵，则有多个控制单元，控制单元的数量与空气热泵的数量相同。其中控制模块包括运算放大器U1A、运算放大器U2A、运算放大器U3A和运算放大器U6A，运算放大器U1A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，反相端分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端、运算放大器U2A的反相端，运算放大器U2A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，电阻R3的另一端连接电源信号；运算放大器U1A的输出连接电阻R16的一端，运算放大器U2A的输出分别连接二极管D2的正极、电阻R10的一端、电阻R12的一端；运算放大器U3A的同相端连接P1，反相端分别连接电阻R7的一端、电阻R8的一端，运算放大器U3A的输出端分别连接电阻R13的一端、电阻R8的另一端、NMOS管Q3的栅极；电阻R16的另一端分别连接电阻R11的一端、电阻R9的一端、二极管D1的正极；电阻R11的另一端连接三极管Q1的集电极，电阻R10的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R9的另一端连接发光二极管LED1的正极，电阻R12的另一端连接发光二极管LED2的正极，电阻R6的另一端、发光二极管LED1的负极、三极管Q1的发射极、发光二极管LED2的负极分别接地；控制模块的总功率设置通过MCU芯片对I1和I2进行设置。

二极管D2的负极连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的源极分别连接运算放大器U6A的同相端、发光二极管LED3的正极，NMOS管Q3的栅极分别连接运算放大器U3A的输出端、电阻R13的一端，发光二极管LED3的负极、电阻R13的另一端分别接地；

控制模块还包括电阻R6、电阻R7，电阻R6的一端分别连接P1、运算放大器U3A的同相端，另一端接地；电阻R7的一端分别连接电阻R8的一端、运算放大器U3A的反相端，另一端接地。

控制模块还包括电阻R29、电阻R30，电阻R29的一端连接电源，另一端分别连接运算放大器U6A的反相端、电阻R30的一端，电阻R30的另一端接地，运算放大器U6A的输出连接O/1。

控制模块还包括电阻R1和可调电阻R2，电阻R1的一端连接电源，另一端分别连接运算放大器U1A的同相端、运算放大器U2A的同相端，另一端连接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端接地。电阻R1和可调电阻R2可替代I/1和I/2，对控制模块的总功率设置进行设置。

控制单元包括运算放大器U4A、运算放大器U5A、可调电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、发光二极管LED4、电阻R14、电阻R15和二极管D3。可调电阻R17的第一定引脚连接P2，第二定引脚接地，动引脚分别连接电阻R20的一端、电阻R19的一端、运算放大器U4A的同相端、运算放大器U5A的反相端，运算放大器U4A的反相端分别连接电阻R14的一端、电阻R15的一端，电阻R14的另一端分别连接运算放大器U4A的输出端、二极管D3的正极，二极管D3的负极连接P1。电阻R19的另一端分别连接电容C1的一端、电阻R18的一端，运算放大器U5A的输出端分别连接发光二极管LED4的正极、O/1_1(如果有N个控制单元，则为O/1_N)，电阻R18的另一端、电容C1的另一端、电阻R20的另一端、发光二极管LED4的负极、电阻R15的另一端分别接地。可调电阻R17在初始状态时根据负载类型和功率进行手动调节，目的是电路总功率不超出最大输出。

运算放大器U1A和运算放大器U2A组成的输出代表选择不同用电时段的多个热泵总用电功耗，发光二极管LED1、LED2指示运算放大器U1A和U2A的输出状态。

运算放大器U1A和运算放大器U2A的同相端输入信号有两种方式，第一种方式是通过电阻R1、可调电阻R2分压提供，通过可调电阻R2旋钮调节控制运算放大器U1A或运算放大器U2A输出的大小；第二种方式通过MCU芯片输入I/1、I/2信号控制U1A或U2A的输出值大小，当MCU芯片输入控制时，电阻R1、可调电阻R2需要和运算放大器U1A、运算放大器U2A断路，或采用跳线或转换开关控制电阻R1、可调电阻R2和运算放大器U1A、运算放大器U2A断路；运算放大器U1A和运算放大器U2A反相端通过电阻R3、电阻R4、电阻R5提供不同阈值。

运算放大器U1A的输出经电阻R16后，一路经电阻R9、发光二极管LED1回地；另一路经二极管D1到NMOS管Q3漏极。U2A输出时，一路经电阻R10、三极管Q1，使U1A的输出经电阻R11、三极管Q1回地；一路经电阻R12、发光二极管LED2回地；另一路经二极管D2到NMOS管Q3漏极。

运算放大器U1A因电阻R16、电阻R9、发光二极管LED1回路使运算放大器U1A和运算放大器U2A分别输出不同幅值电压。

控制单元根据热泵数量设置，每个热泵设置一个控制单元。每个控制单元的P1和运算放大器U3A的同相端连接，表示经运算放大器U3A反相增益后的输出量反馈到NMOS管Q3栅极，使NMOS管Q3拥有不同的导通条件。Q3导通表示在不同选用电时段选择数量的热泵所用电功耗超出设置阈值，总用电功耗的阈值可通过运算放大器U3A的电阻R7、R8的负反馈倍数选择。NMOS管Q3导通后，运算放大器U6输出信号到O/1。

每个热泵控制单元的运算放大器U4A同相端输入的是热泵使用功率的电流采样信号，经过运算放大器U4A放大后进行输出，热泵和热泵控制单元经P2连接到可调电阻R17进行采样后反馈，同时，一路反馈到运算放大器U5A反相端，另一路经过电阻R19、电容C1、反馈到运算放大器U5A同相端，运算放大器U5A反相端幅值大于运算放大器U5A同相端，电阻R19阻值小于电阻R18阻值，当热泵用电功率上升时，电流增加，经电阻R17反馈后，运算放大器U5A反相端和C1电位上升；当热泵用电功率下降时，电容C1反馈到运算放大器U5A同相端的电压要滞后于运算放大器U5A的反相端，此时运算放大器U5A输出信号；U5输出信号表示热泵用电功率下降。

