【文章內(nèi)容簡介】 共 49 頁 空氣能熱水器工作原理 空氣能熱水器是按照“逆卡諾”原理工作的，形象地說，就是“室外機(jī)”像打氣筒一樣壓縮空氣，使空氣溫度升高，然后通過一種 17℃就會沸騰的液體傳導(dǎo)熱量到室內(nèi)的儲水箱內(nèi)，再將熱量釋放傳導(dǎo)到水中。 圖 空氣能熱水系統(tǒng)原理 運(yùn)用熱泵工作原理制熱，與空調(diào)制冷相反 ， 電制冷 2800 瓦。根據(jù)熱平衡的原理，同時最少產(chǎn)生 2800 瓦的熱量，加上輸入的 1000 瓦電，實(shí)際產(chǎn)生的熱量在 3000— 4000瓦，把 這些熱量輸送到保溫水箱，其耗電量只是電熱水器的四分之一， 電熱水器即使熱效率 100%，輸入 1000 瓦 電也只有 1000 瓦的熱 。 空氣能熱水器則不需要陽光，因此放在家里或室外都可以。太陽能熱水器儲存的水用完之后，很難再馬上產(chǎn)生熱水。如果電加熱又需要很長的時間，而空氣能熱水器只要有空氣，溫度在零攝氏度以上，就可以 24 小時全天 承壓運(yùn)行。這樣一來，即使用完一箱水，一個小時左右就會再產(chǎn)生一箱熱水。同時它也能從根本上消除了電熱水器漏電、干燒以及燃?xì)?熱水器使用時產(chǎn)生有害氣體等安全隱患，克服了太陽能熱水器陰雨天不能使用及安 裝不便等缺點(diǎn)，具有高安全、高節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點(diǎn)， 空氣能熱水器的壽命一般可以達(dá)到 15 至 20 年。 特點(diǎn) 與優(yōu)點(diǎn) 安生性 傳統(tǒng)熱水器以燃?xì)狻㈦姾吞柲転橹?，燃?xì)鉄崴靼踩暂^差，燃燒不充分和水壓不穩(wěn)定易造成燃?xì)庵卸竞蜖C傷事件，電 熱水器的漏電隱患和住宅接地不良也對消費(fèi)者的生命安全造成嚴(yán)重威脅 。 太陽能熱水器儲水式的特點(diǎn)決定了其在晴天時，水溫可能很高，造成燙傷，陰雨天的電輔助加熱卻留下安全隱患，與以上熱水器不同， 空氣 能 熱水器制 保 溫 水 箱 加 水泵 循環(huán) 水泵 熱交換器 壓 縮 機(jī) 外機(jī) 風(fēng)扇 水源 第 3 頁 共 49 頁 熱過程是通過壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體加熱水罐中的水，電主要用于壓縮機(jī)，制熱后的氣體通過外 熱交換 盤式的盤管與搪瓷水罐中的水交換熱量，水電完全分離 。 這樣，既不存在漏電隱患，省去了防漏電的煩惱，也避免了電加熱管表面溫度高，易結(jié)垢并影響加熱效率的弊端，真正作到絕對安全 。 節(jié)能性 由于采用熱泵技術(shù)，可將大量 的空氣中的熱量 通過壓縮機(jī)和制冷劑，轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫臒崮埽?空氣能 熱水器由于吸收了大量空氣中的熱量，能效比平均在 3 以上，即 空氣能熱水器的壓縮機(jī)每耗一度電，可產(chǎn)生電加熱消耗 3 度電產(chǎn)生的熱水，極大的 節(jié)省了能源 。 120 升熱泵熱水器，壓縮機(jī)功率為 500 瓦，熱效率值為 370%， 標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度為 20℃ ，是普通電熱水器的四倍左右（電熱水器熱效率為 95%）， 可見 大大節(jié)省了電能，同樣 120 升水從 15℃ 升到 55℃ ，普通電熱水器需要 6Kw， 熱泵熱水器僅需 Kw，不僅僅節(jié)省了費(fèi) 用，大面積推廣也可極大的緩和電力緊張情況，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義 。 表 各類 熱水器 經(jīng) 濟(jì) 性 對比 （ 以 120 升，溫度從 15℃ 升到 55℃ 為例 ） 熱水器種類 熱泵熱水器 電熱水器 太陽能熱水器 燃?xì)鉄崴? 燃料種類 電 電 電 天然氣 有無污 染 無 無 無 有 有無危險性 無 有觸電隱患 有觸電隱患 危險 是否方便 方便 較方便 不方便 較方便 燃值 860 大卡 /Kwh 860 大卡 /Kwh 860 大卡 /Kwh 9000 大卡 /m3 熱效率 370% 95% 280% 70% 燃料單價 元 /Kwh 元 /Kwh 元 /Kwh 元 120 升水費(fèi)用 元 元 元 年運(yùn)行費(fèi)用 元 元 365 元 元 注：熱泵熱水器的熱效率采用標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度 20℃ ，水溫 15℃ 計 算，太陽能熱水器以帶電輔助加熱的為對比對象，全年陰天按 120 天核算，熱效率為 280%。 環(huán)保性 與燃?xì)鉄崴飨啾葻o任何排放，其制冷劑選用 R417A，是一種環(huán)保制冷劑，對臭氧層零污染，是 R22 的理想替代產(chǎn)品，目前，該產(chǎn)品在歐洲替換制冷劑市場占 80%以上的市場份額，被廣泛地用于商場、賓館、超市和辦公場所等中央空調(diào)制冷劑的替換，其節(jié)能、環(huán)保、高效和替換簡單（不用換壓縮機(jī)和膨脹閥）等特點(diǎn)，使其已成為歐洲替換 R22 的首選產(chǎn)品。 各種熱水器加熱方式比較 ， 以每天產(chǎn)生 10 噸熱水 ,溫差 45℃ 計算 ,制熱量為 450000大卡 。 