制冷装置自动化课程设计计算说明书.docx
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制冷装置自动化课程设计计算说明书
学号：
课程设计
题目
土壤源热泵空调制冷剂回路控制系统设计
教学院
机电工程学院
专业
班级
姓名
指导教师
2016
年
6
月
5
日
前言
通过本次设计消化和巩固学习的本专业全部理论知识和实际知识，并将它应用到工程实践中去解决工程的实际问题，熟悉有关的技术法规内容，培养施工设计的思维能力和制图技巧及对工程技术的认真态度。
通过此次设计要求掌握设计原理、程序和内容，熟练设计计算方法和步骤。
本文首先通过对土壤源热泵（土壤—水）机组工作原理的分析，根据土壤源热泵机组各部件运行特点，提出了对小型土壤源热热水器的整体控制方案,并接合当代高速发展的微电子技术，考虑控制器的经济性、稳定性、可靠性，采用单片机嵌入式系统设计开发了针对土壤源热泵机组的控制系统。
通过该控制系统可以实现热泵机组的自动运行，空调房间温度的自动控制和机组各部件的运行保护。
该控制系统可以通过串口与计算机连接，实时显示各检测点数据。
然后结合当前小型土壤源热泵的应用特点，设计开发了附加的远程控制系统，可以通过用户电话线实现远程控制。
能源和环境问题是当今世界各国面临的重大问题，清洁可再生能源的利用问题更成为我们面临的重要课题。
热泵正好以其节能、清洁无污染而受到了人们的重视，从而在近些年得到了迅猛的发展。
土壤源热泵是一种利用浅层地热资源向建筑物供热、空调的装置。
这种技术以其节能效果明显、符合环保要求等特点引起了世界各国的重视，同时也符合社会大众在生活水平提高后追求个体生活与环境和谐并存的要求。
通过热泵技术，可以达到节能和提高能量使用效果的目的。
但是，这又依赖于热泵机组的稳定、安全、可靠、高效的运行。
除了机组本身合理的设计之外，对热泵机组的各部件以及整机运行的控制和保护是保证热泵机组稳定、安全、可靠、高效运行必不可少的条件。
目录
前言II
1.土壤源热泵概况2
1.1土壤源热泵的定义2
1.2土壤源热泵的技术特点2
1.3热泵空调装置自动控制系统的特点3
1.4土壤源热泵应用的控制器现状3
2.土壤源热泵机组及其控制原理4
2.1土壤源热泵机组工作原理4
2.2热泵系统工作原理5
3.地源热泵空调机组的自动控制6
3.1热泵装置的自动控制内容6
3.2热泵装置的自控目标6
3.3热泵装置的控制方式6
3.4空调房间系统的自动调节7
4.热泵机组内部制冷剂回路装置的控制8
4.1压缩机控制8
4.1.1压缩机的能量调节9
4.1.2压缩机的保护控制9
4.2四通阀控制10
4.3流量调节11
4.4温度控制11
4.5压力控制12
4.6压力保护12
5总结13
参考文献14
附录14
1.土壤源热泵概况
1.1土壤源热泵的定义
热泵是一种从低温热源汲取热量，使其在较高的温度下作为可以利用的有用热能的装置。
土壤源热泵是一种利用地下浅层低温地热资源（常温土壤或地下水）的既可供热又可制冷的高效节能热泵系统。
1.2土壤源热泵的技术特点
土壤源热泵利用地下土壤吸热和排热，研究表明：
在地下5m以下的土壤温度基本上不随外界环境变化而改变，且约等于当地年平均气温，可以分别在冬、夏两季提供较高的蒸发温度较低的冷凝温度；因此，土壤是一种比空气更理想的热泵热（冷）源，与空气源热泵相比，土壤源热泵主要有以下技术优势。
1．可实现区域控制，便于物业管理。
2．环保无污染土壤源热泵利用地下土壤作为冷热源，既没有燃烧、排烟，也没有空气源热泵的噪音和热污染，同时，也不需要堆放燃料和废弃物的场所。
3．符合可持续发展的要求土壤源热泵是利用地下土壤能源资源作为热泵低品位能源进行能源转换的供暖、空调装置。
