热泵采暖中水循环及总控系统的设计【字数：14842】
摘 要随着经济的高速发展，人们的生活水平不断得到提高的同时，能源消耗和环境问题日益突出。热水作为建筑供暖和工业生产的必需品，在全球能源消耗中占有很大的比重。如果能够找到一种能源利用率高，并对环境没有污染的烧制热水的方法，那将对改善并解决现有的能源和环境问题有着深远意义。在诸多节能技术中，空气源热泵热水器因其得天独厚的优势，在热水器行业得到广泛应用。空气源热泵热水器是一种以热泵技术为基础，利用环境空气中蕴藏的低温热源吸取低品位热量，并将其传递至高品位热源的方法制取热水的装置。在工程实例中，为了能够充分发挥空气源热泵热水器节能、环保、安全的优势，往往采用多台空气能热泵热水机组联动控制的方法，这就需要带有一套设计合理的总控系统。只有在总控系统的智能控制下，才能保证整个空气源热泵热水机组稳定、可靠地运行。本文针对尚湖镇某工厂的热水循环需求，设计了一套由PLC、变频器、压力变送器、温度传感器、热水循环泵、多台空气源热泵机组、工控机等主要设备构成的热水循环总控系统，具有自动恒温运行、远程手动控制和本地手动控制等功能。此套系统通过工控机与PLC的连接，利用MCGS组态软件对系统进行实时监控，实现了动态显示运行状态及数据、报警的查询等功能。 此套控制系统保证了较高的热泵机组性能系数，投入使用后运行十分稳定，为工人营造了良好的工作环境，为企业创造了高效的经济效益。
Key words: hot water circulation master control system; Air source heat pump hot water unit; PLC; MCGS 目录
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题的研究现状及发展 2
1.2.1热水供应系统的发展与现状 2
1.2.2可编程控制器与组态软件发展概述 4
1.3 课题概述 4
1.3.1 课题来源及选题意义 4
1.3.2 课题主要内容 5
第2章控制系统总体方案设计 6
2.1 CO2热泵热水器工作原理 6
2.2 热水循坏总控系统总体设计 7
2.2.1热水循环总控系统的构成 7
2.2.2热水循环总控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
系统工作过程 7
2.2.3控制方案的确定 8
2.3 硬件配置的选型 10
2.3.1 变频器 10
2.3.2热水循环泵 10
2.3.3 温度传感器 11
2.3.4 电加热 12
第3章 PLC应用系统设计 13
3.1 PLC控制系统简介 13
3.1.1 PLC硬件系统组成 13
3.1.2 PLC软件系统组成 13
3.2 PLC控制系统设计内容 14
3.2.1控制要求 14
3.2.2 PLC的选型 14
3.3 PLC控制系统的硬件配置 15
3.3.1 CPU及相关配置 15
3.3.2 I/O端子的分配 15
3.3.3 温度采集电路 16
3.3.4 开关电源电路 17
第4章上位机组态设计 18
4.1 MCGS嵌入版软件简介 18
4.2 基于MCGS的热水循环总控系统的组态设计 18
4.2.1 主控窗口 19
4.2.2 设备窗口 19
4.2.3 用户窗口 20
4.2.4 实时数据库 21
4.2.5 运行策略 22
第5章 热水器控制程序设计 23
5.1 Step 7 Micro/Win简介 23
5.2 程序实现功能综述 24
5.3 控制程序设计 24
5.4 系统的调试及运行 27
第6章 总结与展望 28
致谢 30
参考文献 31
附 录 32
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着中国经济的快速增长，能源消耗量已跃居世界第二位。为了建设资源节约型和生态保护型社会，就必须优化当前能源消耗模式，提高能源利用效率，以实现可持续发展。节约能源和保护环境成为当今两大重要的课题,在建筑供暖和工业生产中，热水的能耗仅次于采暖与空调的能耗[1]，因此，降低热水能耗是暖通行业的一个重要发展方向，开发和利用可再生能源、研制节能装置、提高能源利用效率成为行业的主流方向。
目前，热泵热水技术由于其节能环保的优势在全国范围内得到了广泛推广。这是一项极具应用潜力的新技术，通过蒸汽压缩循环，将空气中的热量转移到被加热的水中从而制取热水的方法，使空气源热泵热水机组成为一种极具开发潜力的集热、转移能量的热水生产装置，并被越来越广泛地运用在工业生产中。因此空气源热泵热水器被誉为是电热水器、燃气热水器、太阳能热水器之后的第四代热水器，与传统的热水器相比，新型热水器具有以下优势[2]：
(1) 绿色环保。无污染，无燃烧排放物质，不会对人体造成危害，具有良好的社会效益。实用新型性能稳定，不受环境影响，产品常年运行，不受夜间、阴天、雨雪等恶劣天气影响，一年365天、一天24小时可实现热水。本实用新型安全性能好，无隐患，采用间接加热方式与水换热，无渗漏、漏风等，隐藏在电、气热水器中。
(2) 适用范围广。温度范围从7至40度，常年使用，无阴天、雨雪、雨雪等恶劣天气和冬夜，可正常使用。连续加热，与传统太阳能储水式热泵产品，相比连续加热、连续热水来满足用户的需求，适合不同群体的热水工程，无人值守，全自动运行，集中供应热水水温和水位显示。
(3)占地空间小。空气源热泵系统无需冷却水系统，外形相似与空调室外机相似，可直接连接或连接保温水箱加热管，只需将热泵机组安装在室外（如阳台、屋顶、平地等处）便可工作，无需另设机房，节省了宝贵的土地资源和建筑空间。适用于大中城市的高层建筑、大型集中供热问题。
