PLC在水源热泵空调系统中的应用.docx

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PLC在水源热泵空调系统中的应用

PLC在水源热泵空调系统中的应用

摘要

常紧张的阶段，如何节约能源能为了一项新的课题。

而水源热泵空调技术正是这种情况下的产物。

热泵采用电能驱动，从低温热源中吸取热量，并将其传输给高温热源以供使用，传输到高温随着现代工业的迅猛发展，自动化机械有了越来越广泛的应用，同时世界的能源也进入了非热源中的热量不仅大于所消耗的能量，而且大于从低温热源中吸收的能量，从而达到节能的目的。

论文研究了水源热泵空调系统的PLC控制。

文章首先对水源热泵技术进行了概述，介绍了水源热泵技术的发展现状及前景。

然后根据水源热泵中央空调系统的特点，分析和研究船舶热泵系统的工作原理，并构建了水源热泵控制系统结构的组成和控制方案。

文中对输入、输出信号进行归纳，并据此设计出PLC电气控制原理图，并合理选用PLC。

接着编写了语句表与梯形图。

通过PLC来控制热泵系统，不仅可以通过编程实现复杂的逻辑控制，而且可以很大程度上简化硬件接线，提高控制系统的可靠性，便于实现智能控制。

并且结合变频器节能省电，符合国家提倡的节能减排，建设节能型社会的需求。

关键词：

水源热泵；空调；PLC控制

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodernindustryandautomatedmachineryhasbeenmorewidelyused,theworld'senergyintotheverytightstage,howtosaveenergytoanewsubject.Watersourceheatpumptechnologyisinthiscasetheproduct.Water-heatpumpabsorbsheatfromcryogenicheatsource,andsendsittohigh-temperaturesourcebyusingelectricenergy.Thequantityofheatsenttohigh-temperatureheatsourceisnotonlylargerthantheconsumedheat,butalsolargerthanthatabsorbedfromcryogenicheatsource,thusreachingtheaimofsavingenergy.

Thearticlefirstdescribedthewatersourceheatpumptechnology,tounderstandthestatusandprospectsofdevelopmentofwatersourceheatpump.Thenaccordingtothecharacteristicsofthewatersourceheatpumpcentralairconditioningsystem,analysisandresearchshipheatpumpsystemworks,andbuildwatersourceheatpumpcontrolsystem,thecompositionandcontrolprograms.Articletothedesignofinputandoutputsignals,andaccordinglydesignthePLCelectricalcontrolschematics.AndaccordinglythedesignselectionofthePLC,andthenwritethestatementtablewithladder.

Finally,throughthePLCtocontroltheheatpumpsystemcanbeprogrammednotonlytoimplementcomplexlogiccontrol,andcangreatlysimplifythehardwarewiringandenhancethereliabilityofthecontrolsystemiseasytorealizetheintelligentcontrol.Andthecombinationoftheinverter,energysaving,withthestatetopromoteenergyconservation,construction,energy-savingneedsofthecommunity.

