水源热泵空调系统的研究

1摘要：水源热泵是以水为热源的可进行制冷/制热循环的一种热泵型水/空气空调装置，它在制热时以水为热源而在制冷时以水为排热源。水源热泵空调系统是由末端(室内空气处理末端)系统，水源中央空调主机(又称为水源热泵)系统和水源水系统三部分组成。水源热泵机组以水为载体，冬季采集来自水的低品位热能，借助热泵系统，通过消耗部分电能，将所取得的能量供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调的目的。该机组具有设计标准、工况优良、操作简便、安全可靠等优点。水源热泵作为一种用地下恒温水源代替冷却塔的高效节能空调，在实际应用中，还应充分考虑主机、冷冻水泵和冷却水泵等消耗能量最大的设备的节能问题。本文重点阐述了水源热泵空调系统中冷冻水和冷却水系统的变频节能原理、闭环节能控制方案和对控制系统的设计。实践证明，此控制系统实现了对水源热泵系统从电路到水路的最高效率控制。关键词：水源热泵；变频节能；PLC；控制系统Abstract:Waterheatpumpisbasedonwaterastheheatsourceforheating/coolingcycleofaheatpumptypewater/airair-conditioningapparatus,ittowaterasaheatsourceintheheatinginthecoolingwaterastheexhaustheatsource.Watersourceheatpumpair-conditioningsystembytheendofthe(indoorairtreatmentend)system,water,centralair-conditioninghost(alsoknownaswatersourceheatpump)systemsandsourcewatersystemconsistsofthreeparts.Waterheatpumpwithwaterasthecarrier,andwinterlow-gradethermalenergycollectedfromthewaterbymeansofaheatpumpsystem,consumesomeenergy,theenergysuppliedtotheindoorheating;indoorheatoutinthesummer,releasedintothewater,inordertoachievethesummerthepurposeoftheair-conditioned.Theunithasadesignstandards,excellentworkingconditions,easyoperation,safeandreliable.Watersourceheatpumpasaheatedundergroundwaterinsteadofcoolingtowerenergyefficientairconditioning,inpracticalapplications,butalsogivefullconsiderationtothehost,chilledwaterpumpsandcoolingwaterpumpsconsumeenergyequipmentenergy-saving.Thispaperfocusesontheprincipleofvariablefrequencyenergyofthewatersourceheat2pumpair-conditioningsystems,chilledwaterandcoolingwatersystems,closed-loopenergy-savingcontrolprogramsandcontrolsystemdesign.Practicehasprovedthatthiscontrolsystemforthecontrolofthewaterwayfromthecircuittothewatersourceheatpumpsystemformaximumefficiency.Keywords:WaterSourceHeatPump；Frequencyenergy-saving；PLC；Controlsystem3目录第一章前言.............................................................41.1课题研究的背景及意义..............................................41.2本文的主要研究内容...............................................4第二章水源热泵工作原理..................................................62.1水源热泵技术概述.................................................62.1.1水源热泵的概述.............................................62.1.2水源热泵的分类..............................................62.2水源热泵的工作原理...............................................6第三章水源热泵空调系统的设计方案.......................................83.1变频节能控制方案.................................................83.1.1冷冻水系统.................................................83.1.2冷却水系统.................................................93.2控制系统设计.....................................................93.2.1水源热泵系统设备...........................................93.2.2控制系统硬件配置...........................................93.3控制系统软件设计................................................10第四章PID.PLC.热泵的选择..............................................134.1模糊PID控制....................................................134.1.1PID控制参数的选择............................................134.2PID控制的仿真研究...............................................144.2水源热泵负载的变频节能原理......................................184.3基于PLC控制的水源热泵空调系统设计..............................194.3.1系统总原理框图设计........................................194.3.2电气控制部分设计..........................................20第五章结束语..........................................................22参考文献................................................................23致谢....................................................................244第一章前言能源是人类赖以生存和发展的物质基础，随着人类文明的进步和社会的发展，对能源的消耗越来越多，人类对能源的需求正在以几何级数的形式增加。随着我国社会经济的持续快速发展，国家能源消耗总量也逐年增加，节能是有关我国国计民生的大事，也是制冷空调行业的发展主题，目前制冷空调产品以用电力作能源的按制冷量计算占89%以上，所以讨论空调节能问题，具有非常重要的现实意义。1.1课题研究的背景及意义水源热泵系统是一种高效、节能、环保的绿色空调系统。随着技术的发展和成熟，水源热泵越来越显示出其在供暖制冷领域独特优势。这种高效利用可再生能源的技术正受到越来越多专家和相关研究人员的关注。目前，国内的清华大学、天津大学、重庆建筑大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。其中清华大学在多工况水源热泵经过多年的研究已形成产业化的成果，已建成数个示范工程。随着我国经济的发展，水源热泵空调的应用也越来越广泛，住房，工厂，农业，船舶等很多领域。所以研究水源热泵空调系统的能耗问题是十分重要的。1.2本文的主要研究内容水源热泵作为一种用地下恒温水源代替冷却塔的高效节能空调，在实际应用中，为了进一步提高节能效果，还应尽可能减少主机、冷冻水泵和冷却水泵等主要耗能设备的用能。传统的空调水系统使用定流量的运行方式，水源热泵主机本身具有能量调节机构，根据负载变化输出的能量可以在额定值的25％-100％的范围内调整。但是，冷冻水泵和冷却水泵却不随着负载变化做出相应的调节，流量保持不变，导致水系统经常在大流量、小温差的工况下运行，电能浪费很大。采用定温差变流量的水系统控制，可以避免这种浪费。采用这种控制方式，可以把进回水的温差固定在一个较大的给定值上，在用户负荷5较小时，通过减少流量来满足用户要求，这样水泵的能耗可以大大减少。随着冷机技术的进步，蒸发器的流量可以在额定流量的60%-100%范围内变化，这样就为采用交流变频调速器对水源热泵系统中的水泵进行变流量节能控制提供了技术保证。本文将利用PLC、触摸屏和变频器对水源热泵进行变频节能控制。6第二章水源热泵工作原理2.1水源热泵技术的概述2.1.1水源热泵的概述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）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转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，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。2.1.2水源热泵的分类根据热泵的热源介质来分，热泵可分为空气源热泵和水源热泵，而水源热泵又分为水环热泵和地源热泵。水环热泵是充分利用室内余热的一种热泵，冬季当室内余热不足时，可利用锅炉进行加热；夏季当室内余热过多时，可利用冷却塔进行排热。地源热泵是一个广义的术语，它包括以地下水、地表水和土壤作为热源和热汇的热泵系统。以土壤为热源和热汇的热泵系统称之为土壤源热泵；以地下水为热源和热汇的热泵系统称之为地下水源热泵；以地表水为热源和热汇的热泵系统称之为地表水源热泵。2.2水源热泵的工作原理水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。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水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。作为自然现象，热量总是从高温端流向低温端，如图1水源热泵能量流图。但如同水泵把水从低处提升到高处那样，人们可以用热泵技术把热量从低温端抽吸到高温