热泵控制器（精选12篇）
热泵控制器 篇1
0 引言
热泵热水机作为公共建筑和住宅供热采暖的新型设备,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,不仅克服了传统的燃煤锅炉、电热水器能耗大、费用高、安全系数低等缺点,而且避免了太阳能热水器的使用受日照及季节影响大的弊端,具有高效节能、安全环保、全天候运行、使用方便等优点[1,2]。
热泵热水机系统本身是一个构造复杂、控制变量较多的控制对象,且存在着时滞性、非线性、时变性、外部干扰等因素[3],因此对热泵热水机控制器的性能提出了较高的要求。目前,市场上的热泵系统控制器分为两类:一类以单片机为核心,但是控制点数少、功能单一,只适合小型热泵系统;另一类由PLC和触摸式图形操作终端构成,但是存在价格高昂、硬件模块多等缺点,限制了热泵热水机的推广。
本研究将嵌入式操作系统及ARM9处理器引入热泵热水机控制系统,具有界面友好、功能完善、可靠稳定以及极高的性价比。
1 系统控制要求与总体结构
1.1 系统控制要求
为了实现系统安全稳定地自动控制,本研究在热泵热水机的关键部位安装了各类传感器。由于本研究的热泵热水机采用了两台螺杆压缩机,各类的检测点和控制点较多。检测点主要分为温度采集、压力采集和开关量输入三类,温度采集对象包括压缩机的排气、吸气温度,冷凝器的进水、出水温度,蒸发器的进水、出水温度,实时监测工质在系统中的运行状态;压力采集则是对压缩机的高压、低压压力进行检测,确保工作在正常范围;开关量输入往往是一些被控对象运行状态的反馈,主要有压缩机高压保护开关信号、冷却水、冷冻水水流开关信号、星三角形降压启动信号等,当信号异常时采取报警或保护措施。被控对象主要包括压缩机、水泵、电磁阀及状态指示灯等,通过对检测点的采集并采取适当的控制策略做出相应响应,实现自动控制的目的。
1.2 总体结构设计
热泵热水机控制器分为两个单元:数据采集控制单元和人机交互单元。数据采集控制单元由温度、压力采集模块及多路开关量输入/输出模块等组成,实现数据的采集及对热泵热水机各个控制点开关量状态的控制;人机交互单元由存储模块、LCD模块、触摸屏模块、以太网模块及USB模块组成,实现机组运行信息的显示、机组参数的设置、故障处理与记录及远程监控等功能。热泵热水机控制器的具体组成结构框图如图1所示。
2 数据采集控制单元设计
2.1 微处理器简介
本研究采用意法半导体公司Cortex-M3系列的微处理器STM32F103VC,将其应用于采集控制单元。它是一款基于ARMv7-M架构的高性能、低功耗处理器,具有门数少,中断延迟短,调试容易等特点[4],其核心在于内含一个高效的哈佛结构三级流水线,通过广泛采用时钟选通、Tail-Chaining中断等技术改进每个时钟周期的性能,包括单周期32位乘法和硬件除法,获得了优异的能效比。它提供了丰富的片上资源:48 KB RAM、256 KB FLASH、USART、SPI、I2C、CAN、USB、16个12位的A/D转换器及大量的I/O端口,很好地满足了数据采集控制单元的检测控制要求。
2.2 模拟量采集模块
模拟量采集是获取热泵热水机运行状态的主要方式,分为温度和压力两类模拟信号。温度采集主要负责对压缩机的排气、吸气口温度,冷凝器的进水、出水温度和蒸发器的进水、出水温度进行实时检测;而压力采集则负责压缩机排气、吸气口压力的实时检测。出于成本的考虑,温度传感器选用NTC(负温度系数)热敏电阻传感器,但温度的变化与热敏电阻值的改变呈现非线性关系,为避免微处理器繁琐的数学浮点运算,本研究采用了效率较高的二分法查表法以及分段线性插值法求得对应的温度。
压力采集采用的是电压型压力传感器,输出信号为0～5 V的工业标准信号。由于微处理器STM32F103VC的模/数转换引脚只能接受上限为3.6 V的电压[5],将压力信号经过由运放LM324构成的电压跟随器后通过分压电阻,使得输入信号落入模/数转换引脚的工作范围。压力模/数转换电路如图2所示。
2.3 开关量输入/输出模块
开关量输入模块是对压缩机、水泵和电源交流接触器等被控对象运行状态的一个反馈,为了防止人为误接或外部干扰信号造成微处理器的误判,在开关输入通道上使用了二极管IN4007、光电耦合器TLP-521及ESD器件。开关量输出模块通过交流接触器间接控制压缩机、水泵和风机等部件的运行,对交流接触器控制端的控制则一般直接使用继电器控制。由于单片机I/O驱动能力有限,在单片机I/O端口与继电器之间除了必要的光耦隔离措施外,增加了一片由8个达林顿管组成的达林顿管阵列芯片ULN2803,从而保证系统的带负载能力。此外,在继电器的控制端加入了反向续流作用的二极管,抑制继电器感性线圈的瞬态电流[6]。开关量输入/输出模块分别如图3、图4所示。
2.4 通信模块
虽然热泵热水机控制器的人机交互单元与数据采集单元传输距离不足1 m,但考虑到热泵热水机运行环境恶劣,具有高电压、大电流、强磁场等特点,因此人机交互单元和采集控制单元的数据交互采用了四线制差分信号传输的RS485总线并采取了相应的抗干扰措施。在通信接口处采取了电源和传输信号全部的隔离,保证了隔离两边没有任何电气上的联系。电源的隔离使用了电源隔离芯片B0505LS;传输信号的隔离分别使用了快速光耦隔离芯片6N137和普通光电耦合器TLP-521。尽管不能不保证两组独立的电源之间的寄生电容与光耦两端的寄生电容相当,但是对于RS485的传输信号频率,在实际应用中取得了较好的隔离效果。RS485电平转换芯片选用抗雷击和抗静电芯片SN75LBC184,它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8 kV的静电放电冲击[7]。RS485通信电路如图5所示。
2.5 数据采集控制单元软件设计
2.5.1 数据采集控制单元软件流程
数据采集与控制单元的程序设计采用了模块化的设计思想,主要包括:程序初始化模块、通信处理模块、温度与压力采集模块、故障信号采集模块及策略判断与控制信号输出模块。热泵热水机运行流程图如图6所示。当机组在运行状态时,温度压力采集子程序负责定时对温度、压力值进行采集,当前采集值与上一周期的采集值不等时将发送给人机交互单元;故障信号采集子程序则是对开关量输入信号进行实时检测,这些开关量信号都是故障信号,如冷却水水流开关异常信号、压缩机高压异常信号等;策略判断与控制信号输出子程序是整个程序的核心,通过对两台螺杆压缩机容量调节电磁阀的控制,相应地改变各自压缩机的排气量,以此达到调节水温的目的。
2.5.2 压缩机容量调节策略
本研究采用的螺杆压缩机内部装有四段式容调控制系统,因此两台螺杆压缩机可实现八级的容量调节,即八级的油路加卸载。具体的压缩机容量调节策略如表1所示。
2.5.3 数据通讯协议
在热泵热水机恶劣的运行环境下,数据的稳定与可靠至关重要,本研究定义了一种在人机交互单元与数据采集控制单元间通讯的协议,如下所示:
数据均采用ASCII码的形式通讯,以起始符“@”开始,以结束符“#”结束。帧长度则规定了本帧传输数据的长度,帧类型为本帧所属功能的代码,数据则是相应所属功能的具体值,为了增加数据传输的可靠性,使用了循环冗余码CRC校验。
3 人机交互单元设计
3.1 人机交互单元的硬件设计
触摸屏技术在热泵热水机控制系统中的应用大大增加了人机交互的信息量,其硬件由Samsung公司采用ARM920T内核的RISC处理器S3C2410A为核心,其内核实现了MMU,AMBA BUS[8]和Harvard高速缓冲体系结构,具有独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache[9]。S3C2410A提供了丰富的片上资源,大大减少了系统开发的成本,包括:MMU虚拟内存管理器、LCD控制器、外部存储控制器、3通道UART、4通道DMA、4通道带PWM的定时器、I/0口、RTC、触摸屏接口、2端口USB主机/1端口USB设备、SD卡/MMC卡主控制器等。由于人机交互单元搭载微软的嵌入式操作系统WinCE 5.0,扩展了部分硬件资源保证系统的流畅运行。数据存储器的扩展选用两片16 MB×16位芯片K4S561632D-TC75构成32位数据总线;程序存储器的扩展选用256 MB NAND FLASH芯片K9K2G08U0M-YCB0,从而给操作系统映像文件与应用程序预留了足够的存储空间。本研究选用的夏普8寸LCD触摸屏支持640×480的分辨率,满足了人机交互界面显示的要求。此外,本研究提供了由网口芯片CS8900A及其外围电路构成的以太网接口,可以通过互联网实现远程监控。
3.2 Windows CE操作系统及开发工具
由于热泵热水机运行环境比较恶劣,这对运行在其上面的嵌入式操作系统提出了较高的要求,Windows CE(简称WinCE)正是一个可靠性好、实时性高、可裁剪的、32位微内核嵌入式窗口操作系统[10],其友好的交互界面、易用的开发环境成了平台的最佳选择。
Windows CE系统的开发大致包括:硬件开发、操作系统开发和应用程序开发3个阶段[11]。Platform Builder(简称PB)是Windows CE操作系统开发和定制的工具集,集成了设计、产生、构建、测试和调试操作系统的所有开发工具,通过交互的开发方式定制、配置、创建、调试操作系统映像。对于应用程序的开发则通常使用Embedded Visual C++(简称EVC),它是专为嵌入式开发而设计的开发工具,可以使用户快速开发MFC、ATL、DLL等多种Windows CE应用程序。
3.3 应用软件设计
3.3.1 应用软件框架及组成模块
热泵热水机控制系统人机交互单元的软件设计采用面向对象的模块化设计思想,主要包括:运行信息、运行记录、故障记忆、参数、密码、测试及起停模块。其整体框架及组成模块如图7所示:
(1)运行信息模块显示了热泵机组当前运行时各关键部件的运行状态信息。主要有运行工况,冷凝器、蒸发器的进、出水温度,压缩机的排气、吸气温度及高、低压压力等。
(2)运行记录模块以一定的周期记录了热泵机组运行时各关键部件的运行状态信息。
(3)故障记忆模块记录了热泵机组发生故障的具体信息,包括故障原因及故障点发生时各关键部件的运行状态信息。
