【文章內(nèi)容簡介】 的因素，即長期以來在能源的生產(chǎn)和消費(fèi)中煤炭的比例占 70％左右。為了徹底整治環(huán)境，減少溫室氣體排放，我國政府正在規(guī)劃改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。北京等城市正在考慮以電代煤的方法來解決城市污染的問題。每千瓦電能帶來 3 至 4 千瓦熱量的地源熱泵將是極具競爭力的技術(shù)。由于電力是地源熱泵的唯一 動(dòng)力，因此沒有燃料分散燃燒所造成的大氣污染。與此同時(shí)由于廠家密封制劑。使用過程中不泄露，不補(bǔ)充，減少了對(duì)臭氧層的破壞。分析和調(diào)查表明，地源熱泵的應(yīng)用對(duì)降低溫室效應(yīng)起了積極作用?？梢姡@項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于中國將緩解城市空氣污染問題。 能夠緩解能源緊張問題。進(jìn)入新世紀(jì)，在生產(chǎn)力高速發(fā)展的條件下，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到地球上的資源和能源日益匣乏。我國能源短缺是一個(gè)不爭的事實(shí)，與此同時(shí)，我國又存在能源利用率低的矛盾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國總的能源利用率約為 30％，這僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家90 年代的水平。我國建筑耗能約占總耗能的 25％，其中供熱 采暖能耗約占一半。能源短缺導(dǎo)致中國的能源價(jià)格越來越接近發(fā)達(dá)國家的水平。我國要在能源每年增長率僅為 3％—5％的條件下滿足國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)每年增長 8％ —9％，就必須重視節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)利用，這決定了我國必須在空調(diào)和取暖這一耗能大項(xiàng)上有所改進(jìn)。就地源熱泵技術(shù)而言，由于熱泵僅僅用來傳輸熱量，而不是產(chǎn)生熱量，所需要的熱量有 70％來自于地下，夏天制冷時(shí)，用來將建筑物中的熱量傳人地下所消耗的電力也非常少，因此地源熱泵這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于我國可以在一定程度上緩解我國的能源壓力。 受到國家相關(guān)政策的支持。為了減少我國由于冬 季采暖所造成的大氣污染，減低國內(nèi)現(xiàn)有制冷空調(diào)的能源消耗，尋求新的低能耗、無污染的供暖制冷空調(diào)技術(shù)，國家科技部與美國能源部分別代表兩國政府簽署了中美兩國政府地源熱泵合作協(xié)議，引進(jìn)和推廣美國先進(jìn)的地源熱泵技術(shù)。這對(duì)地源熱泵技術(shù)在中國的推廣起到巨大的推動(dòng)作用。八屆人大常委會(huì)第二十八次會(huì)議審議并通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，其中第三十九條將熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)列入國家鼓勵(lì)發(fā)展的通用技術(shù)，這也將促進(jìn)地源熱泵事業(yè)的發(fā)展。自從我國實(shí)施《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》后，提高了建筑隔熱保溫性能，降低了建筑采暖能耗，結(jié)果是大幅度降低 了地源熱泵采暖方式的年運(yùn)行費(fèi)用，增加了地源熱泵與集中供熱采暖方式的競爭能力。 地源熱泵技術(shù)在中國推廣過程中可能遇到的問題 任何一項(xiàng)新事物的出現(xiàn)總是要受到人們的質(zhì)疑，對(duì)于地源熱泵這項(xiàng)新技術(shù)同樣可能會(huì)遇到一些阻力。首先，中國有關(guān)地源熱泵的現(xiàn)成技術(shù)資料不多，還缺少這方面的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)技術(shù)人員，同時(shí)，由于在中國生產(chǎn)地源熱泵相關(guān)設(shè)備的廠家少，人們對(duì)它還比較 5 陌生，大多抱著觀望的態(tài)度，這樣的情形不利于這項(xiàng)技術(shù)在中國的推廣。其次，我國現(xiàn)在還沒有出臺(tái)促進(jìn)地源熱泵技術(shù)發(fā)展的相關(guān)優(yōu)惠政策，這使部分想采用地源熱泵系 統(tǒng)的用戶由于看不到眼前利益而采用其它的空調(diào)系統(tǒng)。為了鼓勵(lì)用戶采用地源熱泵系統(tǒng)，我國可以提供鼓勵(lì)性補(bǔ)貼和資助給購買地源熱泵系統(tǒng)的用戶，或者采用調(diào)整能源價(jià)格的方法，使能源價(jià)格合理化，給予這些用戶一些實(shí)惠，鼓勵(lì)人們采用地源熱泵系統(tǒng)。還要說明的一點(diǎn)是，世界上熱泵技術(shù)比較發(fā)達(dá)的北美、北歐和中歐國家由于氣候條件基本上只用于供熱，對(duì)地源熱泵夏季制冷工況研究較少。而我國幅員遼闊，地處溫帶，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地區(qū)氣象條件差異很大，同樣的建筑在不同的地區(qū)，其負(fù)荷情況可能迥然不同。因此，我們不能照搬外國的技術(shù)成果， 必須投入大量的科研經(jīng)費(fèi)和研究人員進(jìn)行研究，使其適合中國的氣候特點(diǎn)，這也在一定程度上延緩了這項(xiàng)技術(shù)在中國的推廣。但可以相信，地?zé)崮芫哂袕V泛的應(yīng)用前景，在不久的將來，地?zé)崮軐⒃谑澜缒茉蠢媒Y(jié)構(gòu)中占有更大的份額。隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和對(duì)“綠色能源”的日益重視，地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)也將得到前所未有的發(fā)展。 