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1、第1章 绪论1.1 地源热泵 简介1.1.1 概述地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种，热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方。通常热泵都是用来做为空调制冷或者采暖用的。地源热泵还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环。地源热泵的由来：地源一词是从英文“ground source”翻译而来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有地下资源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层（小于400米）范围内的低温
2、热资源，它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能1。地源热泵的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。直到20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源热泵，主要用于冬季供暖。虽然欧洲是
3、世界上发展地源热泵最成熟的地区，但是它也曾因为热泵专家不懂安装技术，安装工人又不懂热泵原理等因素，致使地源热泵的发展走了一段弯路2。随着科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术。政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。上世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10。美国的地源热泵生产和推广速度
4、很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。从地源热泵应用情况来看，北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。1.1.2 地源热泵的发展现状目前，地源热泵在法国和美国发展较快，市场总额年增长率达45以上；在瑞典、奥地利、荷兰、日本等国家也得到了很好的发展。仅拥有9百万人口的瑞典，现已有了比欧洲其他国家都好的地源热泵销售市场，与2000年的24000台套相比，2002年销量达到39000台套；在挪威，销量也以惊人的速度在增长，由2001年6500台套增至2002年的1
5、5000台套，2003年，其政府采取对“所有新的空调设备的安装有650欧元的补贴”措施，因此，地源热泵销量的增长仍然可观3。我国的地源热泵事业较国外起步较晚，自上世纪90年代初期以来，在国家自然科学基金委员会的资助下，国内开始对土壤源热泵的探索性研究，但在如何有效地降低系统初投资、保证系统的可靠运行等方面的研究一直没有突破。其主要的原因是已开展的研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行性能测试并与传统的空气热源热泵性能进行技术经济比较，从而得出土壤源热泵节能的一般性结论。由于缺乏对埋地换热器在土壤中复杂的传热、传质综合传递过程的深入研究，使得这些结论只适用于某一具体实验系统，所提供的基础数据
6、较少而不能作为设计依据。近几年来我国地源热泵事业发展势头看好。天津大学、清华大学分别与有关企业结成产学研联合体开发出中国品牌的地源热泵系统，已建成数个示范工程，越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣，可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。之所以对中国的地源热泵市场发展前景持乐观态度，一方面是要节约常规能源、充分利用可再生能源的国内外大趋势；另一方面，我国具有较好的热泵科研与应用的基础，早在50年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。重庆建筑大学、天津商学院等单位对地下埋盘管的地源热泵也进行了多年的研究。在
7、中国科学院广州能源研究所等单位还多次召开全国性的有关热泵技术发展与应用的专题研讨会。我国的地源热泵发展前景非常乐观，市场潜力很大。当前，我国经济高速增长，社会购买力大大增强，地源热泵的高初投资，对其广泛运用的影响将越来越小；而且，随着科技的发展，地源热泵的技术将更加成熟，同时其使用成本将下降，因此，地源热泵系统依靠其显著的节能环保特性以及投资经济性的优势而具有相当大的市场潜力。中国的地源热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好，越来越多的用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。自从上世纪90年代开始这一技术已经广泛应用于国内的空调工程领域，目前已经成为华北和中原地区空调系统的一大热
