地下水源热泵控制系统设1 (自动保存的)

1、 地下水源热泵控制系统设计 摘 要地下水源热泵技术是一种有益于环境保护和可持续发展的技术，当下正大力提倡低碳环保科技，地下水源热泵正好以其节能、清洁无污染而受到了人们的重视，近些年得到了迅猛发展。因此，地下水源热泵将是21世纪最受欢迎的采暖空调方式，而要让整个地下水源热泵系统安全 、高效节能的运行，并有良好的控制性效果，这就需要设计一个良好的控制系统对其进行控制。本文分析了地下水源热泵系统的组成和工作原理，同时阐述了该系统的节能方式以及变频技术在系统中的应用。分析了模糊控制理论和PID控制理论的原理，然后结婚水源热泵系统的特点优化组合了模糊算法和PID算法并应用为系统的控制算法，这种算法的控制

2、效果良好而且适应性较强。本设计是基于51单片机的地下水源热泵空调系统，控制系统小而功能灵活，较PLC设计的控制系统价格便宜。系统是根据用户端进回水温差来调节室内温度，温度测量是通过温度采集转换电路完成的。并通过LCD1602显示温度等参数。该系统可以实现热泵机组的自行运行，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，实时显示各监测点数据来达到良好的控制效果。关键词 水源热泵；单片机；组合模糊PID；ADC0809第 1 章 绪 论 1.1 选题背景及研究意义能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。今天,全球经济的增长和人口增多导致对能源的需求与日俱增&

3、quot;能源的重要性被提到了一个前所未有的高度,能源和环境问题在世界各国引起了广泛的关注。近年来,经济的高速发展与低效率的能源使用之间的矛盾使得我国的能源形势日趋严峻,盲目追求经济增长速度!不注重环保,使得我国的生态环境不堪重负"因此,在当前形势下,调整和改善能源结构的任务十分艰巨,而提高能源利用率!大力开发利用可再生能源是解决我国能源与环境问题的重要途径之一。为了满足人们对室内空气的舒适性要求,现代建筑中越来越多地使用了中央空调系统"中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管连接多个末端的方式来控制不同房间以达到室内空气调节目的的空调系统。中央空调的概念起源于美国,因其

4、设备性能稳定、寿命长、舒适度高,逐渐得到了推广应用。中央空调气流组织好,送风温差小,室内温度分布均匀,加上可以方便引入新风,可以有效预防夏季“空调病”的发生,及避免出现冬季室内空气过于干燥的情况。先进的自动控制技术可保证中央空调系统按照最佳的负荷匹配比高效率运行,节能省电。地下水源热泵是以地下水作为夏季热泵制冷的冷却源（冬季采暖供热的低温热源），实现制冷、供热的热泵空调系统。该系统所使用的热泵设备为水源热泵机组。 随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热及空调已成为普遍的需求，由此带来的能源供应紧张已经成为当今世界各国面临的一个共性问题。空调系统需要消耗大量的电能和燃料，据调查

5、表明在发达国家中，供热和空调所消耗的能源占到社会总能耗的25%30%（美国，日本），有的国家甚至达到总能耗的40%（瑞典），并且空调消耗的能量持续以4%5%的速度增长，因此空调系统的节能始终是建筑环境与设备领域的重要研究课题之一。 在我国，家用空调器拥有量已经超过一亿台，同时每年以21%的速度增长，商业中央空调和家用空调变得更加普及。空调所消耗的电能占城市消耗的总电能正在逐年上升，已经成为电网负荷增长过快的重要因素。我国的能源结构是主要依靠矿石燃料，特别是煤炭。而矿石燃料在燃烧过程中会产生大量的污染物，包括大量SO2、CO、NOX等有害气体，以及CO2等温室气体。因此，在我国经济持续发展的今天

6、，空调普及所带来的节能与环境问题，已经成为我国社会经济发展的一个重要议题。地下水源热泵技术是以“开发和强化高质能源利用率的重要手段”，同时也是“获得可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一”。该技术越来越受到全世界的关注，因为地下水源热泵可以利用自然界低品位能源（地下水）作为其冷热源，还可以回收建筑物内部的热量及各种余热，这些热源的温度较低，一般的工业过程和生活过程中很难利用起来，可是通过热泵系统就可以提高，从而向生活和生产过程中提供有用的热量。而且热泵机组以电力驱动，采用热泵原理吸收大地的热量供热（吸收室内热量制冷），消除了常规锅炉供暖中所造成的环境污染，因此地下水源热泵是一种清洁、低碳、高效