6 第二章 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)組成及原理 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)概述 地 熱能空調(diào)系統(tǒng) 是一種利用地球淺層資源（包括土壤、 地下水、地表水或城市中水）的既可供暖又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。它利用鋪設(shè)在土壤、地表水等中的換熱管道，實(shí)現(xiàn)空調(diào)房間和土壤、地表水等的換熱， 如圖 1 所示空調(diào)系統(tǒng)原理圖 。 圖 1 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)原理 地 熱能空調(diào)系統(tǒng) 主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。 室外地能換熱系統(tǒng)包括地?zé)嵩淳?、循環(huán)泵、熱交換器。 熱泵機(jī)組 包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥。 室內(nèi)末端系統(tǒng)主要是風(fēng)機(jī)盤管。 三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，熱泵 機(jī)組 與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水 或空氣 。 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)分類 垂直埋管 熱泵系 垂直埋管 垂直埋管可獲取地下深層土壤的熱量。垂直埋管通常安裝在地下 50150 米深處，一組或多組管與熱泵機(jī)組相連，封閉的塑料管內(nèi)的將地?zé)崮軅魉徒o熱泵，然后由熱泵轉(zhuǎn)化為建筑物所需的供熱和制冷。垂直埋管是地?zé)崮芟到y(tǒng)的主要方式，得到各個(gè)國家的政府部門大力支持。 7 水平埋管 熱泵系 水平埋管 在地下 2 米深處水平放置塑料管，塑料管內(nèi)注滿防凍的液體，并與熱泵相連。水平埋管占地面積大，土方開挖量大，而且地下?lián)Q熱器受地表氣候變化的影響。 地 表水的熱泵系 地表水江、河、湖、海的水以及深井水統(tǒng)稱地表水。地?zé)崮芸照{(diào)可以從地表水中提取熱量或冷量，達(dá)到制熱或制冷的目的。利用地表水的熱泵系統(tǒng)造價(jià)低，運(yùn)行效率高，但受地理位置（如江河湖海）和國家政策（如取深井水）的限制 。 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)工作原理 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)工作過程 熱泵工作原理作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機(jī)器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗 一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫度進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點(diǎn)。 熱泵機(jī)組裝置主要有：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥四部分組成，通過讓液態(tài)工質(zhì) (制冷劑或冷媒 )不斷完成：蒸發(fā)（吸取 室內(nèi)或地源 的熱量） →壓縮→冷凝（放出熱量 到地源或室內(nèi) ）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將 室內(nèi) 的熱量轉(zhuǎn)移到 地源（夏季）或把地源的熱量轉(zhuǎn)移帶室內(nèi)（冬季）。 壓縮機(jī)起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷制熱）系統(tǒng)的心臟； 蒸發(fā)器是輸出 冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷的目的； 冷凝器是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的； 膨脹閥或節(jié)流閥對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。 地?zé)崮芸照{(diào)供暖供冷系統(tǒng)通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊、海水等天然能源，冬季從大地吸收熱量，夏季向大地放出熱量，即由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱，所依賴的資源是不會(huì)枯竭的免費(fèi)地?zé)豳Y源，有效利用了地下土壤湖泊等資源的 巨大蓄熱蓄冷能力。 作為地源熱泵系統(tǒng)熱量的來源（冬季）和熱量的排放源（夏季）的土壤，深度在數(shù)米之下，無論南北、無論冬夏，全年溫度基本恒定在 18 度左右。也就是說，地源熱泵系統(tǒng)工作時(shí)，熱量傳遞的溫差全年基本恒定，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣源熱泵的傳熱溫差。夏天其它空調(diào)要在 38 度的氣溫下 排 出熱量，而地源熱泵用是在 18 度左右的環(huán)境下排熱，冬天空氣源熱泵在 0176。C 的空氣中吸收熱量，而地源熱泵是在 18176。C 左右的環(huán)境下吸收熱量，就是說，地源熱泵的熱量轉(zhuǎn)移比其它空調(diào)要容易很多，僅需要較少的外界能源即可實(shí)現(xiàn)熱量的順利 8 轉(zhuǎn)移。 