4．一机多用、用途广泛、使用寿命长该热泵机组既可供暖，亦可空调，同时还能提供生活用热水，一机多用。
此外，机组寿命长，平均可运行20年以上。
5．结构紧凑，节省机房面积不需大型冷冻机房和锅炉房，不需冷却塔，不影响建筑美观。
小规格机组形式多样，可直接安装在室内，与室内装修融为一体。
6．节能效果显著、机组性能系数高、维修费用低地下土壤温度一年四季相对稳定（约为1220℃），冬季比外界环境空气温度高，夏季比环境温度低，运行效率高，节省运行费用。
运行稳定、可靠。
1.3热泵空调装置自动控制系统的特点
热泵空调装置是为完成某种工艺介质的温度、湿度等一系列要求的机器或设备。
他包括两大部分，一是完成冷媒循环的制冷、制热工艺系统，一是实现装置的安全稳定运行的自动控制系统。
充分认识空调装置自动控制系统的特点，是自动实现制冷、制热工艺系统热工参数调节和控制，以及装置正常工作的保证。
1．控制对象的特性制冷空调系统自动控制的主要任务是维持空调房间一定的温度、湿度，控制效果很大程度上取决于空调系统本身，而不是自控部分，所以，了解空调对象的特性，是很关键的一个方面。
控制器主要特性参数包括放大系数K，时间常数T和纯时延时间τ。
2．干扰多空调系统的干扰分为外扰和内扰，外扰主要是送风及围护结构传热的扰动，内扰就是指房间内电器、照明散热、工艺设备起停以及室内外物品流动等变化对室内温、湿度产生的影响。
3．温度与湿度的相关性和空调系统的整体控制性制冷空调系统中主要是对温度和相对湿度进行控制，这两个参数常常是在一个控制对象里同时进行调节的两个被调量，两个参数在控制过程中相互影响。
如房间温度升高时，在含湿量不变的情况下，则相对湿度下降，因此在自控中要充分考虑到温、湿度的相关性。
空调自控系统是以空调房间的温、湿度控制为中心，通过工况转换与空气处理过程，每个环节紧密联系在一起的整体控制系统，任意环节有问题，都将影响空调房间的温、湿度控制，甚至整个系统无法工作等。
1.4土壤源热泵应用的控制器现状
目前，由于土壤源热泵机组在我国应用的还不广泛，所以，专门针对土壤源热泵机组的控制器还不多。
为了保证机组的稳定、可靠运行，一般是采用用于制冷空调中的通用可编程控制器。
由于这种控制器是针对制冷空调设备的，故其与热泵机组不一定能达到很好的匹配。
输入、输出控制端也不尽相同，且由于其设计的通用性，也带来了价格昂贵，操作复杂等缺点，这些均不利于热泵，特别是小型、户型热泵的推广。
2.土壤源热泵机组及其控制原理
2.1土壤源热泵机组工作原理
土壤源热泵（GSHP）是一种利用地下浅层地热资源的既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。
土壤源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），即可实现热量从低温热源向高温热源的转移，地热能资源分别在夏季和冬季作为高温热源和低温热源。
在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后供给室内采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到地层中去，并且常年能保证地下温度的均衡。
土壤源热泵系统：
图2-1土壤源热泵工作原理示意图
注：
详图见附录附图1
地源热泵机组在工作时与传统的热泵循环一样，它本身消耗一部分电能，把
环境介质中贮存的能量加以挖掘，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。
地源热泵装置，主要由
蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等部分组成，通过让工质（制冷剂）不断完成
蒸发、压缩?
、冷凝?
、节流?