上述元件的动作过程，使得每一级电路的信号反馈具备后，在总功率的控制下，任一热泵功率导致超出总功率后锁定超出的热泵，等其余热泵或被锁定的热泵任一下降时，解除锁定，代表当前没超出总功率，此时状态是任一热泵的用电都可以自由上升，但不超过总功率。

热泵实际使用功率是控制单元经过可调电阻R17采集的，多个控制单元采集信号汇总到控制模块，控制模块的总功率设置通过电阻R1和可调电阻R2进行设置，通过可调电阻R2可调节总功率。

每个时段例如电价高峰和低谷时期对应I/1和I/2，代表这两个用电时间内，总线上的功率限制幅值。控制单元采集实际用电功率后反馈的信号给控制模块和其下级需要用的地方。

O/1、O/1_1、O/1_2…、O/1_N等接口和MCU芯片的GPIO通用口连接，当运算放大器U6A输出信号时，经O/1反馈到MCU芯片，MCU芯片对O/1_1、O/1_2…至O/1_N无信号输出的所对应的热泵控制PWM上调信号进行锁定。当对应热泵实际调节信号下调时，任一控制单元的运算放大器U5A输出，MCU解除其锁定，等待运算放大器U6A再次输出时锁定。PWM仅对上调信号锁定的实现方式为：若PWM脉冲信号通过RC振荡时，MCU对热泵的数字电位器(图中未标出，为本领域现有技术)的DIN引脚信号，根据连接方向置位低电平或高电平，实现锁定。MCU芯片的型号，本实施例对此不做限定，如XC800系列，TMS320系列芯片都可用于本实施例。

本发明的有益效果如下：

本发明在运行过程中，对多个热泵在不同时段的功耗进行选择和限制，限制总功耗时，使多个热泵的功率在选择时段所对应的总功耗下自由平衡，对自由平衡状态下，对功耗上升热泵进行抑制，从而提高整个系统的能效。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。

综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种空气能热泵节能运行控制系统，其特征在于，包括MCU芯片、一个控制模块和多个控制单元；

其中控制模块包括运算放大器U1A、运算放大器U2A、运算放大器U3A和运算放大器U6A，运算放大器U1A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，反相端分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端，电阻R4的另一端分别连接电阻R3的一端、运算放大器U2A的反相端，运算放大器U2A的同相端连接MCU芯片的I/1、I/2信号，电阻R3的另一端连接电源信号；运算放大器U1A的输出连接电阻R16的一端，运算放大器U2A的输出分别连接二极管D2的正极、电阻R10的一端、电阻R12的一端；运算放大器U3A的同相端连接P1，反相端分别连接电阻R7的一端、电阻R8的一端，运算放大器U3A的输出端分别连接电阻R13的一端、电阻R8的另一端、NMOS管Q3的栅极；电阻R16的另一端分别连接电阻R11的一端、电阻R9的一端、二极管D1的正极；电阻R11的另一端连接三极管Q1的集电极，电阻R10的另一端连接三极管Q1的基极，电阻R9的另一端连接发光二极管LED1的正极，电阻R12的另一端连接发光二极管LED2的正极，电阻R6的另一端、发光二极管LED1的负极、三极管Q1的发射极、发光二极管LED2的负极分别接地；控制模块的总功率设置通过MCU芯片对I1和I2进行设置；

二极管D2的负极连接NMOS管Q3的漏极，NMOS管Q3的源极分别连接运算放大器U6A的同相端、发光二极管LED3的正极，NMOS管Q3的栅极分别连接运算放大器U3A的输出端、电阻R13的一端，发光二极管LED3的负极、电阻R13的另一端分别接地；

所述控制模块包括电阻R6、电阻R7，电阻R6的一端分别连接P1、运算放大器U3A的同相端，另一端接地；电阻R7的一端分别连接电阻R8的一端、运算放大器U3A的反相端，另一端接地；

所述控制单元包括运算放大器U4A、运算放大器U5A、可调电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、发光二极管LED4、电阻R14、电阻R15和二极管D3；可调电阻R17的第一定引脚连接P2，第二定引脚接地，动引脚分别连接电阻R20的一端、电阻R19的一端、运算放大器U4A的同相端、运算放大器U5A的反相端，运算放大器U4A的反相端分别连接电阻R14的一端、电阻R15的一端，电阻R14的另一端分别连接运算放大器U4A的输出端、二极管D3的正极，二极管D3的负极连接P1；电阻R19的另一端分别连接电容C1的一端、电阻R18的一端，运算放大器U5A的输出端分别连接发光二极管LED4的正极、O/1_1，电阻R18的另一端、电容C1的另一端、电阻R20的另一端、发光二极管LED4的负极、电阻R15的另一端分别接地。

2.根据权利要求1所述的一种空气能热泵节能运行控制系统，其特征在于，控制模块还包括电阻R29、电阻R30，电阻R29的一端连接电源，另一端分别连接运算放大器U6A的反相端、电阻R30的一端，电阻R30的另一端接地，运算放大器U6A的输出连接O/1。

3.根据权利要求1所述的一种空气能热泵节能运行控制系统，其特征在于，控制模块还包括电阻R1和可调电阻R2，电阻R1的一端连接电源，另一端分别连接运算放大器U1A的同相端、运算放大器U2A的同相端，另一端连接可调电阻R2的一端，可调电阻R2的另一端接地。