8、点，而且其应用地区，已经从北京、天津、山东、河南、河北，迅速扩大到湖北、湖南、内蒙和东北等地。近几年来在山东、河南、湖北、辽宁、黑龙江、北京市及河北等地，已有100多个利用地下水的地源热泵工程在实际应用。供热空调面积达100余万平方米。在空调行业里，地源热泵这种既节能又经济的空调方式正是符合当今世界可持续发展要求的一项“绿色”节能空调技术，只要投入更多精力发展此技术，采取恰当的营销策略，并给予必要的政策倾斜，可以预计，地源热泵发展的前景很广阔4。1.2 论文研究内容及创新点1.2.1 主要研究内容本设计是研究地源热泵机组的控制问题。通过对地源热泵压缩机组的控制实现其对蒸发器和冷凝器中水温的控制
9、。然后通过空调水泵将蒸发器中的冷水或冷凝器中的热水流过房内的管道系统。从而达到对指定地方的温度控制。包括夏季制冷和冬季供暖。在夏季，使室内温度保持在25左右，温差在1范围内。在冬季，使室内温度保持在20左右，温差在1范围内。并通过PLC的控制，当系统发生故障时，会及时报警。1.2.2 主要创新点作为地源热泵，该系统不但可以为人们的日常生活生产提供很多方便，更能减少对环境的破坏，减少二氧化碳等气体的排放及对空间资源的浪费。并通过PLC，使其运行智能化。并且记录系统运行的时间，故障等参数。方便我们及时的维护及修理。第2章 和利时HOLLIAS-LES G3系列PLC介绍2.1 PLC概述2.1.1
10、 PLC定义及特点PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是: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是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合
11、很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。因此，其特点包括以下几个方面：可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数
12、千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用P
13、LC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合
14、多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.1.2 PLC应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线
15、等。模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。过程控
16、制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。数据处理。现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制
17、表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.1.3 和利时PLC的发展和利时公司是一家专业化的自动化公司，北京和利时系统工程股份有限公司是集团总部，主要业务领域为过程自动化、工厂自动化、核电仪控自动化、轨道交通自动化、企业和政府信息化。和利时始创于1993年，前身为电子部六所华胜自动化
18、工程事业部。公司拥有多项自主研发的自动化产品，拥有50多项专利和多本技术专著。和利时公司多年来一直致力于自动化控制产品的研究开发，并向用户提供完善的自动化解决方案。在多年PLC行业应用和技术积累的基础上，投入大量资金成功开发出新一代小型一体化PLC产品如HOLLiAS LM系列。HOLLiAS LM系列PLC完全由和利时公司自主设计与开发，它充分融合了计算机技术、通信技术、电子技术和自动控制技术的最新发展成果，全面吸收了众多自动化技术和应用专家多年来在PLC领域的技术精华，在方案设计、硬件选择、软件功能、网络通讯、用户接口等方面充分考虑用户的使用习惯和应用现场的特点，是一款高性能高品质的PLC
19、产品。HOLLiAS LM系列PLC与同类产品相比，它具有更高的硬件集成度。CPU芯片采用专用于工业控制的16位处理器，程序执行速度和I/O处理能力更胜一筹。配合编程软件PowerPro丰富的指令功能，无论是面对快速的离散量顺序处理还是复杂的运动控制，它都能做到游刃有余。HOLLiAS LM系列PLC应用领域非常广泛，尤其适合于各种工业和民用场合的设备控制，如印刷机械、纺织机械、建材机械、包装机械、塑料机械、机床、环保设备、中央空调、电梯、管网监控、楼宇自动化等。HOLLiAS LEC G3无论是替代传统继电器完成简单控制，还是应用于特殊场合实现复杂控制的功能，都能最大限度地满足客户的需要。H
