【正文】 年遞增率超過 10％ 。 從地源熱泵應用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯(lián)供。 地源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀 目前， 地源熱泵 在法國和美國發(fā)展較快，市場總額年增長率達 45％ 以上；在瑞典、奧地利、荷蘭、日本等國家也得到了很好的發(fā)展。 我國的 地源熱泵 事業(yè)較國外起步較晚，自上世紀 90 年代初期以來，在國家自然科學基金委員會的資助下，國內開始對土壤源熱泵的探索性研究，但在如何有效地降低系統(tǒng)初投資、保證系統(tǒng)的可靠運行等方面的研究一直沒有突破。由于缺乏對埋地換熱器在土壤中復雜的傳熱、傳質綜合傳遞過程的深入研究，使得這些結論只適用于某一具體實驗系統(tǒng)，所提供的基礎數據較少而不能作為設計依據。天津大學、清華大學分別與有關企業(yè)結成產學研聯(lián)合體開發(fā)出中國品牌的地源熱泵系統(tǒng)，已建成數個示范工程，越來越多的中國用戶開始熟悉地源熱泵，并對其應用產生了濃厚的興趣，可以預計中國的地源熱泵市場前景廣闊。重慶建筑 大學、天津商學院等單位對地下埋盤管的地源熱泵也進行了多年的研究。 我國的地源熱泵發(fā)展前景非常樂觀，市場潛力很大。中國的 地源熱泵 事業(yè)近幾年已開始起步，而且發(fā)展勢頭看好，越來越多的 用戶開始熟悉 地源熱泵 ，并對其應用產生了濃厚的興趣。近幾年來在山東、河南、湖北、遼寧、黑龍江、北京市及河北等地，已有 100 多個利用地下水的 地源熱泵 工程在實際應用。 在空調行業(yè)里， 地源熱泵 這種既節(jié)能又經濟的空調方式正是符合當今世界可持續(xù)發(fā)展要求的一項 “ 綠色 ” 節(jié)能空調技術，只要投入更多精 力發(fā)展此技術，采取恰當的營銷策略，并給予必要的政策傾斜，可以預計，地源熱泵 發(fā)展的前景 很 廣闊 [4]。通過對地源熱泵 壓縮 機組的控制實現(xiàn)其對 蒸發(fā)器和冷凝器中水溫的控制。從而達到對 指定地方的溫度控制。在夏季，使室內溫度保持在 25℃ 左右，溫差在177。在冬季，使室內溫度保持在 20℃ 左右，溫差在177。 并通過 PLC 的控制 ，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，會及時報警。并通過 PLC，使其運行智能化。方便我們及時的維護及修理。在1987 年國際電工委員會（ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義： PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller ， 中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是 :一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。 PLC 是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可 以說有半導體的地方就有PLC。 因此，其特點包括以下幾個方面： ① 可靠性高，抗干擾能力強 。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。此外， PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 PLC 發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。加上PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC 的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 ④ 系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造 。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。 ⑤ 體積小，重量輕，能耗低 。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。 ② 模擬量控制 。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（ Analog）和數字量（ Digital）之間的 A/D 轉換及 D/A 轉換。 6 ③ 運動控制 。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 PID 調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。 ⑤ 數據處理 。