金域蓝湾地源热泵的电气控制设计 建筑电气工程技术专业毕业设计 毕业论.doc

0 中文摘要中文摘要 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。 地源热泵是一种利用浅层地热资源向建筑物供热、空调的装鼍。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。 该论文是作者根据在扬州金域蓝湾工程现场施工，结合相关技 术资料整理出的一篇关于地缘热泵自动控制，以达到自动调温，自 动停机的电气控制方案。本文首先通过对地源热泵（土壤一水）机 组工作原理的分析，根据地源热泵机组各部件运行特点，对常见地 源热泵种类进行分类，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，采用针对地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。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。 空调系统自动控制能够采集，检测空调装置的工艺参数，如压 力，温度，流量等，同时自动调节某些工艺参数，使之恒定或按一 定规律变化，对装置自动控制。 1 关键词：地源热泵，节能，自动控制 2 目目 录录 1 1 项目概况项目概况 1 1 1.1 项目名称1 1.2 项目投资方1 1.3 项目基本情况1 2 2 地源热泵简介地源热泵简介 2 2 2.1 地源热泵的发展历史2 2.2 地源热泵分类4 2.2.1 大地耦合热泵 4 2.2.2 地下水热泵 5 2.2.3 地表水热泵 5 2.3 地源热泵的技术特点5 3 3 自动控制技术在热泵装置中的应用自动控制技术在热泵装置中的应用 8 8 3.1 自动控制技术在热泵空调装置中的地位8 3.2 热泵空调装置自动控制系统的特点9 4 4 地缘热泵机组及其控制原理地缘热泵机组及其控制原理 1111 4.1 热泵系统工作原理及能量分析.11 4.1.1 热泵系统工作原理 .11 4.1.2 热泵系统能量分析 .12 4.2 地缘热泵机组工作原理.13 4.3 地缘热泵空调机组的自动控制.14 4.3.1 热泵装置的自动控制内容 .14 4.3.2 热泵装置的自动控制目标 .14 4.3.3 热泵装置的控制装置 .14 4.3.4 空调房间系统的自动调节 .15 4.4 泵机组内部装置的控制.16 3 4.4.1 压缩机的控制 .16 4.4.2 四通阀控制 .17 4.4.3 流量调节 .18 5 5 地源热泵空调系统变流量自动控制设计地源热泵空调系统变流量自动控制设计 1919 5.1 压差变流量控制原理.20 5.2 温差变流量控制原理.21 5.3 土壤源热泵空调系统变流量控制.21 6 6 控制方案的制定控制方案的制定 2222 6.1 控制方案原理.22 6.2 控制设备选择.22 6.2.1 现场仪表选择 .22 6.2.2 热泵机组冷凝器端电动阀选取 .23 6.2.3 变频器选择 .23 6.2.4 控制设备选取 .24 6.3 控制参数的获取和软件编程.25 6.3.1 控制参数的获取 .25 6.3.2 软件编程 .27 总结总结 2929 参考文献参考文献 3030 致谢致谢 3131 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 0 1 1 项目概况项目概况 1.11.1 项目名称项目名称 扬州市金域蓝湾公馆 1.21.2 项目投资方项目投资方 扬州恒通金鑫置业有限公司 1.1.3 3 项目基本情况项目基本情况 本项目位于扬州市顺达路以东，开发西路以北。位于邗江大道与开发西路 交汇处，占地 9.6 万平米，总建筑面积约 21 万平米。项目周边高档楼盘云集， 交通便利，周边生活配套完善，紧邻西站商业中心及步行街、扬州商城、欧尚 超市、力宝广场、红星美凯龙及规划中的现代化邻里中心、农贸市场等诸多配 套环绕四周，成熟地段绽放灿烂生活之美。 项目是由扬州恒通企业和扬州金鑫房地产开发有限公司强强联手，倾情打 造的大型高科技顶尖住宅区。社区秉承恒通帝景蓝湾的科技住宅体系，在其 6 大核心系统：地源热泵系统、节能保温系统、外遮阳系统、新风系统、智能家 居系统、人车分流系统的基础之上，再做创新优化，打造出令扬州瞩目的帝景 蓝湾升级产品。本项目总体规划有景观高层、电梯多层洋房、叠加电梯别墅三 种产品，每一种产品均为扬州市场上的罕有的创新产品。在融合了高科技系统 的同时，还诚邀顶级团队为社区量身定制 360全景坡地景观，告别了社区景 观平铺直叙的手法，远近高低各有不同，精彩变幻，诗情画意，都能享受到私 家园林的非凡感受。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 1 2 2 地源热泵简介地源热泵简介 2.12.1 地源热泵的发展历史地源热泵的发展历史 热泵（heatpump）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。