Keywords：

waterheatpump；air-conditioning；PLCcontrol

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1研究船舶空调的背景1

1.2国内外研究情况1

1.3课题的研究意义2

1.4课题研究的内容3

1.5小结3

第2章热泵技术的简述5

2.1热泵系统的工作原理5

2.1.1热泵的定义5

2.1.2热泵系统的工作原理5

2.1.3热泵节能原理7

2.2热泵系统的分类8

2.2.1空气源热泵系统8

2.2.2土壤源热泵系统9

2.2.3水源热泵系统9

2.3对水源热泵的介绍10

2.4水源热泵空调系统组成11

2.5水源热泵空调系统的优缺点11

2.6水源热泵空调系统的背景意义12

2.7水源热泵空调系统的发展前景12

2.8小结13

第3章PLC可编程控制器的概述14

3.1PLC可编程控制器概述14

3.2PLC的分类及结构14

3.3PLC的基本组成及各部分的作用14

3.3.1中央处理单元（CPU）15

3.3.2存储器15

3.3.3I/0单元16

3.3.4电源部分16

3.3.5扩展接口17

3.3.6通信接口17

3.3.7编程器17

3.4PLC的优点17

3.4.1可靠性17

3.4.2易操作性18

3.5PLC的应用领域19

3.5.1开关量逻辑控制19

3.5.2工业过程控制19

3.5.3运动控制19

3.5.4数据处理19

3.5.5通信及联网20

第4章PLC控制船舶水源热泵空调系统设计21

4.1系统总原理框图设计21

4.2电气控制部分的设计21

4.3PLC控制部分设计22

4.3.1PLC控制部分原理图23

4.3.2PLC选型及I/O功能表24

4.3.3PLC控制系统工作流程图26

4.3.4PLC控制系统梯形图27

4.3.5PLC控制系统语句表28

4.4小结30

第5章结论31

参考文献32

致谢33

第1章绪论

1.1研究船舶空调的背景

船舶空调的制冷和制热以及船员用生活用水的能耗将占船舶运行总能耗的较大比例，它是以消耗燃油为代价的，而生产燃油时要产生由于燃烧将产生二氧化硫、二氧化碳等大量污染物，形成温室效应气体。

为了保护人类赖以生存的环境需要我们大力开发可再生能源和降低能源消耗。

现代工业的迅猛发展，世界的能源也进入了非常紧张的阶段，在世界传统能源即将枯竭的今天，新能源的开发和应用将显得越来越重要，更具有长远的社会效益。

船舶空调系统采用水源热泵这一新技术，由于受到造船成本会稍有提高等因素的制约，因此在船舶行业没有得到有效的应用，但从长远的角度来说，其经济效益和环境效益是非常可观的。

根据国外的经验，由于水源热泵运行费用低，增加的初投资可在3-5年内收回，水源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。

