0 前言

随着社会生活水平的不断提高，人们对其工作、生活的环境提出了更高的要求。舒适、健康、节能、无污染成为新一代空调系统追求的目标。顺其潮流，公司成功开发出应用于辐射板系统的土壤热泵机组。

1 用于辐射板系统土壤热泵机组简介

用于辐射板系统的土壤热泵机组在功能和控制上都有其独特之处。首先机组增设了带热泵功能的新风机系统。新风机不仅为用户常年输送温度适宜的新鲜空气，还要承担室内空气的除湿负荷，防止辐射板凝露，在冬季可增设新风预热功能。再者在控制上体现了以人为本的理念：安全、方便、灵活。系统构成参见土壤热泵机组工作原理图（图1）。

该土壤热泵机组的电控系统较为复杂，主机和新风机是独立的两套制冷系统，它们又通过室内露点温度这个关键参数紧紧地联系在一起，协调工作，为用户营造一个舒适、健康的生活空间。

2 土壤热泵机组电控系统设计

2.1 土壤热泵机组电控设计概述

土壤热泵机组分制冷、制热、通风三种工作模式。

制冷模式：启动机组，新风机启动，并工作于除湿模式，此时，送风机高速运转，新风阀关闭，室内回风的旁通阀开启，排风机不工作，室内风循环除湿，逐渐降低室内的空气露点温度。30分钟后，检测室内的露点温度，若露点温度降到设定温度点t_dew1，送开机信号给主机，主机启动制冷，向辐射板输送冷冻水。主机供水温度的设定值将随室内露点温度的变化作动态的调整。露点温度降到设定温度点t_dew2时，新风阀开启、排风机启动，送风机低速运行，为用户输送新风。

制热模式：新风机和主机同时启动。新风阀开启，送风机低速运转，向室内输送新风。在制热模式，新风可设预热功能，在送风侧设置加湿设备，检测室内的相对湿度，当检测到室内空气干燥，不符合设计要求时，对送风加湿。主机压缩机启动，向辐射板输送适宜的热水。

通风模式：新风阀开启，室内回风的旁通阀关闭，送风机，排风机在高速运行，为用户输送新风。

2.2 土壤热泵机组电控设计要点

2.2.1 露点温度采集：露点温度是土壤热泵机组系统的一个关键参数，在设计中采用了室内相对湿度和干球温度两个参数，利用控制主板单片机内设置好查表程序，间接查出与其相对应的空调区域的露点温度。根据室内露点温度的值控制新风机的工作状态及主机的启停，并要求t_dew1、t_dew2、Δt1、Δt2参数可调。见图2

图1 机组工作原理图
1、新风阀 2、回风旁通阀 3、热回收器 4、排风机 5、送风机 6、翅片换热器
7、四通换向阀 8、压缩机 9、气液分离器 10、室外侧换热器 11、双向过滤器
12、双向热力膨胀阀 13、膨胀水箱 14、室内水泵 15、室外水泵

图2 露点温度设定示意图

2.2.2 冷却吊板供水温度设置：为了提高主机的运行效率，避免主机的频繁启动，主机的供水温度（输送到辐射板）设定值，在一定范围内要求随室内露点温度的变化作动态的调整。露点温度下降了，主机的供水温度设定值也随着下降，增大辐射板的散冷量。

2.2.3 风机自动换档：送风机、排风机应根据机组不同的运行模式，自动换档。在满足系统性能要求的前提下，风机可低速运行，力求系统降耗、降噪。

2.2.4 室内温度设定值优先于主机的供水温度设定值来控制土壤热泵机组的启、停。即当室内温度达到了用户的设定要求，可以控制主机压缩机一台或全部投入、退出运行。

2.2.5 主机采用双机头或多机头组合（除了容量很小的机组，制冷量≤10kW），可进行能量分级调节。

2.2.6 辅助加热功能：制热模式下的新风预热功能：在严寒季节，当新风温度降到设定值时，启动新风预热器，以防换热器的通道内结霜。新风预热器采用PTC陶瓷材料。该类陶瓷发热元件，热阻小、换热效率高，它最突出的优点还在于其工作的安全性能上，即遇风机故障而停转时，PTC加热器因得不到充分的散热，其功率会急剧下降，此时加热器的表面温度维持在居里温度左右（一般在250℃上下），无燃烧危险。

