热泵空调.docx

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热泵空调

摘要

海水空调主要是利用海水的冷量和自然热量来制冷和取暖，主要通过PLC来实现控制，PLC采集空调系统的水源侧的温度、压力、流量传感器所测模拟数据，通过PLC内置模拟输入单元和外接A/D转换模块转换成其支持的数字信号，然后由其内置模拟输出单元把控制信号传送给变频器，进而来控制水泵抽水。

海陆的热力性质差异性海水热泵空调是利用少量电能，从海水中吸取热量或向海水释放热量，从而达到制热或制冷的目的。

它的工作原理是，在夏季将建筑物中的热量转移到海水中，因为海水温度低，可以很高效地带走热量；当在冬季时，就通过热泵的运行，从海水中提取的热量以供给建筑物使用。

海水热泵空调以消耗1千瓦的能量，用户可以得到4至5千瓦以上的热量或冷量的比例，相当环保和高效。

它只是利用海水的温度，而不会对海水造成任何的污染。

关键词：

热泵，海水，PLC，制冷，供暖

ABSTRACT

Seawaterheatpumpusesseawaterasasourceofenergytotheresidentsortoprovidecoolingandheatingplantsoftheunit,asitsenergy-savingeffect,andnopollutionsowidespreadinrecentyears,attentionanddevelopment.Withtraditionalcentralairconditioningelectricity,ornaturalgas,fueloilasanenergysourcedifferentfromtheseawatersourceheatpumpdoesnotneedtheconventionalenergy,watersourceheatpumpusingsurfacewaterorgroundwaterasasourceofenergy,conservationoftraditionalenergy.Specificallydescribed,becauseinthewinterandsummer,groundwaterorsurfacewaterofthedegreeofrelativestability,andthegroundarerelativelylargedifferencebetweenair,waterheatpumpcanextractthiskindofenergytothebuildingheatingorcooling.Witheconomicdevelopmentandrisinglivingstandardsofpeople,publicbuildingsandresidentialheatingandcoolinghasbecomeacommonneed.

Seawaterairconditioningistousecoldseawaterandthenaturalheattocoolingandheating,mainlyachievedthroughthecontrolofPLC,PLCcollectingwatersideair-conditioningsystemtemperature,pressure,flowsimulationdatameasuredbysensors,built-inanaloginputthroughthePLCunitandexternalA/Dconvertermoduleconvertsthedigitalsignalofitssupport,thenitsbuilt-inanalogoutputmoduletocontrolsignalstransmittedtothetransducer,andthentocontrolthepumppumping.Thermodynamicpropertiesofseawaterheatpumpdifferenceistheuseofasmallamountofelectricalenergy,todrawheatfromthewaterorreleaseheattothewater,soastoachievethepurposeofheatingorcooling.Itworks,inthesummerheatinthebuildingtransferredtothewater,becausewatertemperatureislow,theheatcanbeeffectivelyremoved;wheninwinter,onthroughtheheatpumpoperation,heatextractedfromseawatertosupplybuildinguse.Waterheatpumptotheenergyconsumptionof1kW,theusercangetfourtofivekilowattsofheatorcoldmorethantheproportionofveryenvironmentallyfriendlyandefficient.Itisonlyusingwatertemperature,waterwillnotcauseanypollution.

Keywords:

heatpump,water,PLC,refrigeration,heating

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章绪论1

1.1海水源热泵空调控制系统的概念和功能1

1.2海水源热泵空调控制系统的特点2

1.2.1属绿色可再生能源利用技术2

1.2.2高效节能2

1.2.3环境效益显著2

1.2.4一机多用，应用范围广，运行简单可靠，自动化程度高2

1.3海水源热泵空调国内外研究和应用现状3

第二章海水源热泵空调控制系统硬件设计4

2.1海水源热泵空调控制系统结构图4

2.2海水源热泵空调控制系统的组成5

2.2.1分集水器5

2.2.2热泵5

2.2.3PLC选型7

2.2.4变频器选型及连线9

2.2.5A/D模块及其功能11

2.2.6温度变送器、流量计和压力传感器16

2.2.7触摸屏19

2.2.8电动阀20

第三章海水源热泵空调控制系统软件设计21

3.1PLC控制程序设计21

3.2PID算法程序设计23

第四章海水源热泵控制系统分析24

4.1海水源热泵技术分析24

4.2海水源热泵受限制情况分析24

4.2.1海水源的利用范围限制24

4.2.2投资的经济性24

4.2.3整体系统的设计25

4.3海水源热泵实例分析25

4.3.1项目投资情况25

4.3.2项目设备运行费用情况概算26

4.3.3该项目的经济效益和环境效益26

第五章结论28

致谢29

参考文献30

附录31

附录1硬件原理图31

第一章绪论

本章主要描述海水源热泵空调控制系统的原理、特点及其在国内外研究发展的现状。

1.1海水源热泵空调控制系统的概念和功能

海水源热泵空调控制系统的概念是利用海水的温度呈现冬暖夏凉的特点，抽取海水到分水器，然后再由分水器分配到不同的热泵中，由热泵实现冷热交换，达到制冷制热的目的，再由集水器把循环后的水收集排到大海中。