20、OLLiAS LM系列PLC以其掉电保护、离线模拟、丰富的指令、可靠的控制等独特功能成为一款高性能高品质的PLC产品，能为用户带来良好的经济效益。其应用领域非常广泛，尤其适合于各种工业和民用场合的设备控制，如印刷机械、建材机械、包装机械、塑料机械、机床、环保设备、中央空调、电梯、管网监控、楼宇自动化等等7。2.2 和利时G3系列PLC简介 作为小型一体化PLC产品，G3系列小型一体化PLC无论是独立运行，还是相互连接构成网络，均可以实现强大而复杂的控制功能。图2-1展示了一个CPU模块。由于具有紧凑的外形设计、良好的扩展性能、低廉合理的价格和功能强大的指令，因此，G3小型一体化PLC完全可以满
21、足小规模的控制要求。图2-1 G3小型一体化PLC2.2.1 G3硬件系统及工作方式 HOLLiAS-LEC G3系列小型一体化PLC包括一个单独的G3 CPU模块，以及各种可供选择的功能扩展模块。CPU模块模块包括中央处理器单元(CPU)、电源及数字量I/O点，所有这些都集成在一个独立、紧凑的结构件中，如图2-2所示。图2-2 G3系列CPU硬件组成各个部分的作用为： 中央处理器单元负责执行程序和存储数据，具有内置实时时钟，服务于工业控制任务或过程生产任务。 输入输出是系统的控制点，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制现场设备。 电源部分负责向CPU模块本身及其所连接的其它扩展模块提
22、供电力。 状态指示灯显示CPU的工作状态、本机I/O当前状态，及系统错误报警提示等。 通讯接口将CPU模块同编程器或其它一些设备连接起来。 通过增加扩展模块可以增加I/O点数，或扩展其通讯及网络性能。扩展模块：G3小型一体化PLC提供多种扩展模块供用户选用，通过扩展模块可以增加更多功能、更多数量的I/O点，便于实现各种环境下的控制需求。图2-3所示的是带有扩展模块的G3小型一体化PLC组合8。图2-3 G3小型一体化PLC组合2.2.2 G3编程软件PowerPro是用于HOLLiAS-LEC G3系列小型一体化PLC产品的编程软件。该软件基于Windows环境，采用符合IEC61131-3国
23、际标准的编程软件编写应用程序，具有五种编程语言(LD、IL、FBD、ST、SFC)，并且五种编程语言可相互转化。PowerPro具有离线仿真功能，使用户能在程序试运行之前测试逻辑的正确与否，而无需把PC与HOLLiAS-LEC G3设备连接，极大地方便了程序的调试。PowerPro支持用户自定义函数功能库，大大提高了程序的可重用性。在软件编辑过程中，可以任意引用高性能功能模块256个，可以任意调用特有的超长时间继电器。软件还支持多种数据类型存储方式，如时间型、时间日期型、日期时间型、日期型、自定义的一维、二维和三维数组、指针型、枚举型、结构型等。软件具有很强的运算功能，如浮点数计算、经过优化处
24、理的PID运算等等。图2-4 PowerPro界面2.2.3 PowerPro 指令，功能块及库概述PowerPro软件为用户提供了丰富的指令与功能块，所有指令与功能块均可使用LD、ST、FBD、IL等方式进行调用，操作简单，使用方便。PowerPro提供了丰富的指令，为了用户使用方便，按其代码存储位置分为两大类，内部指令和外部指令。内部指令代码存在于PowerPro软件内核之中，包括算术运算、布尔运算、移位运算、选择运算、比较运算、数据类型转换、初等数学运算、地址运算和调用运算。这类指令在使用时直接调用。外部指令代码存在于PowerPro软件内核之外，主要存在于文件Standard.lib与
25、Util.lib两个库文件之中，Standard.lib包含字符串处理指令，Util.lib中包含BCD码转换和位转换指令，这类指令在使用时需要添加相关的库文件。PowerPro功能块是指用于指挥CPU执行一定操作和完成一定功能的若干指令的组合。对于用户来说，功能块的使用是透明的，只需载入包含该功能块输入输出接口的库文件（库名.lib）即可。其执行代码存储于不同的三个位置。为了用户使用方便，按执行代码的存储位置分为内部功能块、外部功能块和外部扩展功能块三类：编写PLC程序过程中，经常会引用一些外部指令或者功能块，如字符串处理指令、触发器功能块、计数器功能块、PID控制功能块等等。在PowerP
26、ro中我们把用来实现这些常用功能的指令和功能块集合起来进行分类，然后建立专门的库。因此，库是指令与功能块的集合，所有的库都包含“库名.lib”文件（包含外部指令和功能块的输出输出代码），调用外部指令和功能块只需载入相应的“库名.lib”文件，但库中功能块的执行代码存在于不同的位置，为了用户使用方便，我们按照和功能块类似的分类方法把库分为内部库、外部库和外部扩展库三类9。第3章 地源热泵的相关知识3.1 地源热泵的工作原理及分类地源热泵的运行就如卡诺循环的逆过程，卡诺循环为自然界的自然现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温流向低温。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
