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1、CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY科技论文检索与写作实践科技论文检索与写作实践题目：太阳能空气源热泵热水机题目：太阳能空气源热泵热水机 组控制系统设计组控制系统设计二级学院（直属学部）：延陵学院专业： 电气工程及其自动化班级：09 电 Y3学生姓名：沈雅俊学号：指导教师姓名：胡圣尧职称：副教授2013 年 03 月 01 日摘要摘要太阳能作为一种新型的绿色可再生能源具有环保、节能、经济等优点。但太阳能的使用却会受到天气的影响，难以全天候使用。而空气源热泵热水机不仅环保，还可弥补这一缺点。若将空气源热泵机组作为太阳能集热系统的辅助装置，在太阳辐射的热量达不到要求时
2、,便可以应用空气源热泵进行补充，既可充分利用太阳能，又可节约辅助能源，最大限度降低运行成本。关键字关键字：空气源热泵 辅助加热 太阳能 控制系统 AbstractAbstractKeyKey words:words: Air source heat pump，Auxiliary heating，Solar energy，Control system目录摘要.IAbstract.II第 1 章 太阳能空气源热泵简介.11.1 课题来源.11.2 太阳能空气源热泵发展现状及发展趋势 .21.2.1 太阳能空气源热泵发展现状.21.2.2 太阳能空气源热泵的发展趋势.31.3 太阳能空气源热泵热水机
3、组控制系统设计要求.31.3.1 系统运行工况.31.3.2 设计要求.41.4 本章小结.5参考文献.6第第 1 1 章章 太阳能空气源热泵简介太阳能空气源热泵简介随着经济发展和人民生活水平的提高，我国面临着日益艰巨的能源压力，越来越多的住宅、宾馆、游泳池等开始采用太阳能作为中央热水系统的主要能源。但太阳能应用技术也存在弱点，如太阳能能量密度低、加热时间长、每天的太阳辐射量不确定等。因此，用太阳能供热水有可靠性较差，每天产热水量不确定等缺点1 。空气源热泵热水机组根据逆卡诺循环原理，以少量电能为驱动力，以制冷剂为载体，源源不断地吸收空气中难以利用的低品位热能，并将其转化为可用的高品位热能，再
4、将高品位热能释放到水中制取生活热水，以满足生活热水的需求2。若是将二者结合起来，正常工作情况下，热水的获取通过太阳辐射热量，而当太阳辐射热量不能满足负荷的时候，则启动空气源热泵来补充解决。而太阳能空气源热泵热水机组就是太阳能和空气能综合利用的一种新型装置。本文设计了一个控制系统实现热水机组全自动运行，以期实现全天侯热水自动供给。1.11.1课题来源课题来源太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为 1,369w/。地球赤道的周长为 40,000km，从而可计算出，地球获得的能量可达 173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为 1kw/m
5、2，地球表面某一点 24h 的年平均辐射强度为 0.20kw/，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术，长期以来主要应用于建筑物的采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现，卫生热水供应系统也越来越多的采用热泵设备作为热源。其中以室外空气为热源的空气源热泵，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在卫生热水供应方面具有不可替代的优势，除
6、了比较大型的空气源热泵热水系统外，现在已有多个品牌的小型的家用空气源热泵 热水器 也投放市场。但空气源热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度-10以上的地区。太阳能集热系统的最大优势在于，在日照充足条件下，整个系统运行成本几乎为零，这也是在太阳能比较丰富的地区以太阳能作为生产热水主要能源的重要原因。其缺点在于，当天气条件不利(如光照不足、夜间等情况)或者屋面可放置集热器面积有限时，只能依靠辅助热源进行加热。空气源热泵热水机组与太阳能集热系统相比，最大优势在于只要室外环境温度在机组运行范围内(-10“50)就可以全天
7、候直供热水，弥补了太阳能系统本身存在的缺陷；同时在相同条件下，机组占地面积远小于太阳能集热板的占地面积。可见，将空气源热泵机组和太阳能集热系统两者有机组合，既可充分利用太阳能，又可节约辅助能源，最大限度降低运行成本，节省费用。空气源热泵机组与太阳能集热系统组合可实现优势互补。1.2太阳能空气源热泵发展现状及发展趋势太阳能空气源热泵发展现状及发展趋势1.2.1 太阳能空气源热泵发展现状太阳能空气源热泵发展现状美国的马奇蒂博士，对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，太阳能将在 21 世纪初进入一个快速发展阶段，并在 2050 年左右达到 30 %的比例，次于核能居第二位，21 世纪末太阳能将取代核
8、能居第一位。早在 20 世纪 50 年代初，太阳能热利用的先驱者 Jodan 和 Therkeld 就指出了太阳能热泵3的优越性，即可同时获得太阳能集热器效率和热泵系统性能的提高。在 20 世纪 70 年代，美国学者 T.L.Freeman 和 R.C.Bosio 较早的提出太阳能热泵系统（Solar Assisted Heat Pump，SAHP）。认为直接用太阳能作热泵热源，可以提高热泵的蒸发压力和蒸发温度，进而使得热泵系统的性能系数 COP 与常规热泵相比有显著提高。Huang 和 Morrison 分别开发了接近于商业应用的一体化 SAHP 系统，并分别在我国台湾和澳大利亚进行了长期的