本系统主要通过PLC来实现控制，PLC采集温度、压力、流量传感器所测模拟数据，通过其内置模拟输入单元和外接A/D转换模块转换成其支持的数字信号，然后由其内置模拟输出单元把控制信号传送给变频器，进而来控制水泵抽水。

其功能是以海水作为提取和储存能量的基本“源体”，它借助热泵原理，消耗少量电能，在冬季把存于海水中的低品位能量“取”出来，给建筑物供热；夏季则把建筑物内的能量“取”出来释放到海水中，以达到降低室内温度的目的。

图1.1海水源热泵空调系统原理图

1.2海水源热泵空调控制系统的特点

1.2.1绿色可再生能源利用技术

海水源热泵是利用海水作为能量来源向居民或工厂提供制冷和制热的机组，因为其节能效果好，且没有污染所以近年来受到广泛的重视和发展。

与传统的中央空调用电、或者天然气、燃油作为能量来源不同，海水源热泵并不需要这些传统的能源，水源热泵利用地表水或者地下水作为能量的来源，节约了传统的能源。

1.2.2高效节能

跟据调查在发达国家中，供热和制冷的能耗可占到会总能耗的26-30％。

在我们国家的能源结构中主要是依靠矿物燃料，尤其是煤炭。

而且矿物燃料在燃烧时产生了的大量污染物，包括大量二氧化硫氮化物等有害气体以及二氧化碳等室效应气体。

因而，在注意节能和环保的国家中，水源热泵已经得到了非常广泛的应用和发展。

根据相关的专业机构所作的调查和分析，水源热泵的投资和分体式空调制冷＋集中供暖的方式提高18％，而且单位运行费用节省了40％以上。

1.2.3环境效益相当显著

海水源热泵空调技术只需要使用少量的电能，而电能本身为一种清洁能源，其电能消耗，与空气源热泵相比，就相当于减少了30%以上，且与电供暖相比，相当于减少70%以上。

且热泵机组的制冷剂还可以采用R22或者R134A、等等其他系列替代工质，因而它运行没有产生污染，可以放心的建筑在居民区内，没有燃煤、排烟、废弃物，也不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

相当的环保和方便。

1.2.4可以实现一机多用，而且应用范围广，运行简单可靠，低消耗高回报

运用海水冬暖夏凉的特性，冬天从海水中提取的热量以供给建筑物取暖使用，夏天从海水中提却冷水，以供建筑制冷使用。

海水热泵空调以消耗1千瓦的能量，用户可以得到4至5千瓦以上的热量或冷量的比例，相当环保和高效。

它只利用海水的温度，不会对海水造成任何的污染。

机组不但可供暖、制冷的服务，并且还可提供很多生活用水，实现了一机多用。

充分利用了资源，还不产生污染，是低消耗高回报型的。

海水源热泵由于其冷热源形式的特殊性，使得其应用也受到一定的制约。

对于海水源热泵来说，受到海水使用条件（如海水的取用、输配、回排及海水的温度、水量、清洁度等）的限制。

因此，在不同地区不同需求的条件下，海水源热泵的投资经济性会有所不同。

对沿海一线及周围有一定空地（如草坪、停车场等）的建筑或小区，尤其适合使用海水源热泵。

1.3海水源热泵空调国内外研究和应用现状

近日，亚洲供热面积最大、利用海水供冷供热的星海湾水源热泵工程施工现场，7000多平方米的地下室里电焊火花四射，钢材切磨声此起彼伏。

三台热泵机组、管线安装等基本完成，预计到2月10日，整个系统可进入调试阶段。

　　星海湾水源热泵工程将担负为星海建筑群提供空调冷热水及生活热水任务。

一期工程可以带动星海湾游泳馆、会展一期和二期的30万平方米的供热、制冷。

三期工程的供热供冷可达200万平方米。

　　热泵技术可以把不能直接利用的低位热源，如空气、土壤、水中所含的热能及太阳能、工业废热等，转换为可以利用的高位热能。

　　星海湾水源热泵机组单台产能供热为8兆瓦，供冷为10兆瓦，比常规机组减少25％制冷剂充灌量，冬季可节省燃煤40％，夏季可省50％60％，可以减少大量二氧化碳和二氧化硫的释放。