機(jī)組效率大大提 高，可以節(jié)約 3040%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用， 1KW 的電能可以得到 4KW 以上的熱量或 5KW 以上冷量。 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)冬季工作過程 在冬天，壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，由地源側(cè)循環(huán)水吸收地下水的熱量，通過蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的汽化，將地源側(cè)循環(huán)水中的熱量吸收至制冷劑中，在制冷劑循環(huán)的同時(shí)再通過冷凝器內(nèi)制冷劑的液化，由空調(diào)側(cè)循環(huán)水將制冷劑所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以熱風(fēng)的形式為房間供暖。（如圖 21 所示） 圖 21 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)制熱模式 地?zé)崮芸照{(diào)系 統(tǒng)冬季工作過程 在夏天，地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，使其進(jìn)行汽 液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的汽化將由空調(diào)側(cè)循環(huán)水所攜帶的熱量吸收至制冷劑中，在制冷劑循環(huán)同時(shí)再通過冷凝器內(nèi)在制冷劑的汽化，由地源側(cè)循環(huán)水將制冷劑所攜帶的熱量吸收，最終由地源側(cè)循環(huán)水轉(zhuǎn)移至地水、地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，通過風(fēng)機(jī)盤管，以冷風(fēng)的形式為房間供冷。（如圖 22 所示） 9 圖 22 地?zé)崮芸照{(diào)系統(tǒng)制冷模式 地源熱泵空調(diào)節(jié)能的原理 利用地下熱能作為地源熱泵系統(tǒng)熱量的來源（冬季）和熱量的排放源（夏 季）的土壤，深度在數(shù)米之下，無論南北、無論冬夏，全年溫度基本恒定在 18 度左右。也就是說，地源熱泵系統(tǒng)工作時(shí)，熱量傳遞的溫差全年基本恒定，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣源熱泵的傳熱溫差。夏天其它空調(diào)要在 38 度的氣溫下派出熱量，而地源熱泵用是在 18 度左右的環(huán)境下排熱，冬天空氣源熱泵在 0176。C 的空氣中吸收熱量，而地源熱泵是在 18176。C 左右的環(huán)境下吸收熱量，就是說，地源熱泵的熱量轉(zhuǎn)移比其它空調(diào)要容易很多，僅需要較少的外界能源即可實(shí)現(xiàn)熱量的順利轉(zhuǎn)移。地源熱泵全年運(yùn)行工況穩(wěn)定，不需要其它輔助熱源及冷卻設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)冬季供熱、夏季供冷。所以 ，地源熱泵是一項(xiàng)高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，它既不會(huì)污染地下水，又不會(huì)影響地面沉降。在冬天，管道內(nèi)的液體將地下的熱量抽出，然后通過系統(tǒng)導(dǎo)入建筑物內(nèi)，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；在夏天，熱量從建建筑物內(nèi)抽出，通過系統(tǒng)排入地下，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵一年四季均能可靠的提供高品質(zhì)的冷暖空氣，為我們營造一個(gè)非常舒適的室內(nèi)環(huán)境 10 第三章 PLC 概述 PLC 的基本概念 PLC 的 概述 早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī) (Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程序控制器簡稱 PLC。 PLC 自 1966 年美國數(shù)據(jù)設(shè)備公司（ DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國，日本，德國的可編程序控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強(qiáng)大。 PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用 來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987年國際電工委員會(huì) (International Electrical Committee)頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它 采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 ” . PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。 20 世紀(jì) 70 年代 初出 現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。 20 世紀(jì) 70 年代中末期， 可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì) 、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20 世紀(jì)80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可 11 編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段