2.2.7 系统可配置远程电话控制，异地开、关机组，提前预冷（热）房间。

2.2.8 系统运行所必须的各种安全保证措施：包括压缩机的排气压力保护、吸气压力保护、过载保护、防冻保护，新风机回路的各种温度保护，三种运行模式之间的互锁等。

2.3 硬件组成（见图3）

图3 硬件构成示意图

PIC16F874单片机是土壤热泵机组控制主板的核心元件，它是美国Microchip公司的产品，带有8路10位的A/D转换器，内部有4K的FLASH存储器，256*8个的EEPROM存储器,五个多功能端口，三个定时器/WDT,该单片机丰富的配置，完全能满足空调类控制器的需要。控制主板采用了同一型号的两片单片机，一片单片机专用于露点温度的采集、显示及露点温度、控制信号的输出。另一片单片机用于新风机和主机的控制。

主控板在电路设计、元器件的选择、印制线路板的设计、布线与制造工艺等方面都考虑了系统的电磁兼容性。其主要措施包括：接地、滤波、隔离。印制线路板方面包括：线路板合理分区、区分数模地、合理布线、铺地、以减少干扰。

2.3.1 控制板输入、输出量

六路模拟量输入：四路NTC热敏电阻，两路用于主机的供、回水温度检测，两路用于新风系统送、回风温度的检测。

两路4-20mA标准信号输入，用于温、湿度的输入。

开关量输入：包括机组的各种安全保护，异地开机等。

键盘输入：包括开关机组、运行模式选择、参数设定等。

继电器输出：驱动负载包括：压缩机、泵、风机、辅助加热器、控制信号等。

2.3.2 电源电路

该系统中电源电路采用双路独立电源，分别为数、模供电。包括交流变压器（220V/12V）、桥式整流电路、滤波电容、集成稳压电源LM7812CT、MC7805T组成，为电控板提供+12V，+5V的直流电压。

2.3.3 温度采集电路

PIC16F874自带A/D转换电路，温度信号直接采集，简化了外围电路。在该系统中我们采用四路温度信号。两路用于主机供、回水温度的采集。两路用于新风机送、回风温度的采集。四路温度都可在机组控制面板上显示。这样机组在调试运行时，通过供、回水（风）温度，能直接判断出系统的运行状态。

2.3.4 相对湿度、干球温度采集电路

将在现场采集的两路4-20mA温、湿度标准信号，通过标准电阻转换为毫伏电信号，输送给单片机，并通过软件查表的方法，查出与此相对应的露点温度，显示输出。

在模拟量数据的采集时，为防止干扰，本方案采用了数字滤波技术—平均值滤波。平均值滤波对周期性的干扰有良好的抑制作用。

2.3.5 LED显示回路

LED显示回路采用了动态扫描显示。动态扫描虽然多占用了一些MPU的时间,但使用的硬件少,能节约线路板空间。本系统用三组三位LED显示电路，一组用于显示土壤热泵的供、回水温度及机组的运行状态；一组用于显示新风系统的送风、回风温度及机组的运行状态；一组用于显示露点温度。LED采用共阳极七段数码管，由单片机以动态扫描方式驱动，每位扫描时间为3ms，应用程序中使用循环方式对PORTD端口不断地输出数据，并进行转换、显示。循环周期小于20ms，在LED显示数据时，人不会感到有闪烁现象。

2.3.6 开关量、按键输入电路

开关量输入包括各个故障点激活（即常闭触点断开）及异地控制的信号输入。按键输入包括机组开、关机，模式选择，参数调整等。开关量输入、按键输入所使用的单片机引脚都借用了LED位选引脚。采用扫描方式进行循环检测，这样大大减少了硬件资源。按键输入时增加了一段延时小程序，作为防抖动处理，开关键和模式键增加了1s的延迟，以防误操作。开关量信号输入也进行了抗干扰处理，连续读取该信号两次，才能确认该故障信号。

2.3.7 继电器驱动电路

驱动回路采用了ULN2003反向驱动模块，该驱动器是一个集电极开路的七非门电路，具有达林顿输出，驱动能力强。

2.4 软件功能

软件实现的主要功能有：系统初始化，自检程序，数据采集及A/D转换，查表程序，开机程序、关机程序、运行模式判断程序，按键扫描程序、故障扫描程序、扫描显示程序、温度判断程序、故障处理程序、负载驱动程序、延时程序等。

3 实际应用中各参数的设定

机组在实际应用时，可根据不同地区的环境条件，对各参数的设定值作相应的调整。使整个空调系统工作在最佳工作区域里，力求节能、舒适。

4 结束语

从近几年土壤热泵机组运行的情况看，这套电控系统安全可靠，抗干扰能力强，运行效果良好。

参考文献

（1） 刘和平. PIC16F87X单片机实用软件与接口技术. 北京.北京航空航天大学出版社出版.2002

（2） 王术香 《家电科技》 2004. 01 77-79

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