27、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，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，提高温度进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这就是热泵的节能特点。热泵和制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵（制冷）系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成10。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用，是热泵系统的心脏。蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体的热量，达到制冷的目的。冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在
28、冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的。膨胀阀或节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量11。根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。热泵需要冷凝器的热量，蒸发器从环境中取热。此时从环境取热的对象称为热源，相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水水式，水空气式，空气水式，和空气空气式共四类。利用空气作冷热源的热泵，称之为空气
29、源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般地源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用远不及空气源热泵12。地源热泵是较新的科技，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量取出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”。夏季把室内热量取
30、出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。三个系统之间水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。其中水源热泵机主要有两种形式：水水式或水空气式12。地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用4。地源热泵
31、的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。3.2 压缩机的相关知识3.2.1 压缩机的定义输送气体和提高气体压力的一种从动的流体机械。排气压力一般大于2千克力厘米。主要性能参数有流量（即排气量，指压缩机单位时间内排出的气体体积）、效率（压缩机理论消耗功率与实际消耗功率之比）以及排气压力等13。3.2.2 压缩机的种类按其工作原理分为两大类：容积式压缩机。靠在气缸内作往复或回转运动的活塞，使气缸内的气体体积减小，压力升高，然后把气体压出。又可分为回转压缩机和往复压缩机等。回转压缩机是靠各种起活塞作用的转子在气缸内作回转运动而使气体体积
32、发生变化来压缩和输送气体；往复压缩机是靠活塞或隔膜在气缸内作往复运动使气体体积发生变化来压缩和输送气体。速度式压缩机。气体在高速旋转叶轮的作用下，得到巨大的动能，而后在扩压器中急剧降速，从而使气体的动能转变为势能，借以提高气体的压力；又可分为轴流式、离心式和混流式等种类。根据排气压力大小的不同，压缩机可分为：低压压缩机。其排气压力在19.61049.8105帕之间，主要用作石油、化工、冶金、机械加工、采矿、建筑等部门的动力源。中压压缩机。其排气压力在9.81059.8106帕之间，主要用于石化工业，如作为裂解气、甲烷、乙烯、丙烯、氢气等的各种压缩机，以及冷冻用的氨压缩机等。高压压缩机，其排气压
33、力在9.81069.8107帕之间，主要用于尿素工业的二氧化碳压缩机、合成氨工业的氢氮气压缩机、空气分离的氧气和空气压缩机以及合成甲醇的原料气压缩机等14。3.3 地源热泵的设计本设计是以地下水为载热，载冷介质，是水-水式。地下水是存在于地壳岩石裂缝或土壤空隙中的水。广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，统称为地下水。大气降水是地下水的主要来源。除此之外，还有灌溉水入渗、地表水入渗补给，越流补给和人工补给。在一定条件下，还有侧向补给。地下水常年保持在一定得温度，在离地表5到10米的地下水基本保持在15到17，而每往下深100米，其温度将增加1左右。且地下水绝大部分都是流动的，因此，用地下水可以很好