海洋中蕴藏着源自于太阳无穷无尽的热能。

船舶航行于海洋及江河之中，由于船舶的底舱与河水或海水紧密接触，可以方便地进行热交换。

我们借助于水源热泵系统，只消耗少量的电能，就可以向指定空间输入或输出多出许多倍的热能，且具有非常高的热效能，因此水源热泵及其PLC控制将做为本课题研究的重点。

1.2国内外研究情况

目前,在国内外的船舶上大多采用的是空气源热泵或自然循环式空调系统。

空气源热泵空调系统的低温热源为室外空气，其缺点是室外空气温度随气候的变化而变化，而且温度越低所提供的热量越小，当空气温度低于-5℃时，热泵的效率会大大降低。

自然循环式空调系统的基本原理是利用船体的双层底空间与船底的冷海水制作空调所需的冷气，利用柴油机排气中的余热经交换器加热空气。

它只在通风机工作时消耗电能，因此能够节约能源。

但这种空调系统在非常炎热或者非常寒冷的季节不能满足实际需要，并且各个舱室在进行统一空气循环时可能形成空气污染，造成工作条件的恶化。

基于PLC控制的船舶水源热泵空调系统在船舶上的应用，目前在国内外均处于起步阶段,还没有形成船舶方面的行业规范，也没有结合船舶整个建造过程进行有机的设计和整合。

船舶空调制冷和制热的能耗占船舶运行总能耗的比例较大，以消耗燃油为代价。

在能源日趋紧张的今天，开发利用船舶航行水体中的绿色能源，降低船舶燃油消耗及废气排放量，具有显著的经济效益和长远的社会效益。

1.3课题的研究意义

现代工业的迅猛发展，世界的能源也进入了非常紧张的阶段，全世界的科学工作者为探寻新的能源及其转化和应用的脚步也越来越快。

实际上诸如太阳能、地热能、水能、风能等的这些所谓新能源己经存在于地球上亿万年了，真正得以广泛研究和重视还是近一个世纪的事情。

新能源的开发由于技术、成本及认识等方面的因素，在我国的发展脚步还不算很快，还不能完全缓解目前能源紧张的局面。

在世界传统能源即将枯竭的今天，新能源的开发和应用显得越来越重要，具有长远的社会效益。

在采用以普通热泵空调为主体的船舶中，用于制冷和制热的能耗将占船舶运行总能耗的较大比例，它主要消耗着船舶上的大量电能。

船舶上电能的获取是以消耗燃油为代价的，而燃油的获取又要消耗大量的煤炭等燃料。

燃油和煤炭等的燃烧产生的大量污染物，包括大量二氧化硫等有害气体以及二氧化碳等温室效应气体。

大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。

因此为了保护人类赖以生存的环境需要我们大力开发可再生能源和降低能源消耗。

海洋中蕴藏着无穷无尽的热能，我们可以借助于一个系统，只消耗少量的电能对这个能源加以利用，从而可以达到节约大量的石油、煤炭等传统能源的目标。

我们已经广泛使用的热泵系统就能担此重任。

热泵分为空气源热泵和地源热泵，地源热泵可分为土壤源热泵和水源热泵，而水源热泵还可分为地下水源热泵、地表水源热泵。

目前适合于船舶应用的只有空气源热泵和水源热泵。

大多数船舶使用的空气源热泵具有系统简单，初投资较低的优点，但是它具有体型较大、占地面积大，噪声较高，需要定期除霜、消耗大量的电量，受室外环境制约、在夏季高温和冬季寒冷季节热泵的效率大大降低等缺点。

水源热泵与空气源热泵相比，有如下优点：

（1）是清洁的可再生能源技术，环境效益显著。

水源热泵是利用地下或地表水作为冷热源进行能量交换，当供热时省去了燃煤、然油等的燃烧过程，避免了环境污染，当供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。

（2）高效节能。

水源热泵机组可利用冬季水体温度（12～22℃）大于环境空气温度，夏季水体温度（18～35℃）低于环境空气温度的自然特性，可大大提高热泵机组的能效比。

据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。

设计良好的水源热泵机组，与空气源热泵相比，相当于减少30%以上的电力消耗，与电供暖相比，相当于减少70%以上的电力消耗。

（3）一机多用。

利用一套热泵机组即可供冷，又可供热，还可提供生活热水。

对空调系统来说，一台热泵提供两种热源，可节省一次性投资，其总投资额仅为传统空调系统的60%，并且安装容易，安装工期短，更改安装也容易。

（4）自动化程度高。

水源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统;部件较少，自动控制程度高。

（5）没有任何污染水源热泵技术采用的制冷剂，用R134A、R407和R410A等工质替代传统的R12和R22工质，避免了制冷工质对地球环境的影响。

（6）采用了智能PLC控制装置：

大屏幕液晶显示，遥控开关，根据用户需求自由设定采暖、空调温度，各居室可单独控温。

（7）运行稳定、可靠，维护方便。

水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，水体温度较为恒定，使得热泵机组运行更加稳定可靠，保证了系统的经济高效，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。

由于系统简单，机组部件较少，运行稳定，相对来说维护费用较低，使用寿命可长过20年以上。

船舶航行于海洋及江河之中，由于船舶的底舱与河水或海水紧密接触，可以方便地进行热交换，且具有更高的热效能，因此水源热泵及其控制做为本课题研究的重点。

1.4课题研究的内容

本课题主要介绍和研究热泵系统工作原理，热泵节能原理，PLC控制船舶水源热泵空调系统设计，船舶热泵系统设计。

1.5小结

为保护人类赖以生存的环境，我们在大力开发可再生能源的同时，能源消耗。

水源热泵系统是一个典型的节能系统，近一个世纪中，也是近几十年才得到人们的重视。

具有相当高的能效，更要注重降低在热泵发明的空气源热泵技术应用到船舶上，目前己经是成熟多年的技术，而将水源热泵技术应用到船舶上，目前还正是起步阶段。

第2章热泵技术的简述

随着十九世纪初工业革命的发展，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。

英国物理学家J.P.Joue提出了“通过改变可压缩流体的的压力就能使其温度发生变化”的原理。

1854年，W.Thomson教授发表论文，提出了热量倍增器的概念，首次描述了热泵的设想。

2.1热泵系统的工作原理

2.1.1热泵的定义

热泵就是可以把热量由低温热源输送到高温热源的机械设备。

比如在冬季，室外的空气、地面水、地下水等等就是低温热源，而室内空气就是高温热源，热泵式空调就是可以把室外环境的热量输送到室内环境里；而在夏季，则反之，室内为低温热源，室外为高温热源，热泵式空调就是可以把室内环境的热量输送到室外环境。

2.1.2热泵系统的工作原理

一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到谁中。

压缩式热泵系统一般由四部分组成：

压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器，如图2-1所示。

气工作过程为：

低温低压的液态制冷剂在蒸发器里从低温热源吸收热量并产生气化（蒸发）→压缩机抽取蒸发器里气化后的制冷剂气体并压缩的到冷凝器内，此时制冷剂气体变成高温高压气体（压缩）→该高温高压气体在冷凝器内被高温热源冷却凝结成液体并释放热量，变成高温高压液体制冷剂（冷凝）→再经节流阀截流成低温抵押液态制冷剂（节流）；如此就完成一个工作循环[3]。