7、、节能的空调产品。而所谓热泵,其实是一种能量提升装置,它能实现能量从低温热源到高温热源的转移。地下水源热泵系统通过输入少量的高品位能源(如电能),来提取蕴藏在地下的低品位地热能源,提升品位之后加以利用,以实现对建筑物的供热、制冷及热水供应。冬季的时候,它从地能中“取”出热量,提高温度后以热风的形式供给室内用于采暖的目的,这时地能为“热源”,起到了锅炉的作用"夏季的时候,它将室内的热量“取”出来释放到地下水或土壤中去以实现对建筑物的降温,这时地能为“冷源”,起着冷却塔的作用。地下水源热泵一年四季运行工况稳定,不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热和夏季供冷。通常地下水源热泵消耗I

8、KW的能量,用户可以得到45KW以上的热量或冷量,是名副其实的节能型空调系统。而且地下水源热泵系统在供暖和制冷的同时,还可提供生活热水,即用一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统,具有一机多用的功能。在空气源热泵空调系统中,室内多余热量或冷量的排放对象均是室外空气。当城市中大量使用空气源热泵空调系统时,将使得夏季环境温度更高、冬季环境温度更低。室内环境的舒适与室外环境的恶劣成为一对矛盾"而地下水源热泵利用的是地热能源,故减少了常规能源的消耗,又不污染环境,实现了真正意义上的节能减排。地下水源热泵空调系统将室内的热量或冷量“转存”到地下,因而不会引起室外空气温度的变化,避免了

9、使用空调时对环境温度造成的“热污染”或“冷污染”,具有显著的环境效益。因此,利用地下水源热泵技术开发浅层地热能是一种既节能减排、又不污染环境的可持续发展道路。地下水源热泵中央空调系统的能量来源于自然能源,不向外界排放任何废气!废水!废渣,被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热!供冷系统,可应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域,前景广阔。1.1.2 论文的研究目的和意义从世界范围来看,地下水源热泵技术发展的历史不长,地下水源热泵中央空调系统的推出时间也相对较晚。国内对地下水源热泵的研究和应用起步比起国外更晚,在产业上还不规范,在技术和应用上也还存在不少问题,

10、而且由于中国南北差异大,在该技术的进一步推广和完善上还有很多工作要做"其中较为突出的问题之一就是目前地下水源热泵采用的控制系统能耗较大,效率不高,可扩展性不强,特别是在温度的控制上还不具备自适应的能力,很难做到既满足空调的舒适度要求,又最大限度的节约能源。在目前的地下水源热泵中央空调系统中,为保证极端情况下也能满足用户的需求,控制系统的设计和水泵等设备的选型均是按最不利工况进行的,在设计中留有一定的余量。而在实际生活中,由于季节因素、地下水源热泵中央空调节能控制系统研究昼夜温差和用户负荷的变化,在绝大部分时间内实际的空调负载都远比设计负载要低。因此,目前的地下水源热泵空调系统大多数时

11、间都是在部分负荷下运行的,即处于轻载运行状态。为适应最不利情况下的负荷量,地下水源热泵空调系统的水泵一年四季都是在额定的工况下工作,这样要适应负荷的变化就只能通过节流来降低水流量,而使得水泵大部分功耗用于克服节流阀的阻力上,浪费了水泵运行的输送能量。经统计计算一般空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20%一30%因此,要降低整个中央空调系统的能耗,应当在降低部分负荷时水系统的输送能量上下功夫。随着自动化控制技术、电子监测技术以及变频技术的飞速发展,加强对热泵系统温度控制和节能的研究,提高热泵系统的运行效率、减小维护成本,是地下水源热泵空调普及过程中函待解决的问题。本文的研究目的就是设计一套节

12、能并且在温度控制上自适应程度较高的地下水源热泵空调控制系统,以实现空调系统最大程度上的节能运行。在全球能源供应日益紧张的情况下,改进地下水源热泵空调系统控制方案以实现节能无疑具有现实意义。1.2 地下水源热泵空调国内外发展现状1.2.1 国外发展现状从世界范围来看，地下水源热泵技术发展的历史不长，地下水源热泵中央空调系统的推出时间也相对较晚。地下水源热泵技术最早是瑞士工程师 Zoelly 发明的一项专利，最初只是作为一种新能源利用方式的概念并没有在实际工程中应用。在一些发达国家，经济条件较好，住房面积大，户式中央空调早已成为一种家庭消费必需产品，例如，在美国、欧洲、日本等国的家庭中，有 85%

13、以上的家庭在选购空调产品时会首选户式中央空调。美国人是最早发明地下水源热泵的，当时是根据建筑物的面积、使用要求，周围场地及地质条件等诸多因素来设计和优化方案，由于土壤源热泵的初投资高、计算复杂以及金属管的腐蚀等原因，早期的地下水源热泵中土壤源占的比例比较小，主要以地下水源热泵为主。地下水源热泵是美国政府极力推广的节能环保技术，地下水源热泵占整个空调总量的 20%，与现存的用电供热/制冷技术相比，具有稳定性好，可靠性高，费用少的优势。美国地下水源热泵空调已成为空调行业内发展最为迅猛的系统，目前在商业建筑空调设备的保有量中，其市场份额已超过 20%，而在新建筑中的选用比例已超过35%，美国能源部的