1995年，开发低温热源的利用，获我国唯一水源热泵发明专利。

1996年开始推广应用，是我国水源热泵的真正缔造者。

之后又开发出海水、城市污水、地表水、工业余热、油田回注水等项目，是我国水源热泵的真正领航者。

北京友谊医院座落于北京市宣武区，为三级甲等医院。

病房楼、医技楼建筑面积8万平米，原为燃煤锅炉供暖、分体空调制冷，现全部采用富尔达地温中央空调机组，使用效果良好。

其中，一期工程37400平方米，选用34台LSQR-90型机组，2000年3月开始施工，同年6月正式运行。

二期工程4.2万平方米，选用12台LSBLGR-290型机组，2001年3月开始施工，同年6月正式运行。

经实测和计算，冬季供暖150天平均费用为16.90元/平方米，夏季制冷120天平均费用为10.14元/平方米。

三期工程5.2万平方米新建门诊楼选用10台LSBLGR-530H型机组,于2003年6月投入使用,四期工程干部保健楼5万平米，于2008年12月投入使用。

2002年4月，国际奥委会和2008年北京奥运会组委会有关领导视察了该医院，对绿色环保的富尔达地温中央空调给予高度评价，并确定友谊医院为2008年奥运会指定医院。

第二章海水源热泵空调控制系统硬件设计

本章主要讲述海水源热泵空调控制系统的硬件选型、引脚功能、控制过程以及各设备之间的连接方式。

设备选择是整个系统建立控制的第一重要环节，于此同时还要重视下设备之间的连接方式以及信号的传送。

2.1海水源热泵空调的控制系统的结构图

图2.1系统控制结构图

如上图所示为海水源热泵空调控制系统，它是通过PLC的控制来运行的，PLC采集收索温度、压力、压差、流量等传感器所测模拟数据，它通过其内置模拟输入单元及外接A/D转换模块转换成其支持的数字信号，然后由其内置模拟输出单元把控制信号传送给变频器，进而来控制水泵抽水。

PLC是通过RS232与触摸屏进行通信，方便技术人员检测调试和设备维护。

整个系统的控制过程在PLC的参与下进行，一般无需人工操作，所以整个控制系统处在一个安全、环保、方便的环境下。

2.2海水源热泵空调的控制系统组成

2.2.1分集水器

图2.2分集水器结构图

分集水器是用于连接各路加热管供回水的配水和汇水的装置。

分集水器是地暖系统的一个装置，具有地面辐射供暖系统而言十分重要。

　分、集水器（manifold）是水系统中，用于连接各路加热管供、回水的配、集水装置。

按进回水分为分水器，集水器。

所以称为分集水器或集分水器，俗称分水器。

地暖、空调系统中用的分水器材质宜为紫铜或黄铜、自来水供水系统户表改造用的分水器多为PP或PE材质。

供回水均设排气阀，很多分水器供回水还设有泄水阀。

供水前端应设“Y”型过滤器。

供水分水管各支管均应设阀门，以调节水量的大小。

 用途

　　分系统中的，分集水器管理若干的支路管道，并在其上面安装有排气阀，自动恒温阀等，一般为铜质较多。

口径小，多位DN25-DN40之间。

进口产品较多。

　　2.空调水系统，或其它的工业水系统中的，同样管理若干的支路管道，分别包括回水支路和供水支路，但其较大多位DN350-DN1500不等，用钢板制作，属于压力容器类专业制造公司，其需要安装压力表温度计，自动排气阀，安全阀，放空阀等，2个容器之间需要安装压力调节阀，且需要有自动旁通管路辅助。

　　3.自来水供水系统，分水器的使用有效的避免了自来水管理方面的漏洞，集中安装、管理水表，并且配合单管多路使用降低了管材采购成本，而且极大的降低了施工时间，提高了效率。

自来水分水器通过异径直接连接于铝塑主管道，在水表池（水表房）中集中安装水表，做到一户一表，户外安装、户外查看。

目前全国各地户表改造正在大范围进行中。

2.2.2热泵

热泵技术是近年来在全世界倍受关注的新能源技术。

人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。

而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。

热泵的工作原理

　　作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温区流向低温区。

但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。

所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象（温度较高的物体），其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。

　　热泵在工作时，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，通过传热工质循环系统提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技术可以节约大量高品位能源。