夏天某一空间需要制冷时，让制冷剂在放置在该空间的蒸发器里蒸发，带走空间里低热量，以实现降温；冬天某一空间需要制热时，让制冷剂在放置在改空间的冷凝器里冷凝，将热量释放的该空间里，以实现升温。

为了放置蒸发器所在的吸热空间和冷凝器所在的放热空间出现“热短路”，在实际应用中需要将蒸发器和冷凝器用隔热材料分隔在两个不同的空间里；并且蒸发器所在的空间用于制冷，冷凝器所在的空间用与制热。

在仅需要制冷或制热的单一功能时，可根据我们的要求对两个空间中的一个进行热隔离与密封。

图2-1压缩式制冷过程

图2-2热泵系统工作过程

对于我们生活的固定空间（室内），在不同的季节里，有时需要制冷，而有时需要制热，因此需要在热泵系统中增设一个控制工质流向的换向阀，使得在控制换向阀时能完成室内的制冷和制热功能，这样的系统我们称之为空调系统，如图2-2所示。

2.1.3热泵节能原理

热泵是把热量由低温热源输送到高温热源的机械设备。

其工作原理是基于逆卡诺循环，采用电能驱动，从低温热源中吸取热量，并将其传输给高温热源以供使用，传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量，而且大于从低温热源中吸收的能量。

图2-3水源热泵能量流图

图2-3所示的能量流程图体现了机组输入电能W、低位热能Q1和利用能Q2之间的关系：

根据热力学第一定律，有

①在冬季时，Q2=Q1+W,性能系数COP≥3；

②在夏季时，Q2=Q1-W,能效比EER≥4.

根据热力学第二定律，机组输入的电能W起到补偿作用，使得制冷剂能够不断的从低温环境吸热（Q1），并向高温环境放热（Q2），周而复始的进行循环。

热泵的性能系数（COP）是名义制热量与运行功率之比；热泵的能效比（EER）是名义制冷量与运行功率之比。

压缩机的能耗是一个重要的经济技术指标，一般用性能系数（COP）或能效比（EER）来衡量系统的能量效率。

性能系数的定义式为：

（2-1）

能效比的定义式为：

（2-2）

式中：

W-机组输入电能；Q1-低位热能；Q2-利用能。

显然，热泵COP（EER）永远大于1。

因此，热泵是一种高效节能的装置，也是制冷空调领域内实施节能的重要途径，对于节约常规能源、缓解大气污染和温室效应起到积极的作用。

经调查，我国海域在不同季节的表层海水温度情况如下所述。

渤海辽东湾冬季-1℃左右，渤海南部为0oC左右，渤海中央水温为2℃左右。

夏季渤海辽东湾、渤海湾及莱州湾都成为高温区，水温达26～28℃，而渤海中央水温为24～26oC。

低温中心在辽东半岛西南及渤海海峡北部，中心值低于24℃。

黄海冬季北岸表层水温-1～2℃，东岸2～6℃，西岸3～5℃，中央为5～12℃。

黄海夏季表层水温升至26～28℃，但在成山角和朝鲜半岛西南部附近，各自出现一个低温区，中心温度低于24℃。

东海冬季表层水温浙、闽沿岸仅6～14℃。

夏季东海表层水温均在27～29℃。

台湾以东海域终年受黑湖控制，四季高温冬季表层水温24～25oC，夏季为28～29℃。

南海北部浅水区和北部湾冬季水温较低，一般在16～22℃，到南海中部表层水温达25～26℃。

南海夏季表层水温均达28～29oC，但因西南季风的作用，导致越南中部、南部以及中国海南岛东岸等出现深层冷水永升现象，造成夏季的低温区，温度分别为25℃和23℃。

由此可以看出：

冬季时，海水温度大大高于空气温度，船舶需要供热时，比从空气中更容易获得低位热能；夏季时，海水的温度远远低于空气温度，船舶需要供冷时，必从空气中更容易获得低位冷能。