9、试验研究18-19。我国对太阳能热泵的研究虽然起步较晚，但这几年所进行的理论与实验研究，都取得了一定成果，为今后商业化发展提供了一定基础。李舒宏、张雪梅、张喜明等人对太阳能热泵热水装置进行了试验与应用分析，郑宗和对太阳能热泵供暖系统应用于西藏地区进行了研究，张喜明设计了太阳能热泵地板辐射供暖系统，周恩泽进行了太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究，崔俊奎 、赵军等人对中高温热泵辅助太阳能三联供系统进行了实验研究20。这些研究成果充实了太阳能热泵理论，为太阳能热泵系统的设计和研究提供了有益的指导经验。1.2.2 太阳能空气源热泵的发展趋势太阳能空气源热泵的发展趋势我国在发展太阳能热泵技术方面也存在
10、一系列有利条件：能源和环境保护政策在一定程度上促进了太阳能热泵技术的发展；太阳能热利用和空调技术的发展也为太阳能热泵技术的发展提供了技术保证；我国丰富的太阳能资源为太阳能热泵技术的发展提供了良好的自然条件；这些有利条件为太阳能热泵的技术深化和市场推广提供了有力的政策和技术支持。太阳能热泵技术这一新型的制冷供热技术具有明显的社会效益和远期的经济效益，在能源和环境问题日益突出的今天具有显著的意义。尽管我国公众对这一技术还缺乏认识和了解，但随着国内外学者对太阳能热泵技术研究的进步，这一技术将得到较快的推广。在太阳能热泵技术的研究和应用中也发现该技术在一些方面(如投资经济性、性能的可靠性、标准化生产等
11、)存在问题，这将有待于以后的研究逐步解决。1.31.3太阳能空气源热泵热水机组太阳能空气源热泵热水机组控制系统设计要求控制系统设计要求1.3.1系统运行工况系统运行工况空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的运行主要有以下四种工况：(1)太阳能集热系统直接加热生活热水。在日照充足的白天，系统按此工况工作，此时太阳能热水循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和太阳能储热罐水温进行控制。(2)空气源热泵辅助太阳能集热系统加热生活热水。当阴雨天或光照不足，太阳能集热系统不足以使生活热水箱温度达到设计水温时，水箱感温元件检测水温启动空气源热泵热水机组加热，当水箱水温达到设定值时，空气源热泵热水机组自动
12、关闭。(3)太阳能和热泵机组同时加热生活热水。在日照良好情况下，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量较少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。系统采用自动温差控制循环加热，根据太阳能热水系统的运行情况、环境状况，结合空气源热泵的性能特点来自动切换热泵机组的运行，最大限度少开机或不开机，从而确保热水在不低于 55供应下限的前提下，为太阳能的充分利用提供保障，同时也为机组的节能利用和安全运行提供可靠的保证。(4)空气源热泵机组直接加热生活热水。在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态
13、，热泵机组单独工作对热水箱加热。1.3.2设计要求设计要求将在低温时集热效率较高的太阳能集热器和蒸发温度较高时系统效率较高的热泵系统相结合，采用太阳能加热系统来作为热泵系统的热源，这种太阳能与热泵联合运行的系统被称为太阳能热泵系统。该系统的主要工作原理是：通过集热器进行吸收太阳能并加热成为集热器中的水,再通过应用循环泵把集热水箱以及保温水箱中低温水全部输入进集热器,当水加热以后再循环至集热水箱与保温水箱当中。而集热水箱与集热器以及在保温水箱和集热水箱它们之间的水循环则可以通过温差进行控制4。控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计太阳能空气源热泵热水机组的控制系统以台达 PLC 为核心，主要实现温
14、度、流量、水位、功率参数等信息的实时检测，并根据检测的数据进行运算、处理后，实现自动补水、集热器与集热水箱及保温水箱之间的温差自动循环、防冻循环等功能控制。控制系统的开关量信号主要包括: 系统启停开关、电磁阀、循环水泵、热泵、状态指示等; 根据开关量信号可以选择 PLC 的型号DVP16ES00R2。该 PLC 具有的数字量通道为 8 入/8 出，输出为继电器模式，满足系统要求6-11。控制系统的软件设计控制系统的软件设计PLC 控制系统的软件主要完成监控数据采集与处理、数据上传及输出控制等工作，由于 PLC 的工作方式为循环扫描方式，对输入输出会出现延迟响应，所以用户程序的语句安排对响应时间有较大影响。PLC 的程序主要分为主程序和子程序 2 个部分，主程序完成系统的初始化和信号采集与检测以及各模块子程序的调用; 而子程序包括: 自动补水子程序、温差循环子程序、防冻循环、辅助加热子程序等6-11。1.4 本章小结本章小结太阳能热泵技术是原有的热泵技术与太阳能光热，光伏技术的有机融合。能通过热泵的形式，提高能效的利用，而且通过太阳能作为辅助热源可以有效地避免空气源热泵等在室外空气温度过低时引起的供热能力和性能系数降低的问题，提高了热泵对使用环境的适应性。太阳能空气源热泵热水机组是一种新型节能产品，他以太阳能和环境空气作为热源，可以取之不尽，用之不竭，是一种可替代锅炉的经济环保的