通过热泵，可以将低品位能变为有用能，或将原 来不能利用的热重新加以利用。十九世纪，随着对物理过程认识的逐步深化， 人们对能否将热能送至较高温度发生了兴趣。焦耳论证了通过改变气体的压力 而使气体温度发生变化的原理。帕吉斯密司（Hiazzismythe）教授大概是建 议应用这一原理制造冷机的第一个人。而汤姆森（Thomson）教授（稍后是开 尔文勋爵Lordkelvin）是提出热泵设想的第一人。地源热泵（Grond- sourceheatpump）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。地源热泵通过输入少量的高品位能源 （如电能） ，实现低品热能向高品位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热 源，同时蓄存冷量，以备夏用；而在夏季作为冷源，同时蓄存热量，以备冬用。 地源热泵称呼很多，有地耦热泵（Groundcoupleheatpump） 、地热热泵 （Geothermalheatpump） 、地源热泵（Grond-sourceheatpump） ，地下水热泵 （Groundwaterheatpump） ，还有其他的称呼。相对于传统的空气源热泵空调系 统，地源热泵安装成本相对较高，但是由于地表m以下温度一年四季相对稳 定，夏季环境空气温度低，冬季比环境空气温度高，是热泵很好的冷、热源。 这种温度特性使得地源热泵比传统系统运行效率要高，节能效果明显，运行更 加可靠稳定。此外，储存于地表浅层的地热是一种可再生且无污染的能源，不 论是热带地区或是寒冷地区均有地热可供使用，因而可使用范围大。地源热泵 系统埋地换热器不需要除霜，减少了冬季除霜的能还可以与太阳能联用改善冬 季运行条件：机组使用寿命长；机组结构紧凑、节省空间：维护费用低：自动 控制程度高。地源热泵思路最早出现在一份专利文献，年由瑞士的 zoelly在其专利中描述了用土壤作热源的热泵计划。国外在年代已开始了 地源热泵技术的应用，到年代成为一项成熟的应用技术。 第二次世界大战爆发期间，由于第一次能源危机的出现，在瑞士出现了煤 炭等能源的短缺，工程师们为了克服这一困难，制造了大量的热泵系统供工业 和民间使用，其中也部分使用了地源热泵技术。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 2 第二次世界大战结束后，美国ESUS将热泵技术作为促进电力消费和平衡高 峰负荷的重要手段加以推广，部分工厂开始生产以地下水和岩土为热源的热泵， 这些装置均具有压缩机结构轻巧的特点，得到了广泛应用。图2-1是当时流行 的 Mniccrear工厂生产的Marvair机组的系统简图，该系统实为水井式地源热泵系 统。 图图 2-1.2-1.地源热泵系统简图地源热泵系统简图 对热泵技术和地源热泵技术进步产生重大作用的是，年美国通用 电气公司研究出了可以转化制冷和制热功能的空气源热泵机组，从而赋予了热 泵作为一种全年运行的空调机组的功能，使其应用得到巨大的拓展。地源热泵 技术也随之向冬季供暖、夏季供冷的全年空调运行方式发展。在间一时期 L.R.Engersoll等以Kelvin线热源理论为基础，提出了地下埋管换热的线热源 理论，为地源热泵技术的产品开发和工程应用提供了设计基础。 目前世界各地地源热泵的应用形式因当地气候条件而异，在欧洲地区，由 于所处地域关系，其埋管以水平浅埋为主，地源热泵主要用于冬季采暖。与此 相近，在日本北部的地区，地下埋管却以竖埋形式为主，辅以太阳能集热器， 通过地下埋管系统的蓄、放热作用，可以实现对房间的冬季采暖。 美国的大部分地源热泵系统采用了冬季采暖、夏季制冷的全年空调运行方 式，其地下埋管换热器形式既有水平埋设的，也有垂直埋设的。随着地源热泵 技术的进步及工程上的广泛应用，其研究工作也逐渐深入，出现了对其强化传 热技术，混合式地源热泵技术等在我国，对地源热泵技术的研究较为有限，我 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 3 国在地源热泵领域的研究始于世纪年代初的天津大学和天津商学院。 自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究， 但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，地源热泵的应 用推广非常缓慢。世纪年代以后，由于受国际大环境的影响以及迪源 热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多 的技术人员开始投身于此项研究。