(4)参数模块根据该参数对机组正常运行的重要性分成了4个子模块。不同类型的参数设置只有相应权限密码的用户才能进入查看或设置。
(5)密码模块因区分权限的需要也相应地分成了4个子模块,在各个子模块可重设密码并且后一级密码拥有更高的权限。
(6)测试模块是对水泵、压缩机、喷液电磁阀和各种指示灯的强制开启与关闭。
3.3.2 编程要点
(1)动画显示:为了使热泵热水机的整个运行过程更加形象生动,笔者通过在Picture控件中连续调用多张BMP格式的图片来达到动画的效果。因此先将被切换显示的图片作为可调用的位图资源,通过调用封装在CBitmap类中的成员函数LoadImage载入位图资源并强制转换成HBITMAP类型的句柄,调用函数SetBitmap设置控件的背景图。使用SetTimer函数开启一个定时器,在OnTimer函数中不断的依次重复载入位图与设置控件背景图以达到动画显示的效果。
(2)多线程技术:因为Windows CE不支持重叠I/O[12,13],如果在主线程进行大量读写串口操作时,有可能使整个程序陷入缓慢的串口等待,从而使得主界面的动画失去响应,因此一般都采用主线程处理消息循环,通过调用CreateThread函数专门开辟一个接收线程。对于多线程的协调则采用了事件对象的方法,使用了CreateEvent函数来创建事件。接收线程使用了WaitCommEvent函数来等待接收事件的发生,线程被该函数阻塞时,只消耗少量的CPU处理能力,使得主界面即时响应动画的同时又不影响串口正常的数据收发,从而达了使用多线程的目的。
人机交互单元的应用软件采用Embedded Visual C++编写,经编译、调试后将可执行文件复制至非易失性储存介质NAND FLASH中,通过Platform Builder修改注册表的键值实现了开机自动运行程序。热泵热水机运行时的主界面如图8所示,由图可知在清晰地观察到运行动画示意图的同时还能及时了解系统的运行状态。
4 结束语
本研究将ARM920T内核S3C2410A和STM32F103VC组成双核心硬件平台,并嵌入Windows CE 5.0操作系统构成热泵热水机控制系统,采用模块化的设计思想使系统具备很好的扩展性,尤其是嵌入式操作系统的引入大大提高了系统开发的效率,更具科学性。热泵热水机控制系统开发完成后,已成功应用于某企业的热泵热水机,使用结果表明该控制系统界面美观、操作简便、功能完善、运行稳定,控制精度达到了使用要求。
热泵控制器 篇2
地源热泵空调系统分析报告
一、项目概况
湖北能源调度大楼位于武汉市武昌区徐东大街中段，项目用地面积9770.5m2，总建筑面积96806m2，其中地上39层建筑面积71300m2，地下3层建筑面积25506m2。总建筑高度为167.8m。地上一到三层为裙楼，四层到三十九层为标准办公层，避难层设置在十五层和二十八层。
二、集中空调系统初步设计方案简介
原设计中，本大楼采用集中供冷、供热的水—空气系统，分设2个独立的空调系统。1-37层为一个冷热源空调系统（空调系统一），其中1-14层为低区，16-37层为高区。
38、39层为电力调度中心，另设一个单独冷热源的空调系统（空调系统二）。
1、空调冷热源
空调系统一：夏季采用，冰蓄冷（2台）+双工况螺杆式冷水机组（3台）+地埋管地源热泵机组（2台）的方式供冷，高低区分设空调水系统，低区由分水器直接供冷、高区通过设置在15层（避难层）的冷水板换供冷；
高低区共用空调冷源，冷量由蓄冰罐、双工况螺杆式冷水机组、地埋管地源热泵机组联合提供。夏季在夜间电价低谷时开启双工况螺杆式冷水机组蓄冰。白天根据空调冷负荷大小采用以下三种模式：蓄冰盘管单独供冷、蓄冰罐与双工况螺杆式冷水机组联合供冷、蓄冰罐+双工况螺杆式冷水机组+地埋管地源热泵机组联合供冷。地源热泵机组启停由室内空调冷负荷大小和冬季从土壤总吸热量与夏季对土壤总放热量基本平衡决定，即夏季当蓄冰罐与
螺杆式冷水机组联合供冷不能满足大楼空调冷负荷要求时，开启一台或二台地源热泵机组进行补充供冷，反之则地源热泵机组停止运行。
冬季低区采用地埋管地源热泵机组直接供热，高区采用二台燃气真空锅炉直接供热。
空调系统二：冬夏季采用风冷涡旋式热泵机组供冷供热，主机选择二台，每台机组在标准空调工况时的制冷量均为253KW，制热量为260 KW，热泵机组设置在39层屋面上。
三、经济技术分析：
1、地埋管地源热泵是通过输入少量的高位能源将浅层低位地能向高位能源转移的可再生能源利用技术，它可以将地下土壤中的热量或者冷量转移到所需要的地方，实现空调制冷、采暖或者生活热水使用，仅需要消耗极少的输送能耗。该系统比传统空调系统运行效率高30%-60%，能大幅降低系统运行费用。
2、冰蓄冷空调技术是利用错峰分时电价优惠政策，夜间电网低谷时运转制冷机制冷，并以冰的形式蓄存，在白天用电高峰时将冰融化提供空调供冷，从而达到转移高峰电力负荷，提高电厂一次能源利用效率、降低空调运行费用的一项调荷节能技术
3、有良好的社会和企业经济效益
我国上世纪50年代天津大学开始进行地源热泵研究，2000年后北京中科院能源高科技有限公司开始市场化运行。2006年北京市发改委、规划委等9家联合发文在北京“埋管式地源热泵按45元/㎡一次性补助”.现全国已有31个以上省进行地源热泵的工程。
一、对初期投资影响
（1）机组初投资比冷水机组费用多10%-30%。
（2）增加打井（埋管）费用。
（3）无冷却塔和冷却系统，不仅省费用，还可节约建筑面积和建筑空间
（4）减少锅炉房和锅炉容量、无入网费（煤气、天燃气）或少入网费、和减少储油罐安全费。
二、运行费比较
（1）夏季制冷，节约费用>20%。
（2）夏季采用热回收，可免费提供生活热水。
（3）冬季制热时，运转费用相当于天燃气、燃油锅炉的50%。
（4）全年运行费节约30%左右。
四、对目前方案的意见和建议
1、从最新的设计说明上看，有效埋管深度为80米，埋管深度可增大至100米~~~120米，如有效深度至120米，则总的埋管深度增加16560米，在夏季可多提供散热量800KW左右。
2、原设计有35个温度测点，我们的场地不大,实际可否减少，而且可以考虑在地埋管孔内直接安放传感器。
3、原设计中，白天根据空调冷负荷大小采用以下三种优先模式：蓄冰盘管单独供冷、蓄冰罐与双工况螺杆式冷水机组联合供冷、蓄冰罐+双工况螺杆式冷水机组+地埋管地源热泵机组联合供冷。
该设计意图是优先使用冰蓄冷，然后才是水源热泵系统。因为地源热泵空调运行的经济性和舒适性以及是本大楼的亮点，而且地源热泵的制冷量比冰蓄冷大，我们建议优先运行地源热泵系统。
4、冰蓄冷空调是利用夜间低谷负荷电力制冰储存在蓄冰装置中，白
天融冰将所储存冷量释放出来，可以减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量。
但根据目前国家对能源调控的趋势，将逐步取消峰谷电价，实行阶梯电价。从2010年6月起，湖北省停止执行居民分时和蓄能产品优惠电价政策，分时电表将不再享受优惠。随后，国家发改委正式回应电价问题，有关负责人介绍，发改委正研究电价调整一事，同时湖北省物价部门有关负责人通告媒体，实行阶梯电价是大方向。一旦峰谷电价取消，冰蓄冷系统在运行费用上将大幅提高。由于原方案本身就有螺杆机冷水机组，建议取消冰蓄冷系统，把冷水机组改成离心机式的亦可完全满足需求，并且运行效率更高。由于系统的简化，将节省初期投资100万左右。
5、空调系统
（二）建议取消。因该系统实为精密空调，一般用在实验室等对空气温度、湿度要求比较高，一般是恒温恒湿的环境里。而我们的调度楼办公室对温度、湿度没有这么高的要求，只是普通的办公环境。因此建议取消该系统，直接使用系统
（一），或者有必要的话加装普通中央空调。
五、负三层埋管工程分析
负三层埋管是地源热泵系统施工的关键。
1、施工方案的前期调查和论证
本工程地源热泵的施工是在地下负三层施工，为此我们进行了广泛的研究咨询。
（1）国内的地源热泵项目绝大多数是在平地上或广场上进行施工，施工难度很小。我们这个项目是在地下三层实施，这将会增加深基坑暴露的时间。由于项目周边的普通居民住宅离基坑只有十米左右，深基坑的安全风险非常大。预估414口井的打井时间需要两个月，实际施工时必须加强安全管理、交叉施工管理，合理安排好施工方案。
（2）预计地埋管打井施工会和土方开挖等作业交叉施工，成品保护是关键，否则，一旦对埋管造成破坏就是不可补救的。我们通过了解，武昌火车站在做地源热泵施工时，后期土方开挖等对埋管造成了很多破坏，引起换热量达不到设计要求，实际使用效果很差。
（3）建议地埋管施工和主机设备采购、安装由一个承包商来完成，避免出现系统出现平衡问题。并且发生问题后，两家互相扯皮，互不认账，不能很好解决问题。我们通过了解，武汉新火车站地源热泵施工由四家施工单位完成，究其原因，是要平衡各方的关系和利益不得已而为之，最后造成投资增加、工期延长等一系列问题。
（4）冬季从土壤总吸热量与夏季对土壤总放热量保持平衡是数年后系统还能保持良好运行效果的关键。一般来讲，总放热量大于总吸热量，当系统运行几年后，通过适当加长冷水机组的运行时间等措施可解决此问题。
（5）系统主机是整个空调系统的心脏，因欧美国家做地源热泵比较早，技术非常成熟，因此建议主机选用进口品牌，如克莱门特和特灵、美意等。
二〇一一年七月二十日
考察结果：
1、前期投资：
浅析地源热泵技术 篇3
关键词：地源热泵；地热资源（地能）；概念原理；种类安装；高效环保
中图分类号：P754 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-
由于全世界经济的快速发展和人口的急剧增长，生态破坏、环境污染和资源匮乏日益严重，节能减排、低碳环保已成为社会持续健康发展的新主题。人类找寻利用低耗高效的能源已成为当务之急，地源热泵就具备这方面得天独厚的优势。