从而可以大大提高系统的能效，节约了能源。

2.2热泵系统的分类

热泵分为空气源热泵（AirSourceHeatPump,ASHP）和地源热泵（Ground-SourceHeatPump,ASHP）。

地源热泵可分为土壤源热泵和水源热泵，而水源热泵还可分为地下水源热泵（Groung-WaterHeatPump,GWHP）、地表水源热泵（SurfaceWaterHeatPump,GWHP）。

由于船舶航行于海洋及江河之中，因此水源热泵是本课题研究重点。

2.2.1空气源热泵系统

以空气为冷热源，理论上可以不受资源限制，在任何地区运用。

大部分的冷暖空调用的就是空气源热泵，在船舶的应用也较为普遍。

它供热是通过直接产生热风或产生45℃热水后再产生热风实现的。

空气源热泵取热最方便，是节能、环保、安全的理想方式，在我国长江流域的夏热冬冷地区正得到大力的推广应用。

但在黄河流域的寒冷地区、冬季由于室外温度低于-5oC时，出水温度降低，设备出力降低，如果不增加辅助热源，空气源热泵空调系统就难以产生足够的可用于采暖的热风。

目前许多船舶空调也多采用空气源热泵系统，其性能系数COP值多在2～3.8之间，其缺点是在冬季气温低制热时和夏季气温高制冷时其性能系数较低，大约为2～3左右，其经济性不佳。

2.2.2土壤源热泵系统

以土壤为冷热源，通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

该方法由于地层下面的温度较为稳定，可做为良好的冷热源，但取热需要在地下几十到几百米深的地方埋管，一次性施工成本较高，但制冷制热效果良好，其性能系数在4.2～4.4。

由于船舶航行于江河和海洋中，土壤源热泵系统显然不能应用于船舶空调上。

2.2.3水源热泵系统

水源热泵可分为地下水源热泵系统和地表水源热泵系统。

地下水地源热泵以地下水源作为热泵空调的冷（热）源系统。

通过建造抽水井群将地下水抽出，水源直接送至热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。

此方案适应于地下水源充足，地质条件为砂砾层或裂隙构造可达到良好的回灌效果。

地下水源热泵的能效比一般在4.6～5.6之间。

显然这种系统也不适合于航行中的船舶。

地表水源热泵系统以直接抽取或者间接换热的方式，利用地表水（江水、河水、湖水及海水、工业废水等）做为热泵空调的冷（热）源系统。

即在冬季，把水体和地层中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到水体和地层中去。

地表水源热泵系统的能效比在3.4～5.0之间，即消耗1kw的能量，用户可以得到3.4～5.0kw以上的热量或冷量。

由于大型船舶的底舱浸于江河或海水之中，用其底舱的管线做为热交换器，即可实现预定目标。

本课题是以海水源热泵系统在船舶上的应用为重点目标展开研究的。

2.3对水源热泵的介绍

当今社会环境污染和能源危机严重地威胁着人类地生存与发展，如何理解这一问题已成为全人类的头等课题。

在这种背景下，以环保和节能为特征的绿色建筑和与之相应地空调系统应运而生。

而热泵系统正是满足这些要求的中央空调系统之一。

水源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水）的即可供热又可制冷的高效节能空调系统。

水源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。

地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的制冷，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。

通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

由于地下的情况千变万化，极其复杂，它是世界上最大的不均质体，因此，地下换热装置能够因地制宜、长期稳定的从地下获取热泵所需的能量，同时水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点又尽可能的不影响环境，是安装水源、地源热泵系统的技术关键。

水源热泵系统60年代开始在美国提出之后，经过30年的不断改进和发展，技术日趋成熟，其产品以逐渐商品化，迄今已经在北美建筑中应用40多年。

进入70年代后，这项技术在日本的推广应用很快。

东芝、三菱电机、PMAC公司均有水源热泵产品出售，东京、名古屋、横滨等城市在70年代初就有很多采用闭式环路水源热泵空调系统的工程实例。

自80年代以来，我国采用水源热泵空调系统的建筑也逐年增多。

目前，在深圳、上海、北京以及一些中小城市均有工程实例，例如，北京天安大厦、上海锦江第四号楼、西安建国饭店、青岛华侨饭店、深圳同贸大厦、惠州大酒店、泉州大酒店等均采用了闭式环路水源热泵空调系统。

但大多数水源热泵系统以地下水作为冷热源，据报道，目前我国青岛建起了以海水为冷热源的水源热泵空调系统，湖南湘潭市政府新