年，中国国家科技郝与美国能源部 共同签署了中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率 和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书 ，并于年又签署了 该合作协议书的附件六中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合 众国能源部地热开发利用的合作协议书 。其中，两国政府将地源热泵空调技 术纳入了两国能源效率和可再生能源的合作项目，这一举措极大地促进了该技 术的国际合作和推广应用。年是我国在该领域的一个里程碑，从这一 年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中，年重庆 建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置； 年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；年湖南大 学建设了水平埋管地源热泵实验装置；年同济大学建设了垂直地源热 泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。 这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进 展，做了许多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据，这些宝贵的经验教 训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。 我们相信，随着地源热泵技术的进步及国家节约能源政策的落实，这种具 有较大节能潜力的技术必将在我国得到广泛应用。 2.22.2 地源热泵分类地源热泵分类 根据地源热泵所采用热源热汇的形式不同，可将其大致分为大地耦合式热 （GCHP） 、地下水热泵（GWHP）和地表水热泵（SWHP） 。 2.2.12.2.1 大地耦合热泵大地耦合热泵 大地耦合热泵就是以地表浅层的土壤作为热源或热汇，其冷、热源不受室 外温度剧烈变化带来的影响。根据其换热器与大地换热形式的不同，分为通过 热泵工质一水换热器的间接式系统及采用热泵工质在埋于地下的盘管中直接换 热的直接式系统。在间接式系统中，载冷剂被用来在热源和蒸发器间传递热量， 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 4 它与直接蒸发系统相比具有一定优点：减少了制冷剂充灌量，还增加了热泵系 统的灵活性，同时可使现场工程量降到最低并减免了制冷管路的安装：但其缺 点在于：弓；入带有热交换器的额外流体环路，增加了初投资，也带来额外温 降。需要针对运行工况优化设计载冷剂回路，此外用于载冷剂的流体性质也很 重要。 在直接蒸发系统中，将蒸发器盘管直接埋入地下，可有效减少投资，尤其 适合家庭热泵系统。大地耦合式地源热泵就埋管方式又可分为水平式和垂直式。 水平热交换管的地下盘管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷设于中。垂直热 交抉管就是其热交换管垂直安装在土壤中。总之，大地耦合热泵的热交换效果 与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀紧贴换热蕊有关。管材、沙土及 地下水的腐蚀作用将影响传热和使用寿命。 2.2.22.2.2 地下水热泵地下水热泵 地下水热泵是地源热泵的一个分支，也是迄今为止使用的最广泛的一种地 源热泵技术。这种热泵是以地下深井水作为热源或熟汇来对建筑进行供热或制 冷的。由于地下深井水位于较涤的地层中，因隔热和蓄热作用，其水温随季节 气温的变化较小，特别是深井水的水温常年不变，对热泵运行非常有利。 2.2.32.2.3 地表水热泵地表水热泵 它是利用地表的小溪、池塘、河流、湖泊等水作为热源和热汇对建筑进行 空调的热泵技术。同常年温度几乎保持不变的地下水相比，地表水温变化剧烈 因此，在外界温度根低的严冬季节，为了保证供暖所需的热量，除煞泵外，往 往还要安装第二套热发生装置，即双联热泵采暖系统。地表水热泵在实现用水 作热源时，可采用下列方法： 1.将蒸发嚣直接安装于地表水中 2.经盐水循环间接引用水的热能 3.用泵站抽取地表水并输送至热泵的蒸发器 4.用井积聚经河岸过滤的水并将其输送至热泵蒸发器 这种系统的优点是经河岸过滤的水能防止污物进入蒸发器，但费用较高。 2.32.3 地源热泵的技术特点地源热泵的技术特点 地源热泵利用地下土壤吸热和排热，研究表明：在地下以下的土壤的 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 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 5 冬、夏两季提供较高的蒸发温度和较低的冷凝温度；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.