地源热泵技术利用了恒温带地下浅层的含水层即地热资源也称地能（包括地下水、土壤、地表水或海水等）向建筑物冬季供热和生活热水，夏季供冷的高效节能环保空调系统。地源能是一种洁净的可再生能源，它具有热流密度大、方便收集和输送、参数稳定、使用方便、不受区域限制等优点。作为能量来源，依靠少量的高品位能源（如电能）驱动，通过与地能的交换实现低品位热能向高品位能热的转移。冬季里，把地能中的热量“取”出来提高温度后，供给室内取暖；夏季里，把室内的热量“取”出去，释放到地能中，在一个年度里实现一个冷热循环，而且还不影响地下温度的均衡。通常将以土壤的蓄热量、蓄冷量为冷热源的空调系统称为地源热泵。由于系统采用了特殊的换热方式，使高达70%的能量来源于土壤而约30%的能量来自电力，因此这项技术具有传统空调无法比拟的高效节能的特点，它实现了节能与环保的统一。
1 构造及原理
地源热泵和制冷的原理及系统设备的组成功能基本是相同的。
地源热泵系统由三个关键部位组成：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内末端装置系统组成。热泵机组为动力部位，由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等辅助设备构成闭合回路。压缩机起着压缩和输送制冷剂从低温低压处到高温高压处的作用，是系统的心脏，蒸发器是运送冷量的设备，它的作用是使经膨胀阀流入的制冷剂液体蒸发吸收被冷却物的热量，达到制冷的效果。冷凝器是输出热量的设备，从蒸发器中吸收的热量和压缩机做功转化的热量在冷凝器中被冷却介质（水或空气）一并带走，达到制热的效果。膨胀阀对高温高压制冷剂液体进行节流降压和调节进入蒸发器的制冷剂流量。
1.1 制冷状态下
地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液相变转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将风机盘管循环所带的热量吸收至冷媒中在冷媒循环流动的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，然后由水路循环转移至地下水或土壤里，在室内热量不断转移至地下的过程中，经过风机盘管，以低于13℃的冷风形式给房间供冷。
1.2 供暖状态下
地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向，由地下的水路循环吸收地下水或土壤中的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒流动循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管将冷媒所携带的热量吸收，在地下的热量不断转移至室内的过程中，以35℃以上的热风形式向室内供暖。
2 地源热泵的优点
高效节能：极大地利用了地球浅层地热资源，用1kW电可制造4kW以上的冷热量。
运行费用低：运行费用比传统中央空调节省约50%左右。
节省投资：无须设置冷却塔、锅炉等设备，没有外挂机，没有噪音，节省建筑面积，设备可分期投资。
安全环保：消除了燃烧或爆炸隐患，不向周围环境排放有害气体和排热，没有热岛效应。
运行可靠：系统不受外界气候变化影响，机组运行稳定，使用寿命20年以上，是分体或窗式机的2～4倍。
维护简单：系统结构简单，故障点少，无需专人管理，运行费用低。
独立计费：可分区、分户安装，单独控制，实现独立计费功能。
使用灵活：一机多用，集空调制冷、供暖制热、供生活热水于一体。
3 地源热泵的种类和安装
室外水环路换热系统为热泵机组提供冷热源，根据室外水环路的形式的不同，地源热泵系统可以划分为以下几种类型：开式、闭式、辅助系统。
3.1 开式系统
如果建筑附近地区有诸如湖水、河水、地下水、矿井水这样的自然水源可作为冷热源，开式系统就可利用这样的自然水源作为冷热源，通过热泵技术将水资源中的低品热能转化为用于供热的高品热能以及用作制冷时的冷却水，所耗的能量仅为占总供热（或制冷）量的四分之一的用电量，从而能够节约大量的运行费用。
采用地表水（如湖水、河水等）时，只须从上游取水，向下游回水。而从地下抽取地下水时，须在适当地抽取深度上利用水质较好地下水（地表水）作为直接能源，且抽水井必须有足够的水量以满足机组运行所需水量要求。在这样理想的状况下，地表水（地下水）源热泵系统应用是一种非常经济的系统形式，但受到地下水资源的限制。
3.2 闭式系统
如果建筑物周围有较大的绿化带或空地时可以采用闭式系统。闭式系统是一种以土壤为冷热源的热泵系统，室外水环路系统采用封闭的管线，内加水或防冻液作为中间介质与大地进行热交换。制冷工况时，系统将热量从建筑物内转移到大地，制热工况时，系统从大地吸收热量并转移到建筑物内。利用土壤这样的稳定热源，地源热泵可以全年提供可靠有效的舒适性。
闭式系统包括地下封闭的高密度聚乙烯管（PE管）热交换管路，水或防冻液作为中间介质以及循环泵。当系统处于制冷工况时，管内液体温度将会上升，热量被散发到较冷的大地中去，相对的，当系统处于供热工况时，管内液体温度下降，热量从大地吸入。循环泵运行系统中的循环水或防冻液。
高密度聚乙烯管（PE管）热交换管路可以采用垂直或水平安装，或是浸没在池塘中或湖中。设计适当时，这三种形式都以相似的效率运行，高密度聚乙烯塑料管用于闭合式环路安装，管接头用热熔形成接头，因此接头比管道本身还要结实。管环路的预计使用寿命达50年。环路管长的设计与土壤的性质，埋管方式等多方面因素有关。
3.3 辅助系统
在没有自然的冷热源可利用的情况下，可以采用闭合环路水源热泵系统。夏季采用冷却塔散出系统多余热量，冬季通过辅助热源（如外围热网、辅助锅炉等）补充系统热量，此时系统水环路的水温宜保持在15℃～35℃之间。闭合环路水源热泵系统采用一个双管封闭的水系统并联连接建筑物中各个区域的水源热泵机组，通过闭合环路中水温保持在15℃～35℃之间的水的循环保证机组的运行，为保证系统水温维持在15℃～35℃之间常常需要用辅助热源和散热设备，当系统水温比15℃低时利用加热装置加热，当循环水温高于35℃时，利用冷却塔进行冷却。
4 与其他能源的耗能效率比较
地缘热泵马这些能源的耗能效率比较，效率要高几倍电能：100%，天然气：92%，油料：85% 地源热泵空调：300%～400%。
5 应用范围
学校、宾馆、娱乐城、室内游泳馆、温室、工业建筑厂房、商场医院、大型公共场所、别墅、员工洗澡堂、桑拿馆等的。
概括而言，地源热泵空调系统的能量来源于自然能源，它不向大气环境排放任何有毒有害气体和废水，是一种低碳环保的“绿色空调”，是21世纪可使用的节约高效的供冷、供暖空调技术体系，节能高达70%，经过2～4年的运行，节省的运行费用就可收回该系统的投入成本，没有寒带、温带、热带使用地区的限制，它将为世界经济可持续健康高速发展带来新的契机。
参考文献
[1] 姬安娜，等.环保节能地源热泵技术应用研究[J].
[2] 环境保护与循环经济，2008.
[3] 吴春红.浅谈地源热泵[M].能源与节能，2011.
作者简介：代桂华（1964-），女，陕西西安人，西安市干鲜果副食公司工程师，研究方向：空调制冷工程。
风冷热泵机组控制器的研制与应用 篇4
风冷热泵机组(以下简称冷水机组)采用空气循环散热方式，具有节电、节水、环境污染小、安装简单方便、运行费用低、一机冬夏两用设备利用率高等特点。冷水机组作为一种比较成熟的高效环保型供冷(热)产品，近年来在我国得到了广泛的应用。然而，冷水机组控制器的关键部件基本上是从国外进口，不但增加了产品的成本，也给售后维修带来了不便。本文在比较国外各类冷水机组控制系统的基础上，采用成熟的控制技术，按标准化、系列化进行国产化研制，重点完成了电子温度控制器和自动除霜控制器的开发。
2 冷水机组控制器的工作原理
2.1 控制器的组成
冷水机组控制系统由一台内嵌式控制箱、各种执行器件(如压缩机、风机、接触器、换向阀)及现场检测传感器等部件组成。控制箱内有电子温度控制器、自动除霜控制器、中间继电器和时间继电器等器件。冷水机组控制模式包括制冷控制、制热控制、制热时的自动除霜控制等控制过程，冷水机组控制原理框图如图1所示，电子温度控制器的原理图如图2所示。
2.2 制冷控制过程
选择制冷模式时，制冷、制热模式选择开关SEL1断开，电子温度控制器的“cool”端与交流24V的L线相连，“heat”端与交流24V的N线相连，三极管G4截止，G3饱和导通。此时，调节电位器RV1可设定制冷时的回水温度值，其控制过程如下。
1)当温度传感器TH1测得回水温度大于等于设定温度+2℃时，比较器IC1B(1)脚输出高电平，三极管G6饱和导通，继电器RY2吸合，中间继电器K2、K3、K6和时间继电器KT2同时得电动作;时间继电器KT2延时6分钟后中间继电器K1得电动作，然后接触器KM3、KM1和时间继电器KT1、KT3同时得电动作;时间继电器KT3延时1.5秒后KM4得电动作，压缩机满载运行;时间继电器KT1延时3分钟后退出锁定。随着压缩机的运行，冷水机组的出水温度逐渐降低，当回水温度小于设定温度+2℃时，比较器IC1A的(2)脚输出低电平，三极管G7截止，继电器RY3断开，中间继电器K2失电，卸载电磁阀YV1得电，压缩机卸载运行;当回水温度大于等于设定温度+4℃时，IC1A的(2)脚又输出高电平，继电器RY3吸合，中间继电器K2得电，卸载电磁阀YV1失电，压缩机满载运行。
2)当回水温度小于等于设定温度时，比较器IC1B(1)脚输出低电平，三极管G6截止，继电器RY2断开，时间继电器KT2、中间继电器K1失电，继而接触器KM1、KM2、KM3、KM4和时间继电器KT1、KT3同时失电，压缩机停机。随着冷水机组的出水温度逐渐升高，当回水温度大于等于设定温度+2℃时，比较器IC1B(1)脚又输出高电平，继电器RY2吸合，时间继电器KT2得电延时6分钟后K1得电，继而接触器KM1、KM2、KM3和时间继电器KT1、KT3同时得电，KT3延时1.5秒后，接触器KM4得电，压缩机满载运行，时间继电器KT1延时3分钟后退出锁定。在制冷运行时，2#室外风机受风压开关PK2的控制，当PK2闭合时，2#室外风机运转。
2.3 制热除霜控制过程
在制热模式下，当压缩机累计运行果室外盘管温度高于除霜退出整定温度值，温度控制器TK2_DFT闭合，或除霜运行10分钟后，则退出除霜。除霜开始和退出的判断及控制过程如下。