、再蒸发的热力循环过程，实现冷、热量转移以达到制冷、制热的功效。
2.2热泵系统工作原理
压缩式热泵空调机组主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和四通换向阀
组成。
压缩机是系统的心脏，用来压缩和输送循环工质从低压处入到高温高压处
出;月彭胀阀对工质起到节流降压作用，并能调节循环工质的流量;蒸发器是输出
冷量的设备，它使来自膨胀阀节流降压的循环工质在其中蒸发并吸收被冷却物体
的热量，达到制冷的目的;冷凝器是热量输出设备，它将工质从蒸发器吸收的热
量以及压缩机做功所转换的热量传递给冷却介质，以达到制热的目的
插热泵系统工作原理图
图2-1土壤源热泵系统原理图
注：
详细见附录附图2土壤源热泵系统原理图
3.地源热泵空调机组的自动控制
3.1热泵装置的自动控制内容
一般来说，热泵装置自动化包括一下内容:
1对其工艺参数（如压力、温度、湿度、流量等）的自动检测。
参数检测是
实现控制的依据。
2对工艺参数进行自动调节，使之恒定或者按一定规律变化。
对一台自动操
作的热泵装置，首先期望的是维持被控对象的温度恒定在一定范围。
对被控对象
（如房间）来说，热泵本身就是就是这个大自控系统的一部分。
3对热泵机组的自动控制，根据规定的操作程序，对机器、设备执行一定的
顺序控制或程序控制。
如压缩机、四通阀、水泵等的启动于停止。
4自动保护。
在机组工作异常，某些参数达到警戒值时，应使设备停机或执
行保护性操作，并发出声、光报警信号。
3.2热泵装置的自控目标
通过对热泵机组的自动控制，实现对被控对象参数的自动调节以及机组各主
要部件的保护，以使其达到安全性、高效性、经济性、舒适性要求。
3.3热泵装置的控制方式
针对热泵机组组成系统的主要部件（压缩机、蒸发器等），以经典控制理论
为基础，将它们逐个作为小对象进行有关参数的调节，构成单回路的并联控制系
统。
目前的热泵控制应用中，控制件多为机械式的双位调节或比例调节以及一些
保护继电器。
这种模式能够对参数进行一定的调节以保证装置正常安全运行，实
现必要的工艺目的。
电子式控制（如应用电子膨胀发，电磁阀等），能够以标准
电信号传输信息的电脑型调节装置，它传感快，能迅速获得装置运行中的测量值
信号，可以运用现代空理论中各种控制技术和控制方式，由微电脑给出调节规律
并迅速执行调节作用。
目前，各种新的控制技术正在不断的应用与研究。
如:
模
糊控制的应用，遗传算法与各种优化算法对电子膨胀阀的应用，应用模糊控制对
压缩机进行能量调节等。
3.4空调房间系统的自动调节
一般作为住宅、办公用的热泵机组，其调节系统原理图如图
绘温度控制原理图
图3-1温度控制原理图
空调房间作为调节对象，被调参数一般为温度、湿度，给定值按一般的舒适
度要求给定。
一般夏季为温度24~28℃湿度50%~60%;冬季温度18~22℃，湿度40%~50%。
这时，整个热泵机组作为调节器来对被调对象进行调节。
一般来说，空调房间的容量系数C较大，具有较大的储蓄能力，受扰动后，
被调参数反应比较缓慢。
当温度精度要求不是很高时，我们可以采用双位调节，即设定温度的上限和下限，当温度达到上限时，热泵运行，当温度达到下限时，停止运行。
如图
图3-2温度控制工作原理图
详细见附录附图3温度控制及工作原理图
4.热泵机组内部制冷剂回路装置的控制
热泵机组的主要组成部件有压缩机、蒸发器、冷凝器、四通阀、膨胀阀、截
止阀及各类动力泵等。
下面就对各部件阐述对其的控制。
4.1压缩机控制
压缩机是整个系统的心脏，在压缩式热泵系统中，采用着各种类型的制冷机
压缩机。
它是决定系统能力大小的关键部件，对系统的运行能力、噪声、振动、
维护和使用寿命等有着直接的影响。
压缩机在系统中的作用在于:
从蒸发器把制
冷济蒸汽抽吸过来并提高其温度和压力，排向冷凝器，使在蒸发器中形成低压（通
过节流元件），制冷剂在所要求得温度下吸热沸腾;在冷凝器中高压制冷剂过热蒸汽在所要求的冷凝温度下放热冷凝热泵系统中制冷剂的不断循环流动。
而后通过节流元件，流向蒸发器，实现了其功能和原理同制冷系统中的压缩机一样。
但是它们之间却有一个最根本的不同，就是各自工作的温度不同，也就是这一点，决定了热泵用和制冷用压缩机的各自特点。