第 4 頁 共 49 頁 表 各類熱水器 產(chǎn)生 10 噸熱水 污染對比 供熱方式 燃煤鍋爐 燃油鍋爐 燃?xì)忮仩t 電鍋爐 太陽能 空氣源熱泵 燃料種類 煤 柴油 天然氣 電 電 電 是否污染環(huán)境 非常嚴(yán)重 有 不嚴(yán)重 無 無 無 有無危險性 有 比較危險 非常危險 有 無 無 熱效率 64% 85% 75% 95% 95% 400% 燃料單位 元 /kg 元 /kg 3 元 /m3 元 /kwh 元 /kwh 元 /kwh 每 10 噸水需用燃料 551kwh 151kwh 130kwh 每 10 噸水燃費(fèi) (元 ) 310 200 年燃料費(fèi)用（萬元） 16 人工費(fèi)用（萬元） 4（ 2 人） 4（ 2 人） 2（ 1 人） 無 無 無 設(shè)備使用年限 5 年 5 年 5 年 5 年 5 年 10 年以上 本文研究的意義 空氣能熱水器 以其節(jié)能低碳效果，在熱水器市場具有不可比擬與無法匹敵的競 爭優(yōu)勢。其最大價值彰顯于其低碳節(jié)能效果在能源緊缺與低碳壓力持續(xù)增大中應(yīng)用與普及?？諝饽軣崴髌浜哪転殡姛崴鞯乃姆种?，燃?xì)鉄崴鞯娜种柲軣崴鞯亩种?，而被稱為 “ 第四代熱水器 ” 。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，假設(shè)全國 25%的家庭改用空氣源熱泵熱水器，一年可節(jié)約電能約 1420 億千瓦時，這個數(shù)字相當(dāng)于為國家建立了一個半的三峽電站， 20xx 年的三峽電站發(fā)電量才 808 億千瓦時。而這同時也相當(dāng)于節(jié)約了 1730萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減 少二氧化碳排放 3690 萬噸，減少二氧化硫排放 萬噸。 空氣能熱水器 行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，在于其低碳節(jié)能價值被更多的人去認(rèn)知，我國的 大部分 電力來源于高耗能與高污染的煤，每到用電高峰期全國各地層出不窮的電荒，暴露我國能源緊缺與強(qiáng)大需要的尖銳矛盾，而空氣能熱水器從大力推廣到應(yīng)用普及 ，或可解決電荒于根本 。 空氣能熱泵 因節(jié)能與低碳而在各領(lǐng)域都有廣 泛的適用性，其發(fā)展前景更是 令人期待， 人們 的都對其寄于了熱切的發(fā)展壯大希望，并用行動付之以不懈的努力 ?？諝饽軣崴靼l(fā)展瓶頸成了空氣能熱水器普及之路上的最大阻礙。其一，空氣能熱水器還缺少支持空氣能熱水器產(chǎn)品在各種環(huán)境下的強(qiáng)適應(yīng)性與穩(wěn)定性的支撐技術(shù)及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；其二，空氣能熱水器的高價格讓普通老百姓難以接受；其三，也是空氣能熱水器成長之路上首要解決的重要問題，空氣能熱水器 系統(tǒng)的的電氣控制部分，如何實(shí)現(xiàn)高能郊的轉(zhuǎn)換，用最少的電能吸收最多的熱量。本課題就是研究其控制部分 ，發(fā)揮最能量轉(zhuǎn)換，為人民更好的服務(wù)。 第 5 頁 共 49 頁 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 基本設(shè)計要求 （ 1）采用單片機(jī)（ 8051/STC/AVR/STM32）作為核心部件對壓縮機(jī)、外機(jī)風(fēng)扇、加水泵、循環(huán)水泵電磁閥過行控制； （ 2）采用 LCD1602 顯示當(dāng)前熱水溫度等信息； （ 3） 采用 DS18B20 芯片作為數(shù)字溫度傳感器部件； （ 4） 采用 浮球水位開關(guān)進(jìn)行對水位控制 發(fā)揮部分 （ 1）實(shí)現(xiàn)下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)顯示 （ 2）實(shí)現(xiàn)上位機(jī)調(diào)節(jié)下位機(jī)的溫度設(shè)置 方案步驟 根據(jù)任務(wù)書上的要求進(jìn)行綜合分析，總設(shè)計方案分為以下幾個步驟： (1)根據(jù)空氣能熱水器控制系統(tǒng)的功能， 選用合理元器件并畫出總體原理圖。 (2)畫出各個程序流程圖的各模塊。 (3)根據(jù)流程圖編寫出各模塊的程序。 (4)制作 PCB 版。 (5)完成主程序及實(shí)現(xiàn)模塊調(diào)用。 (6)硬件電路的焊接及調(diào)試。 (7)硬件軟件的綜合調(diào)試及程序燒制 方案設(shè)計 主控制部分方案設(shè)計 方案一：采用可編程邏輯器件 FPGA 作為控制器。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、 I/O資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。 但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用、功耗及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。 