压缩机累计运行计时如图3所示，压缩机运行时“L”、“N”端有220V的交流电，三极管G8、二极管D16截止，计时器IC2正常计时;当压缩机停止运行时“L”、“N”端无220V的交流电，三极管G8、二极管D16导通，计时脉冲被钳位到低电平，计时器IC2停止计时。当压缩机累计运行时间超过除霜间隔时间的设定值，由D7—D14构成的与门输出高电平，此高电平一方面使IC6的(10)脚输出低电平停止IC2的计时，另一方面使IC6的(11)脚输出低电平打开IC7B。此时如除霜条件不满足，由IC5A、IC5B构成的触发器保持原态，冷水机组继续制热运行;如除霜压力条件满足，除霜压力控制器PK1_DFP闭合，则由IC5A、IC5B构成的触发器翻转发出开始除霜信号，三极管G2饱和导通，继电器JK1吸合，中间继电器K5得电动作，换向阀YV2、卸载电磁阀YV1和接触器KM1、KM2同时失电，压缩机进入除霜工作状态;室外风机接触器KM1、KM2在除霜状态下，受风压开关PK3控制。除霜间隔时间根据使用环境由拨码开关SW现场设置，设置范围是30分钟到90分钟。
退出除霜的判断电路如图4所示，开始除霜时IC5B的(4)脚输出低电平，使除霜2分钟计时器IC4开始计时，2分钟后，IC4的(4)脚输出高电平，此高电平信号一方面使或非门IC7C关闭，停止2分钟计时，另一方面使8分钟计时器IC3开始计时。同时与非门IC5D的(11)脚输出低电平打开或非门IC7D，如果室外盘管温度高于除霜退出整定温度值，温度控制器TK2_DFT闭合，IC7D的(11)脚输出高电平复位压缩机累计运行计时器IC2，由IC5A、IC5B构成的触发器翻转，退出除霜，即中间继电器K5失电，换向阀YV2、卸载电磁阀YV1和接触器KM1、KM2同时得电，压缩机进入正常制热工作状态。如果温度控制器TK2_DFT始终不能闭合，则在8分钟后IC3的(12)输出高电平，也自动退出除霜，即最大除霜时间为10分钟，最小除霜时间为2分钟。
3 冷水机组的保护控制
冷水机组控制器设有多种保护措施，具有完善的保护报警功能。防冻结与高温保护电路如图5所示。
3.1 防冻保护功能
在制冷状态下开关SEL1断开,或非门IC2B被封锁固定输出低电平,或非门IC3A打开。由出水温度检测传感器TH2、滞回比较器IC1D及其周围的电阻器等构成防冻保护电路。在出水温度高于2℃时,比较器IC1D的(13)脚输出高电平,IC3A输出低电平,IC3B输出高电平,IC3D输出低电平,三极管G2截止,继电器RY1释放,连锁保护继电器K6得电,冷水机组正常工作;当出水温度小于2℃时,比较器IC1D的(13)脚输出低电平,IC3D输出高电平,三极管G2饱和导通,继电器RY1吸合,连锁保护继电器K6失电,接触器KM1、KM2、KM3、KM4和时间继电器KT1、KT3失电,压缩机停机保护;在此之后,只有当出水温度大于5℃时,比较器IC1D的(13)脚又输出高电平,解除防冻保护,通过复位开关才能重新开机。
3.2 高温保护功能
在制热状态下开关SEL1闭合，或非门IC3A被封锁，固定输出低电平，或非门IC2B打开。由出水温度检测传感器TH2、滞回比较器IC1C等构成高温保护电路。在出水温度低于60℃时，比较器IC1C的(14)脚输出低电平，三极管G2截止，继电器RY1释放，连锁保护继电器K6得电，冷水机组正常工作;当出水温度高于60℃时，比较器IC1C的(14)脚输出高电平，三极管G2饱和导通，继电器RY1吸合，连锁保护继电器K6失电，接触器KM1、KM2、KM3、KM4和时间继电器KT1、KT3失电，压缩机停机保护;在此之后，当出水温度小于55℃时，比较器IC1C的(14)脚又输出低电平，解除高温保护，通过复位开关才能重新开机。
3.3 水流量低和排气温度高保护功能
在冷水机组运行中，若冷媒水流量低，流量开关QK1断开;若压缩机排气温度高，温度开关TK1断开。无论是QK1或TK1断开,都使连锁保护继电器K6失电,接触器KM1、KM2、KM3、KM4和时间继电器KT1、KT3失电,压缩机停机保护。
除上述的几种保护外,还有压缩机再起动延时保护,压缩机双绕组起动等多种保护功能。所有动作温度点的比较都采用滞回比较器,避免了动作温度点附近的振荡,防止误动作,提高了控制的可靠性。此外,所有中间控制继电器、接触器的线包电压均为交流24V,增加了使用的安全性。
4 结束语
研制的风冷式热泵机组控制器在实际使用过程中运行稳定、可靠，未发现任何异常现象，完全满足设计要求，达到了预期的目的。该控制系统已通过客户的定型验收，替代了进口产品，并投入批量生产。
摘要：介绍了风冷热泵机组的控制方案,详细描述了电子温度控制器、自动除霜控制器的工作原理和设计思路。在制冷时由温度比较器1控制压缩机的起停,温度比较器2控制压缩机的卸载运行;而在制热时则由温度比较器2控制压缩机的起停,温度比较器1控制压缩机的卸载运行,构思独特。电子温度控制器还设有完善的保护电路,提高了风冷热泵机组运行的可靠性、稳定性。
关键词：风冷式热泵,电子温度控制器,自动除霜,连锁保护
参考文献
[1]彦启森.空气调节用制冷技术[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.
[2]王毓银.脉冲与数字电路[M].北京:高等教育出版社,1985.
土壤源热泵的研究 篇5
土壤源热泵的研究
土壤源热泵是利用媒介质取其土壤内冷(热)能量的`新型装置.在分析土壤源有关特性的基础上,研究土壤源热泵的设置及其特性的测试.
作 者：魏先勋 李元旦 林玉鹏 曾光明 WEI Xian-xun LI Yuan-dan LIN Yu-peng ZENG Guang-ming 作者单位：湖南大学环境科学与工程系,湖南,长沙,410082 刊 名：湖南大学学报（自然科学版） ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF HUNAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES EDITION) 年，卷(期)： 27(2) 分类号：X82 关键词：土壤源 热泵 地热开发 地热利用水源热泵运行实例分析 篇6
关键词：水源热泵 运行管理 节能
当今社会环境污染与能源危机已成为全人类必须面对并要加以解决的重大课题，在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的供暖空调系统应运而生，而水源热泵技术正是满足这些要求的比较有代表性的低耗能新型供暖空调技术。
1、热泵机组由于其具有节能、环保及冷暖联供等优点，目前在国内广泛应用。水源热泵技术是利用地球表面浅层水源和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。
2、水源热泵空调系统是一种可以利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊），和人工再生水源（工业废水、中水、地热尾水等）的既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热能的转移。将水体和地层蓄能作为冬、夏季的供暖热源和空调冷源，即在冬季，把水体或地层中的热量“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。
对于水源热泵的节能及运行效果，本文结合一个正在运行的工程实例，用实际数字對水源热泵的节能及运行效果作进一步探讨。
3、厂区热泵系统简述
2009～2010年采暖期中，在保定市某厂区项目里利用了厂区生产用的高品质工艺水进行与热泵换热一方面降低生产用工艺水回水温度达到生产设备使用要求，另一方面提取生产设备产生的热量作为厂区的净化空调夏季用热及冬季采暖。
3.1工程相关背景及项目介绍
保定市某厂区的车间设备工艺水需求为28-38℃，可利用的热力资源较为丰富，厂区还设有对温湿度要求比较高的净化空调系统，要求四季供热。该厂区原有一座采暖生活锅炉房，有2t（蒸汽）、4t（热水）锅炉各一台，一直以燃由油燃料，燃油消耗一直保持在700～750t/a的水平。安装热泵后表明：水源热泵技术先进，机组集成度高，安装方便；操作全自动化；经济性能良好；安全性能优越；操作简单，实用性强；对废热以及地热丰富的单位、地区而言有很强的实用性，具有广泛的推广价值。
该项目的热源是利用厂区生产设备28-38℃工艺水余热，通过高效换热装置加热系统热媒清水，换热后的热媒清水温度上升约10℃左右，然后利用约克热泵将10℃的热量提取应用于采暖。设计一次侧生产用工艺水流量为80m3/h时，热媒清水温度要求在35℃左右，压力保持在3kg以上。
3.2运行的经济性比较
热泵系统输入功率是556kW，输出功率为2224kW，总输入、输出功率的大小可自动调整。从运行情况看，在停用锅炉的情况下，运行参数稳定，换热能力和系统出力完全符合设计要求。热媒清水进出水温度分别保持在30～40℃和20～32℃之间，主机做功时的温差在8～12℃之间，系统运行时可保证出水温度大于73℃（温度可以设置）。实际耗电情况：2009年1月份零下15℃时，每天耗电量在11000kW·h电左右；其他时间耗电一般在7000～9000kW·h，电价按保定地区工厂用结算价0.37元/kW·h计算，最冷时“燃料”成本为4 070元，一般情况下为2 590～3 330元；如果按照工业用电价格0.5元/kW·h计算，那么每天“燃料”成本在3 500～4 500元之间，由此可以推断出水源热泵系统单位面积运行成本约为0.10～0.13元，而在水源热泵投产前使用的燃油锅炉每天的燃料成本在10 800元左右。热泵系统实现自动化，无需人工操作，这样大大节约了人员工资。热泵供暖系统与原有的燃油锅炉相比每个采暖季可以节省816 000元，与电锅炉供暖系统相比每年可以节省1 653 360元。热泵运行费用大大低于燃油锅炉的成本，因此热泵产品经济效益明显。
3.3运行的安全及环保性
使用水源热泵系统时燃油锅炉系统完全停用，大大降低了系统危险系数，使单位安全生产管理的压力大为降低；环保方面，由于新系统只消耗二次能源，使得与纯消耗一次能源的老系统相比几乎没有环境污染。无论是废水、废气、固体废弃物、噪声还是其他环境污染物的产生量均大大降低，发生污染事故的可能性基本为零。