　　在运行中，蒸发器从周围环境中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了储水箱中的水。

冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。

　　余热利用的强力工具--热泵　　水从高处流向低处，热由高温物全传递到低温物体，这是自然规律。

然而，在现实生活中，为了农业灌溉、生活用水等的需要，人们利用水泵将水从低处送到高处。

同样，在能源日益紧张的今天，为了回收通常排到大气中的低温热气、排到河川中的低温热水等中的热量，热泵被用来将低温物体中的热能传送高温物体中，然后高温物体来加热水或采暖，使热量得到充分利用。

热泵蒸发流程图

热泵的工作原理和家用空调、电冰箱等的工作原理基本相同，通过流动媒体（以前一般为氟利昂，现在由替代氟利昂所代替）在蒸发器、压缩机，冷凝器和膨胀阀等部品中的气相变化（沸腾和凝结）的循环来将低温物体的热量传递到高温物体中去。

　　具体工作过程如下：

①过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气体媒体。

②蒸发器出来的气体媒体经过液压缩机的压缩，变为高温高压的气体媒体。

③高温高压的气体媒体在冷凝器中将热能释放给给高温物体、同时自身变为高压液体媒体。

④高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，循环最初的过程。

　　热泵的性能一般用成绩系数（COP）来评价。

成绩系数的定义为由低温物体传到高温牧体的热量与所需的动力之比。

通常热泵的成绩系数为3-4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。

现在欧美日都在竞相开发新型的热泵。

据报导新型的热泵的成绩系数可6到8。

如果这一数值能够得到普及的话，这意味着能源将得到更有效的利用。

热泵的普及率也将得到惊人的提高。

目前热泵的最高出力温度为110度左右。

超过这个温度将有可能出现使媒体分解的危险。

　　由于氟利昂对地球大气臭氧有破坏作用，为了保护地球的生态环境，除了提高热泵的成现系数，有效利用能源以外，各国科学还致力于新型冷冻媒体的开发。

目前已有替代氟利昂的媒体得到应用。

　　热泵热水系统包括热泵主机和换热储水箱两部分。

热泵主机部分包括风冷式蒸发器、压缩机及膨胀阀；换热储水箱为内置冷凝盘管的储热水箱。

冷媒（工质）在蒸发管内吸收环境空气中的热量，通过热泵循环由冷凝盘管在水箱内释放热量，加热水箱中的水。

　　要搞清楚热泵的工作原理，首先要懂得制冷系统的工作原理。

制冷系统（压缩式制冷）一般由四部分组成：

压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。

其工作过程为：

低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器里从低温热源（例如冷冻水）吸热并气化。

然后压缩机抽取蒸发器里气化后的制冷剂气体并压缩到冷凝器内，此时制冷剂气体变成高温高压气体。

该高温高压气体在冷凝器内被高温热源（例如冷却水）冷却凝结成液体，变成高温高压液体制冷剂。

再经节流阀截流成低温低压液态制冷剂。

如此就完成一个制冷循环。

　　对于一台分体式热泵空调来说，夏天制冷时就是把冷凝器放在室外，而把蒸发器放在室内。

运行时就把室内的热量输送到了室外。

而冬季则把蒸发器放在室外，把冷凝器放在室内，这样就把室外的热量输送到了室内。

当然我们不会换季时去拆装设备了，而是通过体格转换阀使蒸发器和冷凝器换位的。

热泵空调里面有一个四通换向阀。

在制冷工况下，室内热交换器就是蒸发器，室外热交换器（夏天往外呼呼出热风的那个东西）就是冷凝器。

冬季供热的时候，四通换向阀切换，改变冷媒的流向，此时，室内热交换器就是冷凝器，室外热交换器（冬天往外呼呼出冷风的那个东西）就是蒸发器。

由于冬季往外出冷风，换热器要结霜，所以等结霜到一定程度时，四通换向阀再切换，空调变成夏季制冷工况，室外热交换器得到热量，化霜，化霜完毕后，四通阀再切换到制热状态。

除霜时，为了防止向室内吹冷风，故室内机的风机停止运转。

　　热泵是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，它被形象的称为“热量倍增器”。

目前在市场上广泛出现的家用冷暖空调器上，就已经广泛地应用了热泵制热，其制热系数已高达3以上。

那么，利用热泵的原理来制取热水，消耗一度电所获得的热水，比普通电热水器消耗三度电所获得的热水还要多，这是传统热水器所不能企及的。

2.2.3PLC选型

PLC=ProgrammablelogicController，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

:

PLC实体图

PLC的工作原理

　　一.扫描技术　　当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（二）用户程序执行阶段　　在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

　　即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

　　在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

　　（三）输出刷新阶段　　当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

PLC的特点

可靠性高，抗干扰能力强

　　高可靠性是电气控制设