34、的携带热量。地下水利用后可以通过管道排回地下，并不会使当地的环境和地质发生改变。地源热泵设计图如下图3-1所示：冷凝器蒸发器压缩机节流装置分水器集水器分水器集水器制冷剂水水热水循环泵冷水循环泵图3-1 地源热泵示意图其运行过程为，压缩机把制冷剂，通常为氟利昂，压缩成高温高压的气体，然后经过冷凝器，释放热量，成为过冷液，同时，冷凝器中的水吸收热量温度升高。过冷液通过节流装置降压后成为低温低压的两相流体，然后通过蒸发器吸收热量成为低温低压的气体。蒸发器中的水释放热量，温度降低。在夏季需要制冷时，利用蒸发器中的冷水，通过空调水泵，分水器流向各个需要制冷的房间，降低室内温度，达到制冷效果。集水器收集各
35、个房间中的水，再流入蒸发器中，达到循环利用的目的，也可以直接排回地下。冷凝器中的水可以作为生活用水或生产用水，不需要时可以排回地下，使冷凝器中的水保持较低的温度，可以增加地源热泵的效率。在冬季，利用冷凝器中的热水，通过空调水泵和分水器，流向各个需要制暖的房间中，达到制暖效果，同时，冷凝器中的水可以排回地下，利用较温暖的地下水，可以增加热泵的效率。其中空调水泵采用小功率的家用型水泵，因此，可以直接启动,无需降压启动或星角启动。第4章 系统设计过程4.1 控制系统硬件连接图（见附录C）4.1.1 温度传感器模块LM3312模块为4通道热电阻输入模块，提供了与Cu50、Pt100两种热电阻一次测温元
36、件进行连接的接口，用于采集并处理从现场来的热电阻的电阻值输入信号。本设计采用Pt100热电阻，Pt100是铂电阻传感器，它的阻值随环境温度的变化而变化，一般用来测量-200度到+500度的温度，质量可靠，经济实惠，灵敏度也不错。其测量温度输入范围与LM3312量程对应数据如表4-1所示。由表可知，量程对应的输入数据位实际测量温度的10倍。表4-1 Pt100与LM3312的关系输入信号范围 量程所对应的输入数据范围Pt100(-150-157。2)-15001572LM3312与Pt100热电阻的接线如图4-1所示：图4-1 热电阻接线图Pt100热电阻采用四线制接法，可以有效地消除引线电阻（
37、即将传感器的信号传到远方二次仪表之间的连接导线或电缆）的影响，使测量结果更加准确。如图4-2所示：图4-2 四线制接法4.1.2 压力检测开关在所设计的系统中，有四个压力检测开关，包括两个高压检测开关，两个低压检测开关。其作用是为了保护压缩机，防止压缩机在高压或低压情况下运行。高压检测开关检测到压力过高时，会及时断开，同理，低压检测开关在压缩机压力过低时，也会断开。在这里选用SOR压力检测开关。其连线如图4-3所示。4.1.3 流量检测开关流量检测开关有两个，分别为热水出水流量检测开关和冷水出水流量检测开关。当没有水通过时，流量为0，流量检测开关断开。当有流量时，流量检测开关闭合。流量检测开关
38、也是检测空调水泵运行的依据，当水泵运行时，才会有流量通过，热水或冷水流过房间内管道，达到制暖或制冷的目的。当不需要制暖或制冷时，流量检测开关断开，同时，可以反馈到压缩机，使其结束运行，避免了压缩机长时间运行或做无用功，做到节约能源和资源。流量检测开关选用SOR流量检测开关其连接入图4-3所示。图4-3 压力和流量检测开关4.1.4 报警器连接报警器在系统中是不可或缺的一部分，当系统发生故障时，报警器可以迅速发出信号。采用声光报警器，当故障发生时，报警器启动，警铃长鸣，并且发出发光。采用YL8声光组合报警器，可以满足设计要求。报警器一端接入220V的零线，另一端接入PLC开关量输出的%QX0.5
39、端口。4.2 控制系统的软件设计该地源热泵系统主要是根据蒸发器和冷凝器进水和出水温度变化来控制4台压缩机的启停，使温度保持在设定的温度范围内。温度设计要求如表4-2所示。当进水温度和出水温度都高时减少压缩机的运行数量，从而减少进水量和出水量，使温度降低。当进水温度和出水温度都低时，增加压缩机的运行数量，从而提高温度。4台压缩机分为A组合B组，每组各有2台压缩机。系统的I/O点分配如表4-2所示，其中开关量输入点6个，模拟量输入点4个，开关量输出点5个，模拟量输出点1个。表4-2 温度设计要求温度冷水出水温度42-48热水出水温度9-154.2.1 PLC选择和I/O分配根据输入和输出的要求，该
40、地源热泵中央空调系统的控制器选用和利时公司具有自主知识产权的HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量的LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。模拟量输入模块选用四通道热电阻输入模块LM3312。PLC的人机界面选用EView触摸屏。各个部分的连接如附录C所示。这些配置完全能够满足系统的要求。表4-3 PLC控制系统I/O分配图信号类型PLC地址描述开关量输入%IX0.0A组高压检测开关%IX0.1B组高压检测开关%IX0.2A组低压检测开关%IX0.3B组低压检测开关%IX0.4热水流量检测开关%IX0.5冷