节能效果显著、机组性能系数高、维修费用低地下士壤温度一年四季相 对稳定（约为） ，冬季比外界环境空气温度高，夏季比环境温度 低，是很好的热泵热源和空调冷源。土壤的这种温度特性使得土壤源热泵比传 统空调系统运行效率高出约，因此，可节省运行费用 。同时，土壤温度较恒定的特性也使得热泵机组运行更稳定、 可靠，整个系统的维护费用也较锅炉一制冷机系统大大减小，从而保证了系统 的高效性和经济性。据美国环保署估计，设计安装良好的土壤源热泵， 平均可节约用户的采暖空调运行费用。 2.土壤的蓄能特性实现了冬、夏能量的互补土壤本身就是一个巨大的储能 体，具有较好的蓄能特性。通过埋她换热器，夏季利用冬季蓄存的冷量进行空 调，同时将部分热量蓄存于土壤中以备冬季采暖用，冬季利用夏季蓄存的热量 来供暖，同时蓄存部分冷量以各夏季空调用。一方面，实现了冬夏能量的互补： 另一方面，提高了热泵的性能系数，达到明显节能的效果，同时，也消除了常 规空气源热泵系统带来的“冷、热污染” 。通过对实测数据分析得到蓄冷前后 夏季连续制冷运行时，土壤蓄冷的节能效果的相对值约为。目前，在 我国长江中下游地区，夏季空调和冬季采暖的时间大致相当，冷、热负荷基本 一致，因此，可以实现冷暖互为补偿，达到瓦为联供的目的。 3.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。 埋地换热器在地下土壤中静态地吸热、放热，且埋地换热器可布置在花园、草 坪甚至建筑物的地基下，不占用地上空间。 4.符合可持续发展的要求土壤源热泵是利用地下土壤自源资源作为热泵 低品位能源进行能源转换的供暖、空调装置。地表浅层土壤相当于一个巨大的 太阳能集热器，收集了约的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的 倍还要多，且不受地域、资源等限制，真正是资源广阔、取之不尽、用 之不竭，是人类可利用的可再生能源。同时，土壤源热泵的“冬取夏灌”的能 量利用方式也在一定程度上实现了土壤能源资源的内部平衡。因此，土壤源热 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 6 泵符合可持续发展的趋势。 5.一机多用、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。一套系统可以替代原有的供热锅炉、制冷 空调机组以及生活热水加热装置三套系统，省去了燃气、煤及锅炉的使用。机 组紧凑，节省空间，减少一次性投资，可应用于商店、宾馆、办公大楼、学校 等建筑，而且特别适用于小型别墅。此外，机组寿命长，平均可运行年以 上。 6.可实现区域控制，便于物业管理区域控制最大的优点是，各区域机组可 在同一时刻各自独立进行制冷或制热运行，避免能源浪费，充分体现地源热泵 中央空调系统的节能性和舒适性。 7.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。 8.对于土壤源热泵，需要一定的地下埋管面积。但是可利用室外草地、停 车场、道路等地方埋管。特别是对于绿化率较大的建筑工程项目，是比较适宜 的。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 7 3 3 自动控制技术在热泵装置中的应用自动控制技术在热泵装置中的应用 3.13.1 自动控制技术在热泵空调装置中的地位自动控制技术在热泵空调装置中的地位 人类很早就进行简陋自动化装置的探索，但是由于技术与理论的限制，直 到年之前，都未有重大突破。年，反馈理论广泛的应用于电 子放大器中，标志着自动化领域技术的开始。同年，美国也出现了PID调节器， 年，控制理论的经典部分已基本形成。可以说，自动控制技术的每一 步郡给空调装置带来重大变革。 随着控制要求的不断提高，空调装置从最初的简单控制发展成复杂控制系 统。采用前馈控制控制系统的空调装置，其克服干扰的能力比一般反馈控制快 捷丽及时。在高精度控制的空调中常采用串级控制系统，将主控制器的输出作 为副控制器的外给定。副环被控制参数一般选取受干扰大，纯迟延较小，反映 灵敏的参数，采用比例积分控制器或者比例控制器，副环对象的时间常数比主 环对象的时问常数要小，且控制效果显著。 串级控制系统，对于控制对象纯迟延较大，时间常数较大，热湿干扰严重 的空调系统是很时宜的。例如，采用蒸汽或热水加热器及表冷器的室温空调系 统。将送风干扰作为主干扰纳入副环的送风温度控制系统，而主控制对象（空 调房间）的干扰通过主控制器的作用来改变副控制器的给定值，使送风温度按 室温变化调整，从而减少室温的波动，提高控制质量。 直接数字控制系统（Directed Digital control）即DDC控制系统，是目 前国内外应用较为广泛的计算机控制系统。