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1、精选优质文档-倾情为你奉上空气源热泵热水器控制器设计空气源热泵热水器控制器设计摘 要 本文介绍了一种基于单片机的空气源热泵热水器控制器。该控制器以智能化简单操作来达到空气源热泵热水器的精确控制。论文概述了热泵技术、空气源热泵技术历史和技术优势。并且在介绍空气源热泵热水器工作原理以及蒸汽压缩式制冷循环原理的基础上，提出了控制器设计总体方案。在软件设计方面，本文详细介绍了空气源热泵热水器控制器的设计。文章最后通过大量的流程图来说明控制器的具体结构和可实现的操作。该空气源热泵热水器控制器设计完善，实现方案简单易行。采用软件设计来控制，可以实现智能化简单精确控制，并且提高了整机的可靠性及准确性。关键词
2、 空气源 热泵 控制器 设计 专心-专注-专业目 录引 言从目前市场上来看，热水器可分成三大类：燃气热水器，电热水器，还有太阳能热水器。不久前，某专业机构公布了一项调查结果显示，电热水器目前占热水器市场的60%以上，占据着一半以上的市场份额。但随着燃气热水器的再一次革新，太阳能热水器的加速发展，电热水器的市场份额正遭受巨大挑战。对于电热水器来说，尽管太阳能热水器行业宣称潜力无限，但要真正发展成为成熟产业，还有一个很长的过程。在使用上，如果是晴天，太阳能热水器的优势一览无余，但是一旦下雨用起电来，太阳能热水器比电热水器损耗也就要大很多。又由于其是非承压式结构，所以常常会出现渗水现象。还有就是太阳
3、能市场没用很明确的行业规范。可以肯定燃气和电热水器仍然是未来三年内热水器市场的主角。热泵热水器具有高能效比，无污染的优点，是一款可替代锅炉的供暖水设备，并在当今社会受到热捧。热泵热水器是以制冷剂作为媒介，冷媒吸收了环境空气中的热量后汽化，通过压缩机压缩制热，变成高温高压气体，再经热交换器与水交换热量后，经膨胀阀释放压力，回到低温低压的液化状态，通过制冷剂的不断循环，不断吸收空气中的热量，并将该部分热量转移，来制取热水，也就是说热泵热水器是将电热水器和太阳能热水器的各自优点完美的结合于一体的新型热水器。目前，热泵热水器有空气源热泵热水器、水源热泵和太阳能型三种系列。空气源热泵是当今世界上最先进的
4、产品之一，该产品以制冷剂为媒介，制冷剂吸收空气中（或阳光）中的能量，再经压缩机压缩制热后，通过换热装置将热量传递给水，来制取热水，热水通过水循环系统送入用户散热器进行采暖或直接用于热水供应。这一产品特点有： 1、高效节能：使用费用比传统的太阳能热水器（带辅助电加热器）更省，是电热水器的四分之一，燃气热水器的三分之一，消耗少量电力，获得四倍热量； 2、全天候：不受天气变化影响，晴天，阴雨天，夜间都能源源不断的高效制取热水； 3、适用性强：任意位置安装，解决了太阳能只能装在顶层的不足，而且建筑的朝向也没有影响； 4、寿命长：制冷剂作为工作介质，不存在夜间冻管或者管路腐蚀等问题，系统寿命一般可达15
5、-20年； 5、安全可靠：无需大电流的电气连接，运行安全可靠，噪音小；安全环保，热能来源于空气，水箱内无电热管，水电完全分离，绝对安全； 6、方便舒适：承压出水，自来水压沐浴，全自动运行，快速加热，超大容量。 一个空气源热水器，如何用简单的操作来控制其正常的工作是一个值得深入研究解决的问题。在目前的产品当中，控制器的设计仍然比较简单，无法在工作中采集到系统的工作数据，也就很难实现实时对热水器的控制。换句话说，现在的产品还不够智能化，不能满足消费者简单操作从而达到的精准控制，所以我这次设计的题目就是空气源热泵热水器控制器设计。研制一套基于单片机的空气源热泵热水器的控制器。研制的控制器包括硬件装置
6、和控制软件两部分。其中硬件装置由单片机、控制电路、传感器、LCD等组成。我主要完成软件设计，并参与硬件设计和制作。主要技术指标如下：1、热泵热水器热容量：50KW。2、热泵热水器冷容量:40KW。3、制冷压缩机规格：17KW，380V/50Hz，R134a制冷剂。4、蒸发温度：7.5。5、进风温度：25。 控制器必须实现如下功能： 1、能够实现运行工况的设定。 2、自动完成机组系统正常启动、运行和关机程序。 3、压缩机的高低压保护。 4、主要运行参数的指示。5、故障的报警、保护和指示。第一章 空气源热泵的概述1.1 热泵热泵技术在最近些年中引起了全球广泛关注。人们最常见的“泵”有水泵，但是水泵
7、的功能是将水从低洼处抽到高处。而“热泵”的功能确是从空气、水或土壤中获取热热能，经过机械压缩，从而释放高热能来提供人们日常生活所用热能的装置。作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样，热量也总是从高温区流向低温区。但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样，采用热泵可以把热量从低温抽吸到高温。因此热泵热水器的工作原理是通过输入小部分电力，启动压缩机运行，从而整个热泵系统开始工作，通过蒸发器不断从低温环境中吸收热量，再通过冷凝器将系统吸收的热量和消耗的电能传递到高温环境中。 热泵在工作时，其本身需要消耗一部分能量，而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分，因此，采用热泵技
8、术可以节约大量高品位能源。 1.2空气源热泵空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保的制热技术。空气源热泵系统通过大自然含有的低温热源，经过热泵的高效处理成为高温热源，从而用来取暖、供暖或供应热水，所以整个系统的产热量相当高空气源热泵的原理实际和空调差不多，是一种新型的热水器，主要由几大部分组成：蒸发器，压缩机，冷凝器，储液罐，膨胀阀等，整套设备中最主要的一种物质，冷媒，也就是现实中叫的氟利昂，工作原理就是冷媒在蒸发器中与空气接触，吸收空气的热量，在蒸发器中吸热以后由液态变为气态，进入压缩机，再由压缩机把这种冷媒经行压缩成为高温高压的蒸汽，然后进入冷凝器，在冷凝器中，冷媒温度