41、水流量检测开关%IX0.6开关按钮开关量输出%QX0.0第1台压缩机工作%QX0.1第2台压缩机工作%QX0.2第3台压缩机工作%QX0.3第4台压缩机工作%QX0.4系统故障报警%QX0.5热水循环水泵%QX0.6冷水循环水泵模拟量输入%IW2热水进水温度%IW4热水出水温度%IW6冷水进水温度%IW8冷水出水温度4.2.2 PLC主程序设计(见附录D)4.2.3 程序说明控制系统的主要功能是对热泵进行自动启停，显示温度，压力，流量等运行参数，显示压缩机的工作状况，记录设备的运行时间和故障原因，实现对地源热泵中央空调系统的智能控制。从控制的主要功能出发，为了增加程序可读性和减少程序代码，PL
42、C程序采用了主程序调用功能块的程序结构。对于多个功能块调用的变量，采用全局变量声明。变量声明全局变量声明：VAR_GLOBALADY AT %IX0.0 : BOOL;(*A组低压检测开关*)AGY AT %IX0.1 : BOOL;(*A组高压检测开关*)BDY AT %IX0.2 : BOOL;(*B组低压检测开关*)BGY AT %IX0.3 : BOOL;(*B组高压检测开关*)RSL AT %IX0.4 : BOOL;(*热水流量检测开关*)LSL AT %IX0.5 : BOOL;(*冷水流量检测开关*)KS AT %IX0.6 : BOOL;(*开始按钮*)BN0 AT %QX0
43、.0 : BOOL;(*第1台压缩机工作状况*)BN1 AT %QX0.1 : BOOL;(*第2台压缩机工作状况*)BN2 AT %QX0.2 : BOOL;(*第3台压缩机工作状况*)BN3 AT %QX0.3 : BOOL;(*第4台压缩机工作状况*)SB0 AT %QX0.5 : BOOL;(*热水循环水泵*)SB1 AT %QX0.6 : BOOL;(*冷水循环水泵*)ALARM AT %QX0.4 : BOOL;(*系统故障报警*)RJ AT %IW2 : WORD;(*热水进水温度*)RC AT %IW4 : WORD;(*热水出水温度*)LJ AT %IW6 : WORD;(*
44、冷水进水温度*)LC AT %IW8 : WORD;(*冷水出水温度*)RJGZ : BOOL;(*热水进水温度故障*)RCGZ : BOOL;(*热水出水温度故障*)LJGZ : BOOL;(*冷水进水温度故障*)LCGZ : BOOL;(*冷水出水温度故障*)PT:INT:=5;(*温度保护阀值*) END_VAR局部变量声明：PROGRAM PLC_PRGVARMODBUS_RTU: Set_Local_Address;(*设置MODBUS从站地址*)MODBUS_OK: BOOL;(*设置MODBUS从站地址成功*)AI1: Analog_IN;(*设置模拟量输入模块*)AI1_OK:
45、 BOOL;(*设置模拟量输入模块成功*)RTD_RJ: RTD_TEST;(*调用热水进水温度故障判断功能块*)RTD_RC: RTD_TEST;(*调用热水出水温度故障判断功能块*)RTD_LJ: RTD_TEST;(*调用冷水进水温度故障判断功能块*)RTD_LC: RTD_TEST;(*调用冷水出水温度故障判断功能块*)T_ALM1 : T_ALM;(*调用故障报警功能块*)RS1 : RS;(*故障报警输出双稳态功能块*)RESET1 : BOOL;(*故障报警输出双稳态功能块复位*)RS2 : RS;(*故障启动压缩机自锁*)RESET2 : BOOL;(*启动确认按钮*)RUN:
46、 BOOL;(* 故障启动压缩机触发信号*)MODE: BOOL;(*运行模式 MODE=FALSE为制热 MODE=TRUE 为制冷*)YJL: YJL;(*调用YJL功能块*)YJL1: YJL1;(*调用YJL1功能块*)YJL2: YJL2;(*调用YJL2功能块*)YJL3: YJL3;(*调用YJL3功能块*)TON1 : TON;(*故障启动压缩机延迟10秒*)TON2: TON;(*启动压缩机延迟10秒*)TON3: TON;(*启动压缩机延迟10秒*)TON4: TON;(*启动压缩机延迟10秒*)TON5: TON;(*启动压缩机延迟10秒*)TOF: TOF;(*调用断电
47、延时计时器*) END_VAR4.2.4 各功能块分析SET_LOCAL_ADDRESS设置本机Modbus从站通讯地址。其梯形图如图4-4所示，其输入输出说明如表4-5所示。图4-4 SET_LOCAL_ADDRESS梯形图表4-4 Modubs输入输出说明输入/输出功能数据类型值EN使能BOOL0：无效1：上电/下装后首次置位有效ADDRESSModbus 从站地址BYTE1247：从站号Q是否设置完毕 BOOL0：EN复位1：设置完毕，保持Analog_IN模拟量输入扩展功能块：当使能信号EN置位时，对扩展模块LM3312的4个模拟量输入通道进行扫描，扫描的结果分别存于%IW2、%IW4、%IW6、%IW8。其梯形图如4-5所示，其输入输出说明如表4-5所示。图4-5 Analog_IN模拟量输入扩展功能块表4-5 Analog_IN输入输出输入数据存放地址含义%IWxx模拟量输入通道依次对应PLC配置中所规定的IW区地址输入功能数据类型值EN使能