在常规控制系统中，控制规律是由 硬件决定，若改变控制规律，则必须改变硬件；DDC控制系统中，控制规律的 改变则只需改变软件的编制。 模糊控制是人工智能领域中形成最早、应用最为广泛的一个重要分支，适 合于结构复杂且难于用传统理论建模的问题。在空调系统的过程控制中，由于 控制对象的时滞、时变和非线性的特征比较明显，导致控制参数不易在线调节， 而FLC却能较好的适应这些特征，目前已成功地应用到家用空调器上。随着模 糊控制技术在空调系统中应用研究的不断深入，在控制目标方面从早期的温度 控制发展到以热环境综合评价指标作为控制基准：在控制策略方面从基于查询 表简单模糊控制发展到与其它人工智能领域相结合的智能模糊控制。这些智能 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 8 控制方法的应用极大的提高了空调器的控制效果。对于常规控制方法，当室外 气象参数和室内负荷变化较大时，空调器控制效果较差，主要表现为所控制的 室内温、湿度波动较大，使人有忽冷忽热的感觉。采用模糊控制技术，使所控 制的室内温、湿度相对稳定，提高空调房间的舒适性。 如果认为空调自动控制的作用仅仅是可对温度、湿度实现较精确的控制， 那就错了。其实，自动控制的功能并不仅仅限于对温度温度、湿度的精确控制， 它还能对房间内的压力、风量、CO含量、烟气等进行控制，确保人们生命、设 备、财产的安全。此外，还能实现能量调节。一个包含转换控制、连锁控制、 补偿控制、状态监控、能量调节等安全自动化的控制系统，可以极大程度上排 除人员对操作过程的参与，从而大大减轻运行和管理人员的劳务，减少其误搡 作的可能性。 可见，空调自动控制的功能是多样的，所起作用在很多情况下是不可替代 的。 3.23.2 热泵空调装置自动控制系统的特点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.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。为了抑制或消除这些干扰，除了在建 筑热工和空调工艺方面采取措施外，在自控设计中应充分分析干扰来源及影响 的大小，选择合理的控制方案。 2.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，时间常数和纯时延时间t。 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 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 9 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。 4.具有工况转换的控制空调系统是按工况运行的，因此，自动控制系统应 包括工况自动转换部分。如夏季为制冷工况，通过控制冷水量，调节风机风量 来调节室内温度。而冬季需转换到制热工况，通过控制热媒，调节温度。这是 最基本的工况转换。此外，从节能出发进行工况转换控制。全年运行的空调系 统，采用工况转换的处理方法能达到节能的目的。为了尽量避免空气处理过程 中的冷、热抵消，充分利用新、回风和发挥空气处理设备的潜力，在考虑温、 湿度为主的自动控制外，还必须考虑与其相配的和工况自动转换的控制。 3.目前地源热泵应用的控制器现状。目前，由于地源热泵机组在我国应用 的还不广泛，所以，专门针对地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。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 10 4 4 地缘热泵机组及其控制原理地缘热泵机组及其控制原理 4.14.1 热泵系统工作原理及能量热泵系统工作原理及能量分析分析 4.1.14.1.1 热泵系统工作原理热泵系统工作原理 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：膨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。 根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功起补偿作用，使循环工质不断从 低温环境吸热并向高温环境放热，这样周愿复始的工作。图4-1是热泵系统工 作原理图。 图图 4-1.热泵系统工作原理图热泵系统工作原理图 在图中中间换热工质表示与热泵系统进行热交换的循环介质。在热泵系统 循环中虚线箭头和实线箭头分别表示热泵在制冷和制热时的工质流向。在制冷 时，中间换热工质与换热器（蒸发器）中与系统工质进行热交换，系统工质 吸热变成低温低压蒸汽后进入压缩机，被压缩成高温高压气体，在换热器 （冷凝器）中与中间换热工质热交换，排放热量。中间换热工质的冷量可供 建筑物空调用。