3.4操作与运行管理方面优越性
一段时间的运行实践表明，该系统操作简单，管理相对容易。实现了以下几方面的自动控制功能：
1）输出功率自动调节及保护功能；
2）污水压力自动调节及保护功能；
3）热媒清水温度、压力自动调节及保护功能；
4）系统进口精细过滤及自动排污功能；
5）系统变频自动补水。
该系统实现较高程度的自动化后，只需一次设置好出水温度，运行负荷的调整甚至运行全过程均无需操作人员干预。
对于管理人员而言，新系统的安全性、环保性、运行的稳定性均有较大程度的提高。工作现场环境有了较大变化。相应的管理重点也发生了较大转变，管理工作中以前的查找安全事故隐患，调整运行状态至相对较为高效低耗的平台上，杜绝环境污染事故等项工作基本上被现在的抓现场管理，提高操作人员综合技术素质的工作代替。管理难度大大降低，管理责任相对减轻，工作组跃过了较低层次阶段，直接迈上了一个新的台阶。
4、 结论
1）从工作原理即可得出，水源热泵空调系统具有效率高、节能、环保的优点；同时，水源热泵空调系统技术和产业化已经成熟，在我国符合条件的地方，特别是有余热、废然可利用的地方应大力推广该技术。
2）通过对一个正在运行的工程实例的分析，表明水源热泵空调供暖系统运行费用大大低于电锅炉及燃油锅炉供暖系统的成本，因此热泵产品经济效益明显。
3）水源热泵空调系统废水、废气、固体废弃物的排放均较少，是真正的节能环保型空调；同时，其操作及运行管理也相对简单。
参考文献：
[1]徐伟等译，朗四维校.地源热泵工程技术指南[M].北京：建筑工业出版社，2001
[2]范存养.热泵空调及各种热回收系统和空调节能措施[J].同济大学科技情报站
[3]武姿，张世钢污水换热器传热性能测试分析[J].暖通空调，2009（2）
智能控制加热柜热泵系统研究 篇7
智能控制加热柜热泵系统采用弗洛德系数和雷诺数设计技术, 以及单片机控制技术、嵌入式软件技术和GPRS计算机远程监控技术, 安装一套内置水温分层装置的智能控制加热柜与热泵机组相连, 专门为贮水箱提供设定温度的热水, 创新性开发出全新的节能热泵系统, 该系统实现了“冷热分开、分层加热、按需释热、高效节电”的热泵系统加热方式技术创新, 使热泵系统始终处于最佳的运行状态, 实现热泵系统高效节电的目的。
1 节能热泵技术背景
1.1 节能热泵发展状况
随着城市化高潮的来临, 每年城市新建建筑面积大约有10亿平方米, 目前我国建筑能耗约占总能耗的28%。降低能源的消耗, 建筑节能首当其冲。如何提高用能水平, 减少能源消费给环境带来的污染, 改善人们的居住生存环境已经成为迫在眉睫的硬任务。只有采用非传统的高新环境能源技术才能有效解决能源消费对环境造成的严重污染, 热泵技术就是这样一种典型环境能源技术。
进入21世纪后, 中国沿海地区的快速城市化、人均GDP的增长、2008年北京奥运会和2010年上海世博会等因素拉动了中国节能热泵市场的发展, 促进了节能热泵在中国的应用越来越广泛, 节能热泵应用发展十分迅速, 热泵技术的研究不断创新发展。
1.2 当前热泵系统存在的问题
(1) 用一个大的贮水箱进行加热, 冷水进入热泵经过加热后成热水回到贮水箱与原来的冷水无规律的进行混合, 影响了加热效率。
(2) 在贮水箱向用户供应热水后, 新补的冷水直接进入贮水箱中与原来的热水进行混合, 影响系统的能效比。
(3) 由于贮水箱向用户供应热水后, 新补的冷水直接进入贮水箱中与原来的热水进行混合致使水温下降, 不能向用户提供温度恒定的热水。
(4) 智能控制系统设计较为简单, 不能达到使热泵系统高效率运行的要求。
1.3 解决问题的方式
针对以上状况, 本次开发的节能热泵项目—智能控制加热柜热泵系统采用弗洛德系数和雷诺数设计技术, 以及单片机控制技术、嵌入式软件技术和GPRS计算机远程监控技术, 安装一套内置水温分层装置的智能控制加热柜与热泵机组相连, 专门为贮水箱提供设定温度的热水, 创新性开发出全新的节能热泵系统, 该系统实现了“冷热分开、分层加热、按需释热、高效节电”的热泵系统加热方式技术创新, 实现了解决传统节能热泵系统冷热水混合加热、系统供水温度不稳定以及智能控制技术较差而造成系统运行能效较低难题的瓶颈技术突破, 使热泵系统始终处于最佳的运行状态, 大幅减少热泵系统运行费用。本产品可广泛应用于学校、医院、宾馆、住宅区等场所的空气源、地源、水源等各类太阳能热泵集中式供水系统中。
2 加热柜热泵系统结构
2.1 加热柜为贮水箱提供温度恒定的热水
在热泵系统中设计保温贮水箱及智能控制加热柜两个热水箱, 保温贮水箱专门用于热水的存储, 在设定的时间向用户提供温度恒定的热水。智能控制加热柜主要由小水箱及主控制箱构成, 专门用于热水加热, 当水温达到设定的温度时, 将内置水温分层装置的智能加热柜与热泵机组相连, 向贮水箱提供温度恒定的热水。通过增加智能控制加热柜的设计, 可以避免传统补水方式中冷水直接进入贮水箱中与原来的热水相互混合造成的能效比下降、水温下降问题, 明显提高机组运行效率及供水质量。
2.2 采用整体平移水温分层技术
水温4摄氏度时的密度最大, 随着水温的升高密度逐渐减小。整体平移水温分层技术是在温度分层基础上研发的, 依靠密度差使热水和冷水之间保持分隔, 使温度低的水位于加热柜的下部, 温度高的水位于加热柜的上部, 避免冷水和热水无规则混合而造成的能效比下降。在温度分层型智能加热柜中, 为了使水以重力流或活塞流的方式平稳地导入柜内 (或由柜内引出) , 其关键是须在加热柜的冷热水进出口处设置设计科学合理的水流分流装置。弗洛德系数和雷诺数是设计智能加热柜中整体平移水温分层水流装置的重要参数, 水流装置水管的长短、直径以及水管上开孔的大小和距离在设计时必须满足弗洛德系数和雷诺数, 以确保水流的进出均匀而缓慢、扰动小、分布在整个水面, 从而避免热泵在给加热柜中的冷水加热时热水与冷水无规则的相互混合, 避免热量无规则的传导, 提高热泵系统的加热效率。
3 加热柜热泵主控系统
加热柜热泵系统的单片机智能控制设计主要由主控器及加热控制器组成。主控器安装在主控箱内, 加热控制器安装在加热柜内, 主控器与加热控制器以RS485通信连接, 每个主控器最多可与8个加热控制器进行连接。
(1) 主控器:可对水箱温度、水箱水位、环境温度、回水温度进行检测, 实现各种参数的显示及设定输入;具有加热定时及供水定时控制功能, 根据时间、温度、水箱水位等条件控制供水泵及回水阀;另有一路备用继电器输出, 可根据需要进行变更, 并向加热控制器发出相应的指令。
(2) 加热控制器:负责控制加热过程中的管路切换, 及一些必要的参数检测, 并控制热泵的起停。
(3) 智能控制器在采用加热柜方式的热泵控制系统应用说明:当回水未接回水温度传感器时, 在供水的初期, “回水阀”断接通, 使供泵工作, 20分钟后, 关闭“回水阀” (其实是关闭供水泵) 。而在接入回水温度传感器后, 在供水期间, 回水温度低时, 开“回水阀”即开供水泵, 反之, 关掉“回水阀” (关供水泵) 。而其间“供水阀”始终打开, 即只要供水, 供水店磁阀一直打开。而在地面系统时, 与之相似, 不同的是, 控制的是回水阀, 而供水阀要一直工作。
4 加热柜热泵GPRS计算机远程监控系统
项目采用了嵌入式软件等智能控制技术, 实现了热泵系统的GPRS远程监控与管理以及现场自动控制。智能加热柜有停机、进水、加热和出水四种状态, 在收到主控器指令后, 加热控器会根据加热柜内的水位及温度等条件发出相应的反应。
停机:收到停机指令时, 智能加热柜进入停机状态, 关闭循环泵, 停掉热泵, 关闭所有阀门。
补水:在收到补水指令时, 检测智能加热柜中水位, 如果水位未达到上限, 进入进水阶段, 即打开进水阀, 打开循环泵同时开启泵, 打开内环阀让冷水经热泵机组补入到智能加热柜中;当智能加热柜中的水位到达水位上限时, 进入加热阶段, 关闭进水阀。热泵机组与智能加热柜形成一个小循环加热系统。
出水:当热泵机组的出水管水温达到设定出水温度时, 进入出水阶段, 即关闭内环阀, 打开出水阀, 智能加热柜内的热水在循环泵的作用下经热泵机组流向贮水箱;当智能加热柜内的水位低至水位下限时, 进入进水阶段, 关闭出水阀, 打开进水阀。周而复始, 直至收到主控器的停止补水指令。
加热:在收到循环加热指令后, 智能加热柜进入进水阶段。在进水阶段, 关闭进水阀, 打开大环阀、内环阀, 贮水箱的水经大环阀进入智能加热柜。经过一个延时之后, 智能加热柜里有了一定的水量, 即关闭内环阀, 然后打开出水阀, 热泵机组与贮水箱之间形成了一个大循环加热回路。在水位低于下限时, 会打开内环, 经过一个延时后, 又回到上述大循环状态。进水时如果水位达到上限, 直接进入加热阶段。
图2说明:主控制器完成现场控制的大部分功能, 通过GPRS远程通信功能, 在大多数不配HMI (人机接口) 的场合, 仍可以使用主控制器与异地的远程监控中心通信。
在需要通过以太网进行通信的场合, 可采用HMI做为通信中介, 由HMI通过以太网与客户端监控服务器或者互联网上的异地监控服务器通信。此外, 还可以选择使用RS485/以太网转换模块, 使主控制器加入到以太网中, 直至通过互联网与异地的监控服务器进行通信。
5 结论
本文采用GPRS计算机远程控制技术设计加热柜热泵系统, 系统结构新颖、自动化程度高、节能效果好, 经济效益和社会效益显著。特别是安装一套内置水温分层装置的智能控制加热柜与热泵机组相连, 专门为贮水箱提供设定温度的热水智能控制技术, 在国内未有相关资料介绍, 为建筑节能提供了一种全新的节能方式。
摘要：文章提出一种智能控制加热柜热泵系统的实现方案, 介绍了智能控制加热柜热泵系统的结构形式, 分析了智能控制加热柜热泵系统和采用的智能控制技术, 在此基础上重点阐述了智能控制加热柜热泵系统设计及GPRS计算机远程监控技术的实现。
关键词：加热柜热泵,冷热分开,分层加热,高效节电
参考文献
[1]罗映冰.基于GPRS技术的计算机远程监控系统的研究与实现[J].中国科技信息, 2010, (2) :96-97.