方案二： STC89C52RC 是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 ,針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。所以我用了方案二來設(shè)計。 第 6 頁 共 49 頁 溫度采集方案設(shè)計 方案一： 此方案采用 AD590 來實(shí)現(xiàn)。使用 AD590 優(yōu)點(diǎn)是能及時的反應(yīng)出溫度變化， 速度快，編程簡單， 但是 芯片輸出的是模擬信號 ,必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送給 計算機(jī) ,這樣就使得測溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 ，而且 麻煩的是需要校準(zhǔn)， 這樣增加了控制的難度，而且成本高。 方案二： 此方案采用 DS18B20 來實(shí)現(xiàn)。使用 DS18B20 缺點(diǎn) 是編程復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢。 但是 DS18B20 不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，溫度測量和轉(zhuǎn)換的工作都在一個器件中完成，直接 與 單片機(jī)的I/O 連接，而且 DS18B20 保證精度足夠 高 ，電路簡單成本低 。 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20測量溫度 ,輸出信號全數(shù)字化 ， 便于單片機(jī)處理及控制 ,省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路 。 且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定 ,它能用做工業(yè)測溫元件 ,此元件線形 較好 。 DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸 , 這允許在許多不同地方放置溫度傳感器。它可在 1秒內(nèi)把溫度變換為數(shù)字，采集速度較快能及時反應(yīng)溫度的變化。最高 12位溫度讀數(shù)，精度可達(dá)到 攝氏度，溫度采集范圍 55～ 125 攝氏度，在很多場合下都能使用，并且價格低，很容易買到。 綜合上述兩種方案的比較，本系統(tǒng)選用方案二。 顯示模塊方案設(shè)計 方案一： 此方案采用 LED 八段數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)，雖然 LED 具有原理簡單、顯示快速等特點(diǎn)。但是由于的管腳較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布線比較麻煩，而且使用數(shù)碼管不 能夠同時顯示采集到的全部數(shù)據(jù)，只能通過按鍵來切換顯示采集到的數(shù)據(jù)，不夠靈活方便，而且它不能顯示英文字符，如果使用鎖存方式顯示，增加了電路難度，不使用鎖存方式則增加了控制的難度。 方案二： 此方案采用液晶顯示器 1602 來實(shí)現(xiàn)，雖然 LCD1602 編程比較困難，但是其引腳比較少，電路連接比較簡單，布線比較容易，能夠全部顯示采集到的數(shù)據(jù)，方便靈活。而且它能顯示英文字符和數(shù)字，具有低功耗、長壽命、高可靠性、清晰、體積小等特點(diǎn)。綜合上述兩種方案的比較，本系統(tǒng)選用方案二。 上位機(jī)通信方案設(shè)計 方案一： 采用 USB通信，采用此方案技術(shù)難度較大，容易出現(xiàn)錯碼， 所以采用方案一。 方案二： 第 7 頁 共 49 頁 采用 MAXRS232 串口通信芯片， 具有電路簡單等特點(diǎn)，并且價格便宜，容易買到 3 硬件電路的設(shè)計 硬件設(shè)計原則 一般對于大型的硬件設(shè)計的主要思路如下 : 一個大型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，要設(shè)計合適的接口電路。系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則： (1)盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 (2)系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平 應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求。 (3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合程序設(shè)計方案一并考慮?？紤]的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。 (4)系統(tǒng)中的相關(guān)元器件要盡可能做到性能匹配。 (5)可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件設(shè)計必不可少的一部分。 (6)盡量減少外圍。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而在選擇器件上盡量的