制热时，中间换热工质在换热器（蒸发器）中与系统工质热 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 11 交换，系统工质吸热变成低压蒸汽进入压缩机，被压缩成高温高压气体，在换 热器（冷操器）中与中间换热工质热交换，中间换热工质吸收热量，可供建 筑物供暖所需，这就是热泵的工作原理。热泵系统的制冷、制热过程在压焓图 上表示见图4-2和图4-3。可以看到，制冷制热的工质压烩图的形状基本上是相 同，制冷循环过程是一，制热过程是，四通换向 阀的换向作用使中间、状态点发生变换。 图图 4-2.制冷过程工质状态压焓图制冷过程工质状态压焓图 图图 4-3.制热过程工质状态压焓图制热过程工质状态压焓图 4.1.24.1.2 热泵系统能量分析热泵系统能量分析 在理论上，理想状态下热泵的循环依然是逆卡诺循环，图4-4是工质在高 温与低温之间循环的温熵图。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 12 图图 4-4.逆卡诺循环温熵图逆卡诺循环温熵图 图中，面积代表净输入功，面积代表向高温热源释放的 能量，面积代表从低温热源吸收的能量。 在满足舒适性的要求下，夏季制冷工况时控制相对较高的室内温度可以提 高热泵机组的性能系数，起到节能降耗的作用。同理，冬季供暖时控制相对较 低的室内温度也能达到相同的功效。 4.24.2 地缘热泵机组工作原理地缘热泵机组工作原理 地源热泵（）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。地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，提商温度后供 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。 （见图4-5） 图图 4-5.地源热泵工作原理示意图地源热泵工作原理示意图 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 13 地源热泵机组在工作时与传统的热泵循环样，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商品位能源。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） 不断完成蒸发一压缩一冷凝一节流一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。 4.34.3 地缘热泵空调机组的自动控制地缘热泵空调机组的自动控制 4.3.14.3.1 热泵装置的自动控制内容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。 4.3.24.3.2 热泵装置的自动控制目标热泵装置的自动控制目标 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。 4.3.34.3.3 热泵装置的控制装置热泵装置的控制装置 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 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 14 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。 4.3.44.3.4 空调房间系统的自动调节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4-6 图图 4-6.温度控制原理图温度控制原理图 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，湿度；冬季 温度，湿度。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4-7 图图 4-7.温度上、下限调节原理图温度上、下限调节原理图 4.44.4 泵机组内部装置的控制泵机组内部装置的控制 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、 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 15 截止阀及各类动力泵等。 4.4.14.4.1 压缩机的控制压缩机的控制 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，而后通过节流元件，流向 蒸发器，实现了热泵系统中制冷剂的不断循环流动。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残酷。 1.压缩机的能力调节 压缩机能量调节的方法也有多种。