地源热泵空调控制系统研究 篇8
关键词：地源热泵,节能,控制
能源问题是人类面临的重大挑战之一, 如何高效地利用地能资源是解决能源问题的有效方法。目前国内外利用地能的一种重要形式就是地源热泵系统。山东丝绸纺织职业学院积极响应国家“节能减排”的号召, 地源热泵系统在2010年11月正式投入运行, 能过完全满足日常工作、生活需要。将低温热源的热能转移到高温热源的装置就是热泵。按热泵驱动功的形式分吸收式热泵、蒸汽喷射式热泵、机械压缩式热泵。其中, 最常见的是机械压缩式热泵。而根据机械压缩式热泵所吸收的可再生低位热源的种类, 又可将热泵分为:空气源热泵、水源热泵和地源热泵等。
1 地源热泵介绍
地源热泵技术, 它是利用浅层常温土壤中的能量作为能源, 具有高效节能、无污染、运行成本低等优点, 不仅可以采暖还可以制, 并且还可提供卫生热水。实际上是利用地下土壤常年温度相对稳定的特性, 是一种通过埋入建筑物周围的地耦管与建筑物内部完成热交换的装置。冬季时, 将大地中的热能提高以便对建筑物供暖, 将建筑物内的冷量储存至地下, 以备夏季制冷使用;而在夏季, 则是通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对其降温, 并储存热量, 以备冬季制热使用。地源热泵技术被称为21世纪的“绿色空调技术”, 是目前中央空调方案中的最佳选择。
2 地源热泵空调系统简介
地源热泵中央空调系统由三部分组成:能量采集系统, 能量提升系统, 能量释放系统。能量采集系统是采集大地土壤所蕴藏着的丰富低温热能。能量提升系统是将采集来的能量经提升交换, 进而传送至空调空间, 便于以实现能量的释放。能量释放系统则是地源热泵中央空调系统在建筑物内的空气调节部分, 简称空调, 就是调节空气的湿度、温度、清洁度, 将其控制在合适的范围内, 保证室内的空气质量, 使人感到舒适。
3 地源热泵空调控制系统
地源热泵的空调系统是按最大负荷设计的, 同时还会乘以一个系数, 设备的选择都是按最不利的工况来进行选型设计, 因此留有相当的余量。机组的自动化控制主要是解决空调系统的能源有效利用和节能。地源热泵系统运行则是采用柔性变容量技术调节机组运行负载, 因此, 节能效果比较显著。
自动控制系统具有定时开关机, 远程监控, 手动、自动切换工作状态, 故障自动判断、处理、报警、内存记录, 与附属设备联动, 能量控制, 运行管理, 负荷匹配, 运行限制, 全中文信息, 触摸屏显示等功能。自控控制系统原理如图1所示。
当系统运行时, 开关S给出信号, 首先工作的是空调侧和地缘侧循环泵, 在感应系统接收到工作信号后, 紧接着命令传感器组检测水温、室温等信号, 同时将检测结果反馈给单片机, 根据结果, 单片机决定压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等的工作。
地源热泵空调控制系统分为三大部分:循环泵组部分, 感应系统, 运行部分。其中, 循环泵组部分, 采用的是继电器控制系统。
继电器、接触器、按钮、开关、行程开关等低压电器组成了继电器控制系统, 通过电气触点的闭合和分断控制电路的接通和断开, 进而实现对电动机拖动系统的起动、停止、调速、制动、自动循环与保护等的自动控制。它具备控制器件结构简单、价格低廉、控制方式直观、容易掌握、工作可靠、易维护等优点。同时, 也具有接线复杂、易出故障、可靠性差、维修费用高、体积较大、控制速度慢等的缺点。
对于可编程控制器控制系统, 则具有可靠性高、编程简单、通用性好、功能强大、体积小、功耗低、设计施工周期短等优点, 因此, 对于此循环侧泵组采用PLC控制进行改造。
4 改造原则
不管是哪种控制系统都是为了实现生产过程或生产设备的工艺要求, 提高产品质量和生产效率。在设计PLC控制系统时, 应遵循以下基本原则:
1) 最大限度地满足被控对象的控制要求;2) 确保PLC控制系统安全可靠;3) 力求简单、经济、使用及维修方便;4) 适应发展的需求;5) 考虑到生产的发展和工艺的改进, 在选择PLC容量时, 应适当留有容量。
继电器控制系统移植成PLC梯形图应遵循的规则是:时间触点的等效规则、输入触点的常态规则、输出电路的安全规则、形式一致规则、梯级可执行规则、逻辑等价性规则。
继电器控制系统在转化成PLC控制时应满足的条件是:
1) 输入元器件与输出元器件要求一致;2) 梯形图中各元器件的控制顺序时应根据继电接触器电路的的控制过程来编排, 并且要符合控制逻辑;3) 每个输出继电器在继电器控制电路和梯形图中都应是用其常开触点自锁的;4) 梯形图的回路和继电器控制电路间都是用其常闭触点进行互锁的;5) 在发生状态变化的控制时, 继电器控制电路中往往采用中间继电器, 而对于梯形图则是采用状态继电器对受控元件加以监控;6) 继电器的触点在继电气控制电路中只能使用一次。对于梯形图中的同一个触点则可以使用多次;7) 在继电器控制电路中, 触点和线圈是同一个组合体, 一旦给继电器、接触器通电, 线圈和触点几乎同时动作。对于梯形图, 则只存在控制上的逻辑关系。当线圈作为输出元件或是控制的中间条件线圈, 只限于使用一次。
5 结论
作为一种环保节能的空调方式, 地源热泵是一项跨专业的综合能源利用技术, 需要通过相关专业技术人员的通力协作来完成的。近几年来, 地源热泵空调系统在国外很多国家都取得了较快的发展, 在中国, 地源热泵市场也日趋繁荣, 可以预测, 该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
参考文献
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[2]涂峰华, 赵军, 朱强.地源热泵的工程应用及环保性分析[J].节能技术, 2001 (3) :33-35.
热泵控制器 篇9
适合、可靠的水源是有效应用水源热泵的前提,地源中央空调系统中所使用的水源热泵机组是一种高效率的制冷制热设备,其性能系数COP (Coefficient Of Performance)值之高(性能系数也就是通常所说的能效比,简单地说是机组输出的冷量/热量与机组所消耗电功率的比值)是其它类型系统无法比拟的,COP值是评价空调机组节能性能优劣的主要指标。目前国内、外产品,即使由于机组采用不同形式交换器,以制冷工况为例,COP值也可以达到5-7左右。比家用小型分体空调的性能系数高出2倍以上。一般家用小型空调的性能系数在3.0左右,国际上家用空调最高的性能系数达4.15。目前,我国分体式房间空调器的性能系数分为五个等级,一级最高为3.4以上,五级最低为2.6。我国出台的《能源效率标识管理办法》,其中规定空调性能系数达3.2以上为节能产品,低于2.6的为不节能产品,不节能产品不准生产销售。由此可见,我国政府对节能产品的重视程度。
由于地源中央空调系统中的核心水源热泵机组的性能系数高,所以,比其它形式的中央空调的运行费用低得多,同样的使用面积,输出同样的冷热量,如锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转换为热量供用户使用,而水源热泵的转换效率可高达5.5以上。因此它要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能,,比燃料锅炉节省二分之一以上的能量,运行费用为各种采暖设备的30～70%。由于地表水的温度全年较为稳定,一般为10℃～25℃之间,其制冷,制热系数可达3.5～5.5,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50～60%。所以,地源中央空调系统应该说是目前最节能的中央空调系统。同时,也是最环保无空气污染、无水污染、无噪声污染的供冷、供暖设备。而且,地源中央空调系统的初期投资费用也低于燃油锅炉、风冷热泵机、集中供暖、燃气炉燃油炉等设施。
以上是由于水源热泵机组的特殊结构自身所具备的节能特性。根据我们多年来设计、安装、调试大中型地源中央空调系统的实践经验证明,对系统中某些环节加以技术改进,可以使地源中央空调系统的运行费用降到更低。下边就系统中四个环节的节能应用技术加以阐述。
一、联控节能技术——主机与系统循环泵、井下潜水泵联动
地源中央空调系统耗电量主要来之水源热泵机组、系统循环泵、井水潜水泵。由于在系统设计时所选热泵机组的制冷量/制热量应满足系统负荷量的要求,且应留有一定余量,所以,机组在运行过程中,若末端室内系统达到设定温度,会致使机组自动卸载,直至停机。一般情况下,运行中的热泵机组的停机时间约占运行时间的1/3左右。当机组停机后若系统循环泵和井下潜水泵一直在运行,就造成井水浪费及电量消耗,因此,在系统设计时,将主机与系统循环泵、井下潜水泵联锁,主机启动,泵启动;主机停止,泵延时停止。泵的这种联动运行方式比泵独立运行方式的耗电量可节约26%左右,而且也实现了系统一键制的操作方式。
二、变频节能技术——井下潜水泵变频控制
地源中央空调系统具有两个独立的水循环回路,一个是系统循环水回路,另一个是井水循环回路。井水循环回路就是井水经潜水泵提升,将井水送到机组的冷凝器或蒸发器中,再回灌到另一口井中。因此,井水在机组中所起的作用,就是在制冷时机组产生大量的热量需要井水吸收带回地下,即井水为冷却水;在制热时机组产生大量的冷量需要井水吸收带回地下,即井水为冷冻水。机组在运行过程中,由于负荷的变化引起机组呈现满载或轻载运行的状态,当机组轻载运行时,为保证原工况,会对冷却水或冷冻水的需求量减少,所以,采用变频控制潜水泵,会根据机组对井水的需求量进行自动调节,从而降低泵的输入频率,起到节能的作用。泵的转速减慢,泵的输入功率下降,随之井出水量减少。若井出水量减少到额定值的80%,即减少了20%,则变频器输送给井水泵的频率为40HZ,井水泵的输入功率将下降到51%,从而节约电量为49%。这样不仅使潜水泵耗电量大幅度减少,节省电能、节约水量,而且还保证了机组的最佳运行工况。同时,变频控制潜水泵还能起到泵的软启动,减小起启动电流对电网的冲击。
三、变量节能技术——系统变流量供冷供暖
变流量系统是指末端系统的水量随负荷变化而改变。变流量系统中末端需要安装二通电动阀,由温控器控制二通电动阀和风机盘管的启/停。一般来说,人对温度舒适度的感觉,在夏季可设定为26℃左右,在冬季可设定为20℃左右。当空调使末端室内达到设定温度后,温控器自动将二通电动阀和风机盘管关闭,节省风机盘管中电动机的耗电量。当室内温度超过设定范围,温控器自动打开电动阀和风机盘管。如果末端支路电动阀人为或自动关闭的多,系统循环水量和压力会发生较大的波动,引起水力失调,这就极不利于机组的正常运行。因此,为了保证机组最佳工况运行,变流量系统需要在机组的进/出口之间安装压差旁通调节阀,调节系统水量。也就是当电动阀人为或自动多数被关闭时,机组出口水量大部分经压差调节旁通管直接回到机组回口,这部分水的冷热量基本是不消耗的,所以,机组会很快达到系统所设定温度而卸载到75%或50%,甚至停机,这样大部分时间机组都在设计负荷以下运行,据统计,变流量系统在一年内满负荷运行的时间只有6%～10%,同时,在末端流量大幅度减少的情况下,压差调节阀输出信号控制二次管道泵降低运行频率或减少二次泵运行台数。所以,变流量系统的机组与泵的总耗电量比定流量系统下降32%左右。