14、目标是每年地下水源热泵系统应用达到 40 万套；未来几年，由美国能源部，环保署，爱迪逊电力研究所联合设立的美国地下水源热泵协会(GHPC)将投资一亿美元，专门用于地下水源热泵的研究，开发及推广工作。在中北欧的瑞士、瑞典、奥地利、丹麦等国家，地下水源热泵（土壤换热器）技术利用处于领先地位，地埋管土壤换热器热泵得到广泛的应用。从地下水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。在国外面积超过 100M2以上的住宅以及别墅在不断增加，介于大型中央空调系统与家用空调之间的空白点便显露出来，作为一个产业，户式中央空调在国外的发展已经比较成熟，它在美国的占有率已经超过 70% ，

15、在日本超过 50% 。从普通制冷、供暖、供生活热水，到地暖地板，以及空气质量要求很高的净化空调，地下水源热泵系统都能提供最佳方案满足业主要求。1.2.2 国内发展现状虽然我国在 20 世纪 5060 年代时就有过热泵的研究和实验，但地下水源热泵在当今中国的大发展势态，是受世界影响在 2000 年前后引入我国，再迅速爆发而成。北京是最早开发利用地下水源热泵的城市之一，20 世纪末北京开始出现首批地下水源热泵工程。地下水源热泵在世界的利用，2000 年是 26 个国家，2005 年是 33 个国家，2010年已达 43 个国家。近 15 年来，世界地下水源热泵的应用集中在北美和欧洲，但这些年来中国

16、的发展已超越了许多国家，跨入世界前列，2010 年世界地下水源热泵应用的前 5 个国家排名是美国、中国、瑞典、挪威和德国，如今中国已跃居世界第二位。2007 年，河北省将地下水源热泵列入电力需求侧管理补贴项目。其中补贴项目包括：变频技术、双蓄技术和地下水源热泵技术。地下水源热泵作为一种利用可再生能源的空调系统，具有节能和环保的双重效益， 因此，我国已将地下蓄热技术和高效热泵同时列入世纪最有发展前途的新技术。20072010 年，地下水源热泵项目达到 76 家单位，并取得了良好的经济效益和社会效益。2010 年 4 月在印度尼西亚巴厘岛举行的世界地热大会公布的数据显示，世界地下水源热泵的增长远远

17、超出了地热直接利用和高温地热发电的发展速度。地下水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，即一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，节能环保等诸多优点，将引导地下水源热泵在今后数十年的继续大步发展。第 2 章 地下水源热泵系统及控制原理2.1 地下水源热泵空调系统的特点地源热泵空调系统与传统中央空调系统相比较，具有以下特点：1.使用的能源可再生而且对环境无污染，符合可持续发展观的要求。地源热泵系统采用浅层的地热资源，制冷时不需要冷却装置，可以避免采用冷却设备时的噪音过大问题，有效地降低空调系统的噪音污染；制热时不需要取暖锅炉，所以可避免燃料燃烧带来的环境污染问题。2.地源热

18、泵技术是一种节能效率较高的技术，运行费用较低，仅为传统中央空调的一半左右。地温在冬季高于大气温度，夏季低于大气温度，像海洋一样保持一种恒温状态，为中央空调系统提供了一种很好的冷却和取热途径，而且这一特性使地源热泵中央空调系统压缩机组的运行能效优于传统中央空调的能效，大大的降低了成本。3.舒适度和自动化程度较高。采用地源热泵中央空调系统的建筑物内温度比较稳定，设计时还兼容了室内通风需求，可靠地保证了室内温度适宜和空气新鲜。系统采用计算机技术可以实现自动化控制，几乎不需要人工调节，运行安全稳定。4.系统简单，易于管理和维护，故障点少，维修工作方便简单。5.使用灵活，可以同时实现供热和制冷不同功能需

19、求，并能满足提供生活热水等功能要求。一机多用，一套系统可以替代原来的锅炉加空调的两套系统；可用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖与制冷。此外机组使用寿命长，均在 15 年以上；机组紧凑节省空间。2.2 地源热泵中央空调系统组成及工作原理2.2.1 地源热泵中央空调系统组成地源热泵中央空调系统是一种从地下土壤资源中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热/供冷系统。该系统集成热泵技术、暖通空调技术、配套地质勘查技术于一体，在相对稳定的土壤温度下高效、稳定、经济的运行。地源热泵中央空调系统是由室内空气处理末端系统、地源热泵中央空调机组系统与室外地下埋管系统等三部分组成。当为用户