一般应用的有：（）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。 （）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。 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（）吸 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 16 气压力保护（）排气压力保护（）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 凝器断水或严重缺永等。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。 4.4.24.4.2 四通阀控制四通阀控制 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 的工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、进入膨胀阀液体制冷荆温度、蒸发温度、压缩 机吸气温度、通过阀吸入通道的压力降Pa。 四通阀使用注意事项：（）接管及接线的正确无误（）安装前尽量清 除管内内腔杂物，最好在进口出装上一目的过滤器（）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（） 电源电压必须与标明的电压种类和电压值相一致（）在设计时，应认真考虑 其动作的频度问题。 4.4.34.4.3 流量调节流量调节 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 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 17 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荆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。 热力膨胀阀的选择方法： 1.容量选择就是根据膨胀闻制造厂提供的扩展容量表进行的，在扩展容量 表中应包括适用工质，产品型号，蒸发温度，冷凝温度和通过阀的压力降。对 不同蒸发温度，不同压力降下的阀容量，选择时应注意设计的制冷（热）工况， 和名义工况相一致。还应注意通过阀的压力降不是设计时的冷凝压力和蒸发压 力的差值，必须减去冷凝器、蒸发器、分液器和管路阀门的阻力。我国机械工 业部专业标准对热力膨胀阀的名义工况规定为：冷凝温度，进入 膨胀阀液体温度，蒸发温度，通过阀压力降，膨胀 阀静止过热度，膨胀阀过热度变化。 2.最大工作压力（）所谓热力膨胀阀最大工作压力，就是当制冷系 统中的蒸发压力达到某一预定压力值时，使阀关闭，而当蒸发压力降到额定压 力以下时，阀才正常工作。这一预定压力称为膨胀阀最大工作压力。具有 特性的膨胀阀在制冷系统中能起到两个主要作用：一是当压缩机停机后， 膨胀阀及时关闭，使蒸发器中不会出现过多的积液，当压缩机重新启动时，就 不会导致压缩机冲缸。二是由于的限压作用，当压缩机停机后再次启动 时，蒸发压力一定要降到值以下，阀才开始正常工作，所以启动时，由 于吸气压力比较低，就不会过载。一般值应取，应注意 不是所有的膨胀阀都具有特性，应在订货时向制造厂提出。特别在一些 热泵系统中，温包所在位置的管道在制冷、制热循环切换时会遇到高温，必须 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 18 选用具有特性的热力膨胀阀。 3.电子膨胀阀热力膨胀阀是温包传感，机械作用的流量调节阀。它只能适 用于传统的控制模式，即构成简单的过热度闭环负反馈调节系统，实现大体上 的比例型流量调节。从控制角度看，还存在着许多问题。如调节品质不高；调 节系统无法与计算机接口：工作温度范围窄；温包传感慢引起反应滞后和调节 波动。特别是在低温装置中，热力膨胀阀的调节振荡问题比较突出。为了从根 本上克服热力膨胀阀的不足，实现机电一体化，电子膨胀阀的应用势在必行。 目前应用较多的是电动式膨胀阀（以四相步进电机驱动） 。由于采用电子式控 制，使得先进的控制手段运用于制冷剂流量控制成为可能。电子膨胀阀的主要 优点有：（）流量调节不受冷凝压力变化的影响。 （）可对膨胀阀前制冷 剂的过冷度变化具有补偿作用。 （）由于电信号传递快，执行动作迅速，准 确，故能够及时精确的调节流量。即使负荷变化剧烈，也能避免振荡。 （） 能够将蒸发器出口过热度控制在最小，从而最大限度的提高蒸发器传热面积的 利用率。 （）在装置的整个运行温度范围内，可以具有相同的过热度设定值。 （）可以根据装置的实际情况决定调节规律，不仅局限于比例调节，还可以 是、调节等。