四、管理节能技术——分时段设定系统出水温度
尤其对于住宅空调系统,除定时段开/关机组节能外,分时段设定不同的出水温度,也能达到节能目的。比如,夏季深夜时分设定出水温度高一些,冬季深夜时分设定出水温度低一些。因为,这时人已入睡,人入睡后最舒适温度夏季在28℃～30℃,冬季在16℃～18℃。如果夏季深夜温控器设定为28℃(通常26℃),机组输出水温设定为10℃(通常为7℃),冬季深夜温控器设定为18℃(通常为20℃),机组输出水温42℃(通常为45℃),按深夜8小时计算,比正常温度设定时可节约电能达25%左右。
此外,利用深井地热水供暖的中央空调系统节能技术,比全部采用地源中央空调系统供暖节约25%～30%的初期投资,运行费用可降低50%左右。利用地热供暖的中央空调系统是利用千米左右的深井热水(60℃左右)与水源热泵机组相结合的供暖方式。由于充分反复利用深井水的热量,所以投资少,运行费用低。但必须具备有千米左右的深井。这项新技术新方法前年已在开封黄河水利职业技术学院新校区实施,效果良好。河南省开封市的黄河水利职业技术学院新校区教学楼及生活服务区的水源热泵采暖中央空调系统。总面积为40000m2,其中:(1)教学楼(1～7#)七幢,建筑面积为37000m2;(2)生活服务区3000m2 (该楼三层,一层北侧1000m2为学生洗澡堂,二～三层南侧2000m2为办公用房)。由于1～5#教学楼以及学生洗澡堂只考虑采暖问题,6～7#教学楼及办公用房不仅考虑采暖而且还要考虑制冷问题。在设计中,整体上采暖负荷主要以学校开凿的地热深水井为根本(地热井深度为1400m,水温58℃,水量60T/h),其余负荷以水源热泵为辅,使采暖、制冷、卫生用水各方面指标达到要求。该校地热井深度为1400m,出水温度为58℃,在设计和施工中,充分体现了对地热水使用的方法及特点。一方面要尽量地使用地热水的热能,维持一定的尾水温度;,尾水回收运用到水源热泵机组蒸发器中,不仅使得这种地热开式系统的运行总效率n得以提高,而且水源热泵机组的冬季水体温度提高,使得热泵循环的蒸发温度提高,能效比也得到提高。另一方面,在非峰估负荷时,也要减少抽取地下的热水量,不使大量热水在较高温度下流失。近两年实际运行,各项功能达到预期效果,冬夏供暖运行费用,远远少于其它各类形式的空调使用方式。
由于水源热泵机组自身是一种供冷供暖的节能设备,加之对系统优化设计,采用节能控制技术及科学管理,使地源中央空调系统的运行费用降至最低,一般情况下,夏季供冷运行费用每天每平方米只有0.04元左右,冬季供暖运行费用每天每平方米为0.08元左右。因此说,目前国际上最环保、最节能,且具有供冷、供暖、供生活热水三大功能的空调系统——地源中央空调。2004年国家发改委颁发了《关于组织实施“节能和新能源”关键技术》的通知,将地下水热能、热泵机组列为重点地推广项目。
总之,不同使用性质的楼宇,都可以按照国家规范中的要求,完美地设计出它所应有的特点。无论那一个业主在准备选择以地源中央空调系统为冷热源提供方式时,设计单位都应精雕细选,除把机组能量的匹配予以最优化以外,还要考虑不同时使用率、使用的时序性、附属设备的配套的准确性,以及电气控制的先进性。只有整体趋于完美化,才能真正意义上使整个系统达到最优,也才能使得整个地源中央空调系统“高效、节能、环保、实用”的理念真正得以体现。
参考文献
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一种热泵供汽控制系统的改进方案 篇10
在纸机抄纸过程中, 纸页的干燥部分是造纸工艺中极为重要的一个环节, 对最后成纸的质量起着重要的影响[1]。而干燥部分控制系统的核心纸机烘缸热泵供汽控制系统必须能快速有效地控制烘缸温度, 使其按照一定的曲线变化。根据饱和蒸汽的特性, 温度和压力存在对应关系, 通常通过控制压力来控制温度。目前在蒸汽压力控制上, 普遍采用PID控制, 但是烘缸要求开机引纸时慢加热, 而停车及断纸时要快速关气, 也就是要求阀门动作必须平稳快速地跟随系统对蒸汽的需要, 因此, 传统的PID控制很难适合这种控制对象。而将模糊控制应用到热泵供汽系统中, 可以实现对阀门的快速平稳调节, 提高二次蒸汽利用率, 以及加速冷凝水的快速排放, 防止烘缸积水。
2 热泵热力系统及存在的问题
美国Gardner热泵热力供汽系统包括吹贯蒸汽差压控制 (DPIC) 和烘缸组补汽压力控制 (PIC) 两个闭环回路以及一个热泵开度低端选择开环控制 (LPS) [2], 如图1所示。
目前, 对于DPIC和PIC两个单回路阀门的控制, 其控制器采用常用PID控制器 (如西门子FB42控制器) 。采用PID控制阀门 (排气阀和补汽阀) 的实际动作规律如图2实线所示, 热泵针形调节头的实际动作规律如图2虚线所示。其中, 横轴的理论开度值是DPIC和PIC两个单回路中阀门理论开度值较小的一个 (即进行低端选择) , 纵轴是阀门实际开度值。
理论值在0～50%内, 补汽阀与排气阀是关死的, 热泵的阀门是打开的, 这样可以使二次蒸汽通过热泵全部用到烘缸供汽中, 提高二次蒸汽的利用率;超过50%开度后, 直线斜率大约为2, 补汽阀或排气阀稍有动作, 热泵的阀门会很快地发生变化。这样, 能有效地提高二次蒸汽利用率, 及时地排出烘缸积水, 达到减少能耗的目的。
该方案在国外纸机控制中的应用效果很好, 在国内, 正常工作情况下, 如纸种更换不频繁, 该方案即传统PID控制算法可以满足系统的要求, 但是对于国内板纸机, 纸种范围很宽, 纸种来回更换, 补汽设定值需要调整, 这样往往使得补汽不及时, 导致次品率增多, 针对这一问题, 设计一种模糊PID控制器来控制补汽压力阀门开度。
3 基于模糊控制的热泵热力系统解决方案
模糊PID控制与传统PID控制相比, 具有更好的稳定性和快速性, 能够很好地缓解滞后现象。在此应用模糊控制器, 能够使得阀门的动作变化满足供汽系统的更高要求, 提高生产效率。
在补汽压力控制回路中, 模糊控制器通过在线计算模糊输出值, 实现连续调节。将模糊控制器与西门子传统PID阀门控制模块FB42相结合的模糊PID控制器结构如图3所示。
图中, Psp为压力设定值;P为压力检测值, KP为PID控制器的比例因子;TI是积分因子;PULSE_TM, BREAK_TM为输出脉冲信号高、低电平保持的最小时间;G1, G2为模糊化因子。
3.1 模糊控制规则表的设计
传统烘缸蒸汽压力偏差E的变化范围为[-1 MPa, 1 MPa], 其模糊量的论域为[-6, 6], 模糊化因子G1=6。
烘缸内蒸汽压力的变化增幅 (或减幅) 每一次都不能超过10%, 否则容易使得系统的波动过大, 引起烘缸进气压力过大或过小, 烘缸进出口压差减小或增大, 导致烘缸内积水, 二次蒸汽利用率不高。选择蒸汽的压力偏差的变化EC的变化范围应在[-0.2 MPa, 0.2 MPa], 其模糊量的论域为[-6, 6], 则模糊化因子G2=30。对于输出变量中的比例参数变化量ΔKP, 其每次调节的增幅 (或减幅) 一般也不宜过大, 否则容易引起系统振荡, 导致系统的不稳定, 将其增减的幅度限定在±30%, 其模糊量的论域为[-6, 6], 则清晰化因子K1=0.05。这对于输出量积分参数变化量ΔTI来说, 其增减幅度可以适当大些, 其变化范围为[-5, 5], 其模糊量的论域为[-6, 6], 则清晰化因子K2=0.83。对于脉冲输出环节中的两个时间值变化量ΔPULSE_TM和ΔBREAK_TM来说, 其变化范围为[-2, 2], 其模糊量的论域为[-6, 6], 清晰化因子K3=K4=0.33。
设定E, EC, ΔKP和ΔTI的模糊子集分别为:
E={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}
EC=ΔKP=ΔTI={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}
其隶属度均采用三角形隶属度函数。
根据理论知识和实践经验总结比例参数变化量ΔKP的模糊控制规则表如表1所示:
模糊规则为:
R11:if EP=NB and ΔEP=NB then ΔKP=PB
R12:if EP=NB and ΔEP=NM then
R1n:if EP=PB and ΔEP=PB then ΔKP=NB
另外, 还有蒸汽压力偏差和偏差变化量对积分参数ΔTI的控制规则R2i (i=1, 2, …, n) , 以及对西门子专用的PID控制块FB42中的输出脉冲信号中高电平保持的最小时间调节量ΔPULSE_TM、ΔBREAK_TM的控制规则R3i (i=1, 2, …, n) 和R4i (i=1, 2, …, n) 。
3.2 仿真及分析
应用Matlab软件中的模糊逻辑工具箱与动态仿真软件Simulink结合, 对模糊控制系统进行设计和仿真[3,4]。模糊PID控制器的仿真模型如图4所示。
图4中, 上半部分为模糊控制器, 采用先前设定的控制规则, 模糊控制器的输入为压力偏差及偏差变化量。模糊控制的输出ΔKP、ΔTI与原设定参数之和为输入PID控制器的KP、TI参数;ΔPULSE_TM、ΔBREAK_TM与原设定值之和为PULSE_TM、BREAK_TM的输入。下半部分PID控制器采用仿西门子FB42模块结构的PID控制器。
当输入为阶跃信号时, 得到热泵供汽系统在模糊PID控制器控制下的响应曲线和阀门开度变化曲线, 分别如图5、图6所示。
而单纯仅采用PID控制器完成回路的调节时, 得到系统在单纯PID控制下的响应曲线及阀门开度变化, 如图7、图8所示。
通过对比使用模糊PID和普通PID控制器下的两组仿真曲线。可以看出, 较之PID控制器, 模糊PID控制器具有很多优势。首先, 应用模糊PID控制下曲线爬升速度快, 而应用PID控制下曲线爬升较为平缓;其次, 使用模糊PID控制下系统响应迅速, 而使用PID控制下则较为缓慢;再次, 当偏差较大时, 模糊PID控制下的阀门开度变化迅速, 而传统PID控制下阀门开度保持不变的时间和频率都较长, 有一定的滞后, 因而影响了回路的调节时间。所以, 将模糊控制器与PID控制器相结合所构成的新控制器, 应用在热泵热力供气系统阀门控制上, 能够使阀门开度更快速、更平稳地变化, 同时加速了冷凝水的快速排放。
4 总 结