从原理上看，各类压缩机均可用于热泵和制冷机，但必须根据实际工况和条件的差别，做专门的设计，以保证在各自应用场合下工作的经济性和可靠性。
对于地源热泵来说，由于地下温度场的相对恒定，没有除霜和低温气候所带来的问题，因此，其工作条件不会像空气源热泵那样严酷。
4.1.1压缩机的能量调节
活塞式压缩机在一个工作周期的平均输出能量（热或冷）可以用下式表达:
为压缩机的容积效率
一个气缸的行程容积
n压缩机转数
z汽缸数
运行工况下的单位容积制冷量
工作周期
在一个工作周期中的开机时间
可以看到，改变式中的任一参数,都可以改变压缩机的能力。
所以，压缩机能量调节的方法也有多种。
一般应用的有:
（1）压缩机启、停控制根据所要求的温度来直接控制压缩机的启、停，在中小型机组及负荷变化不大的情况下，此法简单可靠，但应注意装置负荷与压缩机容量的正确匹配，否则容易造成启、停过频，吸气压力波动厉害，曲轴箱内油沸腾，压缩机大量失油，电机过热和运动件过度磨损。
（2）压缩机运行台数的控制对于多机组或多压缩机机组，我们可以采用控制压缩机运行台数的控制方法，即根据负荷的变化情况，对应的开启或停止某些压缩机，以达到对参数的调节。
此方法可结合模糊控制理论，实现多机组的优化智能控制。
另外还有热气旁通、变频调节等一些能量调节方法。
4.1.2压缩机的保护控制
压缩机作为装置的主要部件，它的安全可靠对系统的安全可靠起着决定作用。
其保护的方法有程序控制和参数控制。
程序控制主要指的是压缩机的停机、开机之间安全保护时间控制以及两次开机之间的安全间隔时间控制。
若是多压缩机机组，还应有各压缩机之间的开、停顺序控制。
控制参数主要有
（1）吸气压力保护
（2）排气压力保护（3）电机过热保护。
压缩机的排气压力保护与吸气压力保护是为了避免排气压力过高和吸气压
力过低所造成的危害。
热泵装置运行中有许多种因素会引起排气压力过高。
例如:
操作失误，（压缩机启动后排气阀却未打开）;系统中制冷剂充注量过多，不凝性气体含量过高，冷凝器断水或严重缺水等。
排气压力过高，超过机器设备的承压极限时，将造成人机事故。
吸气压力过低或者低压侧被过分抽空所造成的危害是:
压力比增大，排气温度上升，效率下降，压缩机工作条件恶化。
单级压缩机一般只设高、低压保护。
即在压缩机的吸气与排气口处安装压力保护开关，当压力越过设定值时，开关动作并切断电源以保护压缩机。
电机过热、过流保护是指由于电机线圈的短路或持续过载都会引起电机被烧毁，这时需用过流、过热继电器对其进行切断电源，保护电机。
4.2四通阀控制
四通阀用在冷暖型热泵机组中，用来改变制冷剂流向，以实现冷凝器与蒸发器的切换，当然也可以用在水路切换。
因此四通阀是热泵机组的一个关键控制阀门。
对四通阀的控制，主要是在制冷、制热的切换，此时，应给四通阀一个控制信号使其动作。
四通换向阀制造厂提供的阀名义容量是指在规定的工况下通过阀吸入通道的质流量所产生的制冷量。
根据我国机械工业部制定的标准规定其名义工况为冷凝温度40℃、进入膨胀阀液体制冷剂温度38℃,蒸发温度5℃、压缩机吸气温度、通过阀吸入通道的压力降0.69MPa。
四通阀使用注意事项:
（l）接管及接线的正确无误
（2）安装前尽量清除管内腔杂物，最好在进口出装上80-120目的过滤器（3）接管焊接前应先拆下线圈，阀体用湿布包扎，以免过高的焊接温度损坏内部零件（4）电源电压必须与标明的电压种类和电压值相一致（5）在设计时，应认真考虑其动作的频度问题。
4.3流量调节
在热泵系统中，制冷剂的流量调节方式有多种。
一般采用可正反方向流动的节流元件，该元件装接在系统液管中。
当机组从一种循环改变至另一种循环时，制冷剂也改变流动方向。
如双向膨胀阀。
热泵机组一般选用热力膨胀阀来控制流量，同时起降压、降温作用、它安装在贮液器与蒸发器之间，阀的感温包应包装在蒸发器制冷剂出口管处。
在系统中，热力膨胀阀有三个主要作用:
1节流降压当高压常温的制冷剂液体流过膨胀阀后，就变成低压低温的制冷剂液体，这些低温低压液体流入蒸发器后迅速蒸发，从而实现从外界吸热的目的。