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信 功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。 ⑤ 通信及聯(lián)網 。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。 和利時 PLC 的發(fā)展 和利時公司是一家專業(yè)化的自動化公司，北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司是集團總部， 主要業(yè)務領域為過程自動化、工廠自動化、核電儀控自動化、軌道交通自動化、企業(yè)和政府信息化。公司擁有多項自主研發(fā)的自動化產品，擁有 50 多項專利和多本技術專著。在多年 PLC 行業(yè)應用和技術積累的基礎上，投入大量資金成功開發(fā)出新一代小型一體化 PLC 產品 如 HOLLiAS LM 系列。 HOLLiAS LM 系列 PLC 與同類產品相比，它具有更高的硬件集成度。配合編程軟件 PowerPro 豐富的指令功能，無論是面對快速的離散量順序處理還是復雜的運動控制，它都能做到游刃有余。 HOLLiAS LEC G3 無論是替代傳統(tǒng)繼電器完成簡單控制，還是應用于特殊場合實現(xiàn)復雜控制的功能，都能最大限度地滿足客戶的需要。其應用領域非常廣泛，尤其適合于各種工業(yè)和 民用場合的設備控制，如印刷機械、建材機械、包裝機械、塑料機械、機床、環(huán)保設備、中央空調、電梯、管網監(jiān)控、樓宇自動化等等 [7]。圖 21展示了一個 CPU模塊。 8 圖 21 G3小型一體化 PLC G3 硬件系統(tǒng) 及工作方式 HOLLiASLEC G3系列小型一體化 PLC包括一個單獨的 G3 CPU模塊，以及各種可供選擇的功能擴展模塊。 圖 22 G3系列 CPU硬件組成 各個部分的作用為： ① 中央處理器單元負責執(zhí)行程序和存儲數據，具有內置實時時鐘，服務于工業(yè)控制任務或過程生產任務。 ③ 電源部分負責向 CPU模塊本身及其所連接的其它擴展模塊提供電力。 ⑤ 通訊接口將 CPU模塊同編程器或其它一些設備連接起來。 擴展模塊 ： G3小型一體化 PLC提供多種擴展模塊供用戶選用，通過擴展模塊可以增加更多功能、更多數量的 I/O點，便于實現(xiàn)各種環(huán)境下的控制需求。 圖 23 G3小型一體化 PLC組合 G3 編程軟件 PowerPro是用于 HOLLiASLEC G3系列小型一體化 PLC產品的編程軟件。 PowerPro具有離線仿真功能，使用戶能在程序試運行之前測試邏輯的正確與否，而無需把 PC與 HOLLiASLEC G3設備連接，極大地方便了程序的調試。在軟件編輯過程中 ，可以任意引用高性能功能模塊 256個，可以任意調用特有的超長時間繼電器。軟件具有很強的運算功能，如浮點數計算、經過優(yōu)化處理的 PID運算等等。 PowerPro 提供了豐富的指令，為了用戶使用方便，按其代碼存儲位置分為兩大類 ，內部指令和外部指令。這類指令在使用時直接調用。 PowerPro 功能塊 是指 用于指揮 CPU 執(zhí)行一定操作和完成一定功能的若干指令的組合。其執(zhí)行代碼存儲于不同的三個位置。在 PowerPro中我們把用來實現(xiàn)這些常用功能的指令和功能塊集合起來進行分類 ，然后建立專門的庫。 12 第 3 章 地源熱泵的相關知識 地源熱泵的工作原理及分類 地源熱泵的運行就如卡諾循環(huán)的逆過程，卡諾循環(huán) 為自然界的 自然 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。所以熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫 度 進 行利用，而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這 就 是熱泵的節(jié)能特點。 壓縮機起著壓縮和輸送循環(huán)工質從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵系統(tǒng)的心臟 。 冷凝器是輸出熱量的設備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機消耗功所轉化的熱量在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的 。 根據熱力學第二定律，壓縮機所消耗的功起到補償作用，使循環(huán)工質不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復地進行循環(huán)。 此時從環(huán)境取熱的對象稱為熱源 ， 相反制冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器則向環(huán)境排熱，此 時向環(huán)境排熱的對象稱為冷源。