改进后的PID控制方案在浙江富阳某纸厂已投入使用, 实际应用表明, 与未改进前相比, 模糊PID控制的热泵供汽系统响应速度快, 阀门的开度变化平稳快速, 有效地减少了次品量, 使得吨纸耗汽量降低, 有很高的经济效益。
参考文献
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热泵热水器复合系统性能研究 篇11
关键词：热泵热水器复合系统性能研究
0 引言
随着热泵热水器得到广泛的应用，系统性能的研究和复合系统的研究已成为热泵热水器研究的重点。
1 热泵热水器系统性能的研究
对热泵热水器的系统性能研究，目前采用的主要手段是试验研究。热泵热水器的系统性能指标主要是COP，排气温度、排气压力和压力比是影响系统压缩机性能和安全性的重要因素，也是间接表征系统性能的重要参数。国内外的研究工作主要是影响系统性能的因素、提高系统性能的措施等。
热泵热水器系统性能的影响因素很多，首先是出水温度，出水温度控制热泵热水器的冷凝温度，使热泵系统的工况处于动态变化过程。热泵热水器的COP值随出水温度升高呈下降趋势，出水温度也是压缩机排气温度和排气压力的主要影响因素。其次是环境温度，特别是环境温度较低时系统性能受到影响很大，环境温度降低时，热泵热水器的COP随之降低，系统的排气温度增高高，压力比变大。另一方面，在一定的换热面积下，环境温度降低时传热温差降低，有利于改善热泵热水器系统的低温运行性能。对变频热泵热水器而言，除了这些因素外，压缩机频率、电子膨胀阀开度、出水流量等对其系统性能有很大影响。
虽然热泵热水器可以在环境温度-7~45℃之间工作，且热泵热水器全年的平均性能系数较高，但在低温工况下，系统性能急速下降，因此，研究提高热泵热水器系统低温运行性能也是一个热门课题。有学者运用各种方法来提高系统低温运行时的性能，如研究闪蒸器、经济器和喷气增焓涡旋压缩机在热泵热水器系统的应用，发现能够改善系统低温运行性能，但存在喷气口回流现象和除霜时可能回液等问题。还有人采取吸气喷液的方法，来降低排气温度，而系统的性能有所降低。为了提高热泵热水器系统低温运行性能，两级压缩技术的应用也能获得很好的效果，武文彬等通过实验研究两级压缩空气源热泵热水器系统，结果表明该系统COP在-20℃时能够保持在1.5左右。可见，目前虽有些方法用于提高热泵热水器在低温工况的性能，但效果不明显，还有待进一步研究。
2 热泵热水器复合系统方面的研究
目前，热泵热水器复合系统主要有热泵热水器与空调复合系统、热泵热水器与太阳能复合系统、热泵热水器空调太阳能复合系统、采用各种热能梯级利用技术的热泵热水器系统等。
2.1 空调复合系统热泵热水器
热泵热水器与空调复合系统是能够供热水、制冷的空调系统，同时利用空调的冷凝热来制取热水。从节能的角度分析，这种系统具有非常优越的节能特点，与常规空调相比，其综合能源利用系数最大能够提高85%，有学者设计出的热泵热水器与空调复合系统，其COP可达到6.0。类似的复合系统在香港地区进行应用，使得当地的能源消耗量降低了50%左右。可见此类系统有很大的发展空间。目前，空调器部件基本已经定型，只要对尺寸、管路等略作改动，合理设计系统结构，进行优化和匹配系统供暖、制冷、制热水的性能，就能保证此类产品的产业化。
2.2 太阳能复合系统热泵热水器
太阳能作为一种清洁的可再生能源，成为目前世界各国积极开发研究的对象。太阳能热水器可以直接制取70~80℃的热水，在我国某些地区如长江以南的省份，已经得到了很好的应用。将热泵系统与太阳能热水器系统结合起来，能够有效的提高热泵热水器的性能。目前，热泵热水器与太阳能复合系统主要有直膨式和非直膨式，非直膨式包括串联式、并联式、混合式，此类复合系统的耗电量为电辅助加热太阳能热水器的54%，节能50%左右，运行费用也是各种热水器中最低的。这种复合系统具有多样化的产品类型，应用范围大，比如家庭用复合系统，太阳能热水器部分采取阳台壁挂式，具有安装方便等特点。在热泵热水器系统中嵌入太阳能热水系统，能够提高整个系统的性能。酒店、宾馆、游泳池等热水用量较大的场所，采用太阳能与热泵复合系统，经过合理的设计，可以达到很好的节能效果。
2.3 空调、太阳能复合系统热泵热水器
热泵热水器空调太阳能复合系统是一种集合空调器、太阳能、热泵热水器的复合系统，这种复合系统拥有多种工作模式，目前国内已经有了此类系统的专利，其试验结果表明此系统的制热年均性能系数可以比热泵热水器与空调复合系统提高25%以上。
2.4 热能梯级利用技术复合系统热泵热水器
采用各种热能梯级利用技术的热泵热水器复合系统，主要有空调冷凝热回收、浴室洗浴废弃热水热量回收等热回收技术和蓄热技术等技术手段。热泵热水器和空调复合系统一般都是采用空调冷凝热回收技术。对废弃热水热量的回收也是很有效的一种热回收技术，如通过合理的管路设计，能够用来回收浴室淋浴的废热水的热量，提高热泵热水器的能效，达到更加节能的效果。L.T. Wong等在整楼中设计和应用此类回收淋浴废弃热水的热泵热水器系统，能够从淋浴水中回收4%~15%的热量，可见将此类系统推广到大型澡堂等用热水量大的场所，能大幅度的提高节能效果。
恰当的利用蓄热技术和电力谷峰差，也能够很好的提高热泵热水器系统的性能和经济性，李建新等利用相变材料和谷电来蓄热，进而制取热水，具有显著的节能效果。还有人提出将热泵热水器和电热水器结合起来，既能提供饮用热水，又能提供洗浴热水。
3 结语
上述各种技术的应用，为各种热泵热水器产品的多样化提供了技术基础，为推广和扩大热泵热水器的应用提供了很大的帮助。
参考文献：
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热泵控制器 篇12
本工程为天津港欧亚国际集装箱码头地源热泵空调系统工程,采用地源热泵中央空调系统为该工程的综合业务用房、维修车间及候工楼、检验用房、辅助综合用房、工具材料库、污水处理间提供冷热源,夏季制冷、冬季供暖。该工程总建筑面积约为13 818m 2,其中空调面积约为12 617.6m 2。
根据建筑物的布局及功能,地源热泵空调系统共分为三个系统,其中综合业务用房空调系统(简称A)安装两台顿汉布什WCFXHP-15SRG(R 134a)全封闭地源热泵机组,总装机制冷2×311kW(夏季末端12℃/7℃、地源侧25℃/30℃),装机制热量2×274kW(冬季末端40℃/45℃、地源侧5℃/3℃);机修车间及候工楼空调系统(简称B)安装一台WCFHXP-27SRG(R 134a)全封闭地源热泵机组,装机制冷量611kW(夏季末端12℃/7℃、地源侧25℃/30℃),装机制热量538kW(冬季末端40℃/45℃、地源侧5℃/3℃);工具材料库及污水处理间空调系统安装10台整体式水源热泵机组。
A,B地源热泵空调系统采用西门子专业的暖通空调控制器SYNCO 700系列进行控制。中央控制器能够对地源热泵系统进行状态、故障、启停控制的监控,控制热泵机组的启动、停止,实现时间设定机组启停功能;监控空调系统运行状态,采集水温、压力、流量等数据,并可记录在控制器内,并能保存一年运行记录。这样,通过中央控制器对空调系统进行集中控制,实现无人值守。
2 地源热泵系统自动控制
1)在总供、回水管路上装有水温传感器,总回水管路上装有电磁流量计,时实监测当前的水温和水流量并传输至控制器,控制器通过供、回水温差和流量算出其当前实际负荷与设定负荷进行比较,来逐步对冷机进行台选。2)设定负荷为冷机总负荷的70%。3)对于单台的冷机就不再进行运算控制,由冷机自身的控制程序进行分段控制,此系统只是监测时实的供、回水温度和水流量,并可根据时间程序或手动选项来控制此冷机的启停状态。4)冷机冷冻水、冷却水进口设有电动蝶阀,蝶阀开关与水泵联动。5)控制冷冻系统和冷却系统的启停顺序,监测冷冻泵、冷却泵、冷机的故障状态,实现互为备用、故障互投和报警功能。6)根据空调末端供回水温度传感器及流量传感器,实时测量、记录温度、流量数据,并将采集的数据提供给控制电脑(见图1)。7)供、回水管路上装有水压差传感器监测当前水压差,然后将信号传输至控制器,控制器经过PID运算控制安装在分、集水器旁路上的压差调节阀的开度,维持供、回水压差恒定于设定值(见图2)。8)所有I/O设备点均在终端进行集中监控,终端监控软件具有图形界面、实时记录等功能。
3 系统运行效果
地源热泵空调系统均于2008年12月8日投入试运行,向建筑物供暖,并于2009年4月3日停止运行。供暖期共运行117d,每天运行24h。经过供暖期的试运行,证明各空调系统的各个环节及设备运行全部正常。室内温度均达到设计要求。
3.1 2008年～2009年度运行实际耗电量
1)冬季设备耗电量记载。A空调系统实耗电能:212 560kW·h;B空调系统实耗电能:152 750kW·h。实耗电能数为空调系统自2008年12月8日～2009年4月3日累计数,其中包括各系统的循环水泵、补水水泵的电耗。2)夏季设备耗电量记载。A空调系统实耗电能:137 120kW·h;B空调系统实耗电能:87 520kW·h。实耗电能数为空调系统自2009年5月26日～2009年9月7日累计数,其中包括各系统的循环水泵、补水水泵的电耗。
3.2 能耗分析
1)冬季能耗分析。
冬季空调总计运行116d。A空调系统:根据冬季运行的实测电耗为:212 560kW·h,建筑面积为:7 978m 2,即单位电能耗为:26.64kW·h/m 2。B空调系统:根据冬季运行的实测电耗为:152 720kW·h,建筑面积为:6 497 m 2,即单位电能耗为:23.50kW·h/m 2。两个系统综合单价电能耗:25.07kW·h/m 2。
2)夏季能耗分析。
夏季空调总计运行为104d。A空调系统:根据夏季运行的实测电耗为:137 120kW·h,建筑面积为:7 978m 2,即单位电能耗为:17.18kW·h/m 2。B空调系统:根据夏季运行的实测电耗为:87 520kW·h,建筑面积为:6 497m 2,即单位电能耗为:13.47kW·h/m 2。两个系统综合单价电能耗:15.52kW·h/m 2。
3.3 能耗对比
根据上述能耗分析地埋管地源热泵夏季供冷费用:15.52元/m 2(电费按1元/kW·h计算)(单冷空调供冷费约25元/m 2～30元/m 2);地埋管地源热泵冬季供热费用:25.23元/m 2(天津集中供热工商户36元/m 2,天津港集中供热:150元/m 2);地埋管地源热泵夏、冬季费用合计:40.75元/m 2(单冷空调费与热网费合计61元/m 2～66元/m 2(天津港:175元/m 2～180元/m 2)。
4 结语
地源热泵空调系统属于节能、环保系统,将自动控制系统应用到其中,不仅可以做到集中控制,自动控制,还可以进一步达到节能降耗的目的。
摘要：以自动控制系统在地源热泵工程中的实际应用为例,从系统监测的原理、方法对自控系统进行了说明,并对实际运行效果进行了比较,达到了地源热泵系统无人值守以及节能的效果。
关键词：地源热泵,控制器,监控
参考文献