2控制流量膨胀阀感温包感受蒸发器出口处的制冷剂过热度的变化来控制阀的开度，调节进入蒸发器的制冷剂流量，使其流量与蒸发器的热负荷相匹配。
当蒸发器负荷增加时，阀开度也增大，制冷剂流量随之增加，当负荷减少时，阀开度就减小，制冷剂流量随之减少。
3控制过热度膨胀阀具有控制蒸发器出口制冷剂过热度的功能，可保证蒸发器传热面积的充分利用。
4.4温度控制
早期用模拟式器件构成串级温控系统。
采用的控制装置为温度式蒸发压力调节阀。
其控制原理是：
用温包感应被冷却介质的温度，以此温度变化调整蒸发压力调节阀的设定值，蒸发压力调节阀在随机变化的设定值下调节蒸发器回气量，使蒸发器的制冷能力能够按温度所要求的负荷变化。
采用温度导阀+主阀组合控制式，温度导阀CVT的温包感应蒸发器出口处被冷却介质的温度。
虽温度改变，CVT的热力头中压力改变，它对设定圈所给出的弹簧力进行调整，使得蒸发压力设定值随温度而改变。
并且CVT根据蒸发器中的实际压力与此设定压力的偏差，控制主阀PM1的开度调节。
温度升高时，CVT开大，PM1在较高的蒸发压力控制值下调节开度，蒸发器能力和蒸发器压力提高；反之，CVT关小，PM1在较低的蒸发压力控制值下调节开度，蒸发器能力和蒸发器压力降低。
如此调节蒸发器能力使之与负荷变化相适应，达到使冷房或冷水温度恒定的目的。
4.5压力控制
1.蒸发压力控制：
在蒸发器的出口处安装蒸发压力调节阀，构成蒸发压力反馈的流量调节系统。
它的基本原理是：
蒸发压力调节阀感应阀前制冷剂压力p0动作：
当p0高时，阀全开。
随着负荷减小，p0下降，阀开度变小，使从蒸发器流出的气体减少，通过这种节流作用使阀前压力p0高于阀后压力。
也就是说，低负荷时，虽然由于膨胀阀减少供液，压缩机吸气压力降低，但通过蒸发压力调节阀的节流作用，筑高了阀前压力，故仍能维持蒸发器中有较高的压力。
当p0低于设定值时，阀关闭。
2.冷凝压力控制：
根据冷凝压力的大小来直接控制冷凝器的冷却水量较大，采用由导阀间接作用的冷却水量调节阀，主阀、导阀组件及节流通道用铜或不锈钢组成。
在节流通道前面装有镍丝网的过滤器，以防止水中杂质堵塞通道，破坏导阀正常工作。
冷凝压力通过传压毛细管接头引至波纹管上侧，在阀停用时，旋出泄放塞和主阀底部的螺钉后，可将主阀上部空间的水放出，以免冻裂。
调节阀工作时，冷凝压力通过波纹管推杆传递到导阀阀芯上。
当冷凝压力已达到调定的开启压力时，推杆向下压开导阀，将主阀节流通道上部空间的水泄至主阀出口，使主阀上侧压力降低。
主阀在阀前后压差作用下自动打开，冷凝压力升高值越大，导阀开度也越大，以增加水量，使冷凝压力回降至调定值。
当冷凝压力降到低于阀的开启压力时，导阀就在伺服弹簧的张力作用下关闭，使主阀上部空间的压力升至下部空间相同。
因为主阀上部有效面积大于下部，故主阀在上、下压差和伺服弹簧的张力下关闭，切断冷却水的供应。
温度式水量调节阀的工作原理和结构与压力式水量调节阀基本相同，只是它以温包来检测制冷剂的冷凝温度。
4.6压力保护
采用高低压力控制器控制：
采用两个单刀双掷开关，当高压升高到超过设定的高限，或者低压降低到设定的下限是，运行电路断开，同时接通信号电路。
使压缩机停止运行。
5总结
首先分析了热泵与地源热泵的工作原理，然后从空调系统控制的角度讨论了热泵装置自动控制的内容、目标及控制方式。
最后，针对热泵装置的自动运行、保护，讨论了热泵机组各组成部件的自动控制。
控制方法上归纳，一直沿用经典控制方法中的双位控制，如各种温度控制器、压力控制器、油压差控制器、液位控制器和各种型号电磁阀，以及直接作用式比例控制器，如热力膨胀阀、旁通能量调节，吸气压力调节、背压调节阀等。
参考文献
（1）区正源主编《土壤源热泵空调系统设计及施工指南》，械工业出版社，2011.1.1
（2）朱瑞琪主编《制冷装置自动化》，西安交通大学出版社.2009.2
（3）基恩主编《热泵》，导论和基础.机械工业出版社，1986:
1.5
（4）库伯主编《热泵的理论与实践》北京中国建筑工业出版社，1986.9
附录
附图1土壤源热泵工作原理示意图
附图2土壤源热泵系统原理图
附图3温度控制及工作原理图
附图4控制原理图
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