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 19 5 5 地源热泵空调系统变流量自动控制设计地源热泵空调系统变流量自动控制设计 空调系统自动控制应该能够采集，检测空调装置的工艺参数，如压力，温 度，流量等，同时自动调节某些工艺参数，使之恒定或按一定规律变化，还应 对装置自动控制。空调系统两个水系统采用变流量控制，已经受到越来越多人 的重视。土壤源热泵空调系统变流量控制方式对空调系统两个水系统循环泵进 行变流量控制，是在一定的控制方式下实现的。常见的变流量控制方式有压差 变流量控制，温差变流量控制。 5.15.1 压差变流量控制原理压差变流量控制原理 压差变流量控制是用变频器改变泵的流量,保持空调系统供/回水干管两侧 压差的稳定。它是目前工程设设计中应用最多的一种方案，从泵的运行特性出 发,充分发挥水泵效率，采用这种控制方式下的空调系统运行稳定。 图图 5-1、压差变流量控制流程图、压差变流量控制流程图 基本原理：设空调系统供、回水干管两端压差分别为P1、P0;HB为循环水 泵的扬程;Q0管网总流量;S1为冷源侧管网阻抗:S2负荷侧管网阻抗:S管网总阻 抗;H压差设定值。 供、回水干管两端压差： P1-P0HB-S1Q02(1) 循环水泵扬程： HBSQ02(2) 则有： HP1-P0（S-S1）Q02S2Q02(3) 由于只考虑到系统的管网特性,为考虑系统的热力特性,不能反映系统负荷 的变化,不能保证室内温/湿度要求,节能效果不明显。对泵的要求很高,要求泵 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 20 的性能曲线陡峭,性能曲线平滑的效果不明显。对于土壤源热泵空调系统,外循 环管网阻抗变化不大,很难实现对外循环泵的压差变流量控制。因为随着水温 度的上升或降低,系统的压力也会随着增大或减小,这使得控制变得扑朔迷离。 找到一个符合系统管网特性的H设定值较困难。 5.25.2 温差变流量控制原理温差变流量控制原理 温差变流量控制是用变频器改变泵的流量,保持空调系统供/回水温差稳定。 从空调系统热力特性出发,能保证室内温/湿度要求，能够反映系统负荷的变化,供 /回水温差可达到4.5以上,节能效果明显，能够实现对内/外循环泵变流量控 制,适用于土壤源热泵变流量控制。 图图 5-2、温差变流量控制流程图、温差变流量控制流程图 基本原理：Q为实时负荷量；T空调系统供、回水温差；Q0管网总流量。 QQ0T/0.86(4) 保持T恒定，Q0随着Q的变化而变化。 温差变流量控制没有考虑系统管网特性,可能会造成系统运行不稳定。因 而只适用于管网特性基本不变或变化不大的空调系统。由于机组本身具有根据 负荷变化进行自动调节的功能,采用该控制方法会出现与机组控制不协调的现 象,甚至会影响机组的正常工作。 5.35.3 土壤源热泵空调系统变流量控制土壤源热泵空调系统变流量控制 通过对压差变流量控制，温差变流量控制分析可以看出，压差变流量控制 节能效果不明显，控制不容易实现。温差变流量控制节能效果明显，容易实现， 但对系统管网特性有一定的要求。对于土壤源热泵空调系统采用温差变流量控 制能够对两个水系统循环泵进行变流量控制，特别是对于外循环泵，由于外循 环管网特性基本稳定，S（管网阻抗）基本不变，采用温差变流量控制方式效 果更明显。 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 21 6 6 控制方案的制定控制方案的制定 6.16.1 控制方案原理控制方案原理 该工程采用DDC(direct digital control)直接数字化控制系统。由于小 区各支路负荷相差不大，空调末端管网特性相对稳定。冬季末端空调水系统采 用室内循环供/回水温差,室内循环供水温度和机组工作状况相结合的控制方式， 为了保证室内温度要求，控制方案中考虑了室内循环供水温度。对于地下埋管 循环水系统采用地下埋管供/回水温差,蒸发器出口温度和机组工作状况相结合 的控制方式。对蒸发器出口温度的控制是基于防止地下水温度过低出现结冰考 虑的。 图图 6-1.冬季内循环变流量控制环路冬季内循环变流量控制环路 图图 6-2.冬季外循环变流量控制环路冬季外循环变流量控制环路 6.26.2 控制设备选择控制设备选择 6.2.16.2.1 现场仪表选择现场仪表选择 仪表选择应注意仪表的精度，测量范围和输出信号的类型。仪表精度代表 仪表的灵敏程度，根据所需被测参数的精度要求选择；测量范围应在被测参数 的波动范围内；输出信号的类型有电流信号（如420MA）,电压信号（如 05V）和电阻信号（如铂电阻46100） 。一般来说电流电压信号易受周围 环境的干扰，但对接受信号的板卡要求不高；而电阻信号不易受周围环境的干 江苏建筑职业技术学院毕业设计说明书 22 扰，但对接受信号的板卡要求很高。 本工程温度采集采用RWB系列一体化温度变送器，精度5，测量范围 080，输出信号420MA；压力采集采用WQSBP800系列压力变送器，精度 0.1，测量