20、提供制冷功能时，地源热泵空调系统把用户室内多余的热量通过地源热泵中央空调主机机组转移到地下热源中，以满足用户制冷需求。当为用户提供制热功能时，地源热泵系统从地下热源中提取低品位能量，通过中央空调系统的机组（热泵）“泵”送到高品位热源，以满足用户的制热需求。用户（室内末端）系统由用户侧水管系统、循环水泵、水过滤器、相应末端空气处理设备、静电水处理仪、膨胀稳压设备和各个阀门配件等组成。地源热泵中央空调主机系统主要由蒸发器、冷凝器、膨胀阀、四通阀、压缩机组，各制冷管道配件和相应的电力控制系统组成。地下埋管系统由地下埋管、循环水泵、水过滤器、阀门等组成。地源热泵中央空调系统与传统中央空调系统类似，系统

21、组成原理如图 2-1 所示。差异在于：传统的中央空调系统是由单冷冷水机组、冷却装置、循环水泵以及供热系统组成；地源热泵中央空调系统则由压缩机组和循环水系统组成，水冷却通过埋管与地温进行交换的方式实现。地源热泵的环路主要包括：冷却循环水环路、制冷剂环路、冷冻水环路。冷却水环路实现了依托地温散热、制冷目的。图2-1 地源热泵系统原理框图2.2.2 地源热泵中央空调系统工作原理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原理转移冷量和热量的设备，地源热泵通常是指转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方。作为自然界的现象，正如水由高处流向低处一样，热量也总是从

22、高温处流向低温处。但是热泵的发明，犹如水泵把水从低处抽到高处一样，将热量从低温处转移到高温处。所以热泵实质是一种热量提升设备，它本身消耗一部分能量，把环境介质中存储的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的能量仅为供热量的三分之一左右，这是热泵节能的优势所在。地源热泵中央空调系统的运行原理分为制冷和制热两部分。制冷时，地源热泵的压缩机组对内部的冷媒循环介质做功，使冷媒在汽、液两种状态转化下进行循环。当冷媒通过蒸发器完成液态到气态的转化吸收风机盘管系统中所携带的热量；当冷媒循环通过冷凝器时完成气态到液态的转变释放热量到室外埋管系统的水循环中，最终释放到地源中。制热时，压缩机组对冷媒

23、做功，并通过四通阀使冷媒的流动方向改变。由地下的水路循环吸收土壤、地表水、或地下水中的低品位热量。通过冷媒在冷凝器内的蒸发过程，把循环水中的能量转移到流动的冷媒中，这是冷媒的蒸发吸热过程；在另一半循环回路中冷媒在蒸发器内冷凝，把冷媒中的热量转移到循环水中。整个循环过程中由风机盘管循环在蒸发器处吸收冷媒冷凝所释放的热量，从而完成热量传向室内的最后过程。由以上过程可以看出地源热泵中央空调系统是通过电能驱动压缩机组实现能量由低品位热源向高品位热源的转移从而达到节能效果的。当蒸发器处于建筑物内，冷凝器处于建筑物外时，实现制冷效果；当蒸发器处于建筑物外，冷凝器处于建筑物内时，实现制热效果。实际情况是设备

24、机组中配置了两个换热器，这两个换热器都可以既做冷凝器又做蒸发器使用。设备中有一个四通阀实现换热器选择冷凝器还是蒸发器功能，实现热泵机组对建筑物内的制冷或制热功能。 第 3 章 空调系统冷热负荷计算3.1夏季冷负荷计算3.1.1温差传热形成的冷负荷南外墙冷负荷 式中：传热系数， 取；面积， 取；时间延迟， 取；作用时刻下的计算温差；作用时刻，即为二十四小时制的21点；冷负荷温差t的总修正值，包括地区修正和室温修正两项。对于外墙，济南市的地区修正值为3。室温修正值，所以=3+1=4。计算负荷Q时采用的t计算值，应等于表列t值加上总修正值。所以 同理可计算出各个方向的墙面的逐时冷负荷。其他各房间的各项温差传热冷负荷的计算过程和计算结果已列于附录中。（见附录1 夏季冷湿负荷计算表）3.1.2太阳辐射形成的冷负荷透过窗户的太阳辐射热形成的冷负荷计算过程见附录。见附录1 夏季冷湿负荷计算表其中，窗户的构造修正系数=0.69和内遮阳系数=0.6。 一层 南外窗冷负荷 式中：内遮阳系数，取0.6； 计算时刻下，透过有内遮阳设施外窗的太阳辐射负荷总强度，南外窗为52W/m2。2.1.3室内发热量形成的冷负荷室内热源形成的冷负荷计算过程见附录。见附录1 夏季冷湿负荷计算表其中单位人体的显热散热量q1=65W，室内人