9、逐渐下降，又由高温高压的气态变成液态，释放大量的热量，而水就可以吸收这种热量提升热量，冷媒就又回到储液罐中，等待下一次的循环，正是因为冷媒的这种周而复始的循环，把大量的热能源源不断的从空气中带到水中，所以把这种装置叫做空气源热泵热水器。第二章 空气源热泵的发展2.1空气源热泵的历史1824年法国科学家卡诺(Sadi karnot)发表卡诺循环理论,成为热泵技术的起源 1850年 英国科学家开尔文（L.Kelvin)提出将逆卡诺循环用于加热的热泵设想 热泵的理论起源于十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺(Sadi karnot)，卡诺在 1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，30年后，英国科学家
10、开尔文（L.Kelvin)于1850年初提出:冷冻装置可以用于加热，之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究，研究持续80年之久。 1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，这是早期的水源热泵系统，也是世界上第一套热泵系统。热泵工业在20世纪40年代到50年代早期得到迅速发展，家用热泵和工业建筑用的热泵开始进入市场，热泵进入了早期发展阶段。 21 世纪，随着“ 能源危机 ”出现，燃油价格忽升，经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能，节能环保的特点，重新登上历史舞台，成为当前最有价值的新能源科技。 2.2空气源热泵的优势空气源热泵以水源热泵类似方法从空气获
11、得热量来加热水。三种热泵中，空气源热泵受到的条件限制最小。空气源热泵热水器中的冷媒（R22、R417A等）把空气中的热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，之后与水接触，加热水温。这种热水器具有高效节能的特点，其节能效果是电热水器的4倍，是燃气热水器的3倍，是太阳能热水器的约2倍。空气能是一种在大自然中广泛存在，易得易取的能源，利用热泵来压缩提高能量，因而这是一项极具开发和应用潜力的新技术。空气源热泵热水器具有高效、环保、安全、全自动化处理、环境因素限制小等特点。并且空气源热泵热水器也得到了官方的应用。第三章 热泵热水器系统运行原理3.1 蒸汽压缩式制冷循环原理 热泵热水机组遵循能量守恒
12、定律和热力学第2定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功（电能），将处于低温环境（大气或地下水等）下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移（传送），而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功（例如电能），才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到高温
13、环境中去应用。单级蒸气压缩式制冷系统如下图所示。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾， 蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力， 然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气） 与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。 当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。 混合物中的液体
14、在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。 图3-1 蒸汽压缩制冷理论循环3.2 空气源热泵热水器工作原理3.2.1系统介绍空气源热泵热水器机组一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、单向阀、电磁阀、冷凝压力调节水阀、储水箱等几部分组成(见图3-2)。图3-2 空气源热泵热水器机组系统简图空气源热泵热水器是热泵技术的一种应用形式，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和储液罐等部件组成（见图3-3）。空气源热泵热水器运用逆卡诺循环原理，通过压缩机做功，使气态工质温度及压力升高，气态工质与冷水在
15、热交换器中进行热量交换。在这一过程中，工质放热发生由气态到液态的相变，冷水洗手工质的热量逐步升温变成热水；液态工质经膨胀阀节流后吸收空气或水的热量，空气或水因放热温度降低，在这一过程中工质吸热发生由液态到气态的相变。这一往复循环相变过程不断吸热放热，由吸热装置吸取空气或水中的热量，经过热交换器使冷水逐步升温，制取的热水通过水循环系统送至用户。图3-3空气源热泵热水机组系统图第四章 热泵热水器控制器设计4.1 相关控制点经过之前的了解，我们知道，热泵热水器的主要控制点有：水泵、压缩机、风机、除霜电磁阀、液管电磁阀等。这些控制点在热泵热水器系统中的大致位置（见图4-1）。这些控制点都是由单片机发出指令来控制。虽然这些控制点都是开关量，单片机只要发出开或关的信号来控制它们，但采集量却是不同的。控制水泵、风机、除霜电磁阀的采集模拟量是温度值。压缩机，对应采集的模拟量是温度值和压力值。而液管电磁阀，则不需要任何模拟量，由单片机直接开或关。 图4-1 热泵热水器主要