這樣熱泵或制冷機根據與環(huán)境換熱介質的不同，可分為水 — 水式，水 — 空氣式，空氣 — 水式，和空氣 — 空氣式共四類。空氣源熱泵有著悠久的歷史，而且其安裝和使用都很方便，應用較廣泛。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因為存在結霜問題，效率低下。水是一種優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般 地源熱泵 的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，但由于受水源的限制， 水 源熱泵 的應用遠不及空氣源熱泵 [12]。 夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為 “ 冷源 ” 。 三個系統(tǒng)之間水或空氣換 熱介質進行熱量的傳遞， 地源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。 地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點： （ 1） 全年溫度波動小。 （ 2） 冬季運行不需要除霜，減少了結霜和除霜的損失。 地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱 量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。排氣壓力一般大于 2 千克力／厘米。 壓縮機的種類 按其工作原理分為兩大類：①容積式壓縮機。又可分為回轉壓縮機和往復壓縮機等。②速度式壓縮機。 14 根據排氣壓力大小的不同，壓縮機可分為：①低壓壓縮機。②中壓壓縮機。③高壓壓縮機，其排氣壓力在 106～ 107帕之間，主要用于尿素工業(yè)的二氧化碳壓縮機、合成氨工業(yè)的氫氮氣壓縮機、空氣分離的氧氣和空氣壓縮機以及合成甲醇的原料氣壓縮機等 [14]。 地下水 是 存在于地殼巖石裂縫或土壤空隙中的水。大氣降水是地下水的主 要來源。在一定條件下，還有側向補給。且地下水絕大部分都是流動的，因此，用地下水 可以很好的攜帶熱量。 地源熱泵設計圖如下圖 31 所示： 圖 31 地源熱泵示意圖 其運行過程為，壓縮機把制冷劑，通常為氟利 昂，壓縮成高溫高壓的氣體，然后經過冷凝器，釋放熱量，成為過冷液，同時，冷凝器中的水吸收熱量溫度升高。蒸發(fā)器中的水釋放熱量，溫度降低。集水器收集各個房間中的水，再流入蒸發(fā)器中，達到循環(huán)利用的目的，也可以直接排回地下。 在冬季，利用冷凝器中的熱水，通過空調水泵和分水器，流向各個需要制暖的房間中，達到制暖效果，同時，冷凝器中的水可以排回地下，利用較溫暖的地下水，可以增加熱泵的效率。 16 第 4 章 系統(tǒng)設計過程 控制系統(tǒng)硬件連接圖 （見附錄 C） 溫度傳感器模塊 LM3312 模塊為 4 通道熱電阻輸入模塊，提供了與 Cu50、 Pt100 兩種熱電阻一次測溫元件進行連接的接口，用于采集并處理從現(xiàn)場來的熱電阻的電阻值 輸入信號。其測量溫度輸入范圍與 LM3312 量程對應數據如表 41 所示。 表 41 Pt100 與 LM3312的關系 輸入信號范圍 量程所對應的輸入數據范圍 Pt100(150157。如圖 42所示 ： 17 圖 42 四線制接法 壓力 檢測開關 在所設計的 系統(tǒng)中，有四個壓力檢測開關，包括兩個高壓檢測開關，兩個低壓檢測開關 。高壓檢測開關檢測到壓力過高時，會及時斷開，同理，低壓檢測開關在壓縮機壓力過低時，也會斷開。 其連線如圖 43 所示。當沒有水通過時，流量為 0，流量檢測開關斷開。流量檢測開關也是檢測空調水泵運行的依據，當水泵運行時，才會有流量通過，熱水或冷水流過房間內管道，達到制暖或制冷的目的。 流量檢測開關選用 SOR 流量檢測開關其連接入 圖 43 所示。采用聲光報警器，當故障發(fā)生時，報警器啟動，警鈴長鳴，并且發(fā)出發(fā)光。 報警器一端接入 220V 的零線，另一端接入 PLC 開關量輸出的 % 端口。溫度設計要求如表 42 所示。當進水溫度和出水溫度都低時，增加壓縮機的運行數量，從而提高溫度。 系統(tǒng)的 I/O 點分配如表 42 所示，其中開關量輸入點 6 個，模擬量輸入點 4 個，開關量輸出點 5 個，模擬量輸出點 1 個。考慮到此系統(tǒng)需要一定的備用 I/O 點， CPU 模塊選擇帶有 24 點開關量的 LM3107，其中開關量輸入 14 點，開關量輸出 10 點。 PLC 的人機界面選用 EView 觸摸屏。 這些配置完全能夠滿足系統(tǒng)的要求。從控制的主要功能出發(fā)，為了增加程序可讀性和減少程序代碼， PLC 程序采用了主程序調用功能塊的程序結構。 變量聲明 全局變量聲明： V