(4)中央热水系统的安装组合方式多样。并联式热泵机组采用同一型号，以保证整个热水器组的开发工作，满足高峰需求，为热水的大需求量提供保证。当热水的使用量很小时，可以关闭机组中的任一热泵，并且在维护期间可以关闭一组热泵，而不影响其他热水机组继续提供热水。自动操作系统，自动运行，并配有温控装置和保温层，用户可随时享用热水。
空气源热泵热水技术的缺点很小，但在推广和应用中也面临着以下难题：
(1)机组制热效率不高
由于空气能是分散的能量，加热速度慢，热效率不高。同时，空气源热泵热水机能效比受环境的影响比较大。部分地区冬季还需配置辅助加热设备以满足供热需求。
(2)适用场合受限
空气源热泵热水机组在冬季运行时容易产生结霜问题，受气候条件的限制，空气源热泵更适合于中南地区使用。另外，对除霜控制方式的优化还需作进一步研究。
基于以上这些问题，对如何使空气源热泵机组高效运行进行研究，并设计一套新型高效、实用、节水的热水循环总控系统，指导空气源热泵热水技术在节能环保方面的效益发挥到最大具有重要的工程意义。
Key words: hot water circulation master control system; Air source heat pump hot water unit; PLC; MCGS 目录
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题的研究现状及发展 2
1.2.1热水供应系统的发展与现状 2
1.2.2可编程控制器与组态软件发展概述 4
1.3 课题概述 4
1.3.1 课题来源及选题意义 4
1.3.2 课题主要内容 5
第2章控制系统总体方案设计 6
2.1 CO2热泵热水器工作原理 6
2.2 热水循坏总控系统总体设计 7
2.2.1热水循环总控系统的构成 7
2.2.2热水循环总控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
系统工作过程 7
2.2.3控制方案的确定 8
2.3 硬件配置的选型 10
2.3.1 变频器 10
2.3.2热水循环泵 10
2.3.3 温度传感器 11
2.3.4 电加热 12
第3章 PLC应用系统设计 13
3.1 PLC控制系统简介 13
3.1.1 PLC硬件系统组成 13
3.1.2 PLC软件系统组成 13
3.2 PLC控制系统设计内容 14
3.2.1控制要求 14
3.2.2 PLC的选型 14
3.3 PLC控制系统的硬件配置 15
3.3.1 CPU及相关配置 15
3.3.2 I/O端子的分配 15
3.3.3 温度采集电路 16
3.3.4 开关电源电路 17
第4章上位机组态设计 18
4.1 MCGS嵌入版软件简介 18
4.2 基于MCGS的热水循环总控系统的组态设计 18
4.2.1 主控窗口 19
4.2.2 设备窗口 19
4.2.3 用户窗口 20
4.2.4 实时数据库 21
4.2.5 运行策略 22
第5章 热水器控制程序设计 23
5.1 Step 7 Micro/Win简介 23
5.2 程序实现功能综述 24
5.3 控制程序设计 24
5.4 系统的调试及运行 27
第6章 总结与展望 28
致谢 30
参考文献 31
附 录 32
第1章 绪 论
1.1 课题研究背景
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着中国经济的快速增长，能源消耗量已跃居世界第二位。为了建设资源节约型和生态保护型社会，就必须优化当前能源消耗模式，提高能源利用效率，以实现可持续发展。节约能源和保护环境成为当今两大重要的课题,在建筑供暖和工业生产中，热水的能耗仅次于采暖与空调的能耗[1]，因此，降低热水能耗是暖通行业的一个重要发展方向，开发和利用可再生能源、研制节能装置、提高能源利用效率成为行业的主流方向。
目前，热泵热水技术由于其节能环保的优势在全国范围内得到了广泛推广。这是一项极具应用潜力的新技术，通过蒸汽压缩循环，将空气中的热量转移到被加热的水中从而制取热水的方法，使空气源热泵热水机组成为一种极具开发潜力的集热、转移能量的热水生产装置，并被越来越广泛地运用在工业生产中。因此空气源热泵热水器被誉为是电热水器、燃气热水器、太阳能热水器之后的第四代热水器，与传统的热水器相比，新型热水器具有以下优势[2]：
(1) 绿色环保。无污染，无燃烧排放物质，不会对人体造成危害，具有良好的社会效益。实用新型性能稳定，不受环境影响，产品常年运行，不受夜间、阴天、雨雪等恶劣天气影响，一年365天、一天24小时可实现热水。本实用新型安全性能好，无隐患，采用间接加热方式与水换热，无渗漏、漏风等，隐藏在电、气热水器中。
(2) 适用范围广。温度范围从7至40度，常年使用，无阴天、雨雪、雨雪等恶劣天气和冬夜，可正常使用。连续加热，与传统太阳能储水式热泵产品，相比连续加热、连续热水来满足用户的需求，适合不同群体的热水工程，无人值守，全自动运行，集中供应热水水温和水位显示。
(3)占地空间小。空气源热泵系统无需冷却水系统，外形相似与空调室外机相似，可直接连接或连接保温水箱加热管，只需将热泵机组安装在室外（如阳台、屋顶、平地等处）便可工作，无需另设机房，节省了宝贵的土地资源和建筑空间。适用于大中城市的高层建筑、大型集中供热问题。
(4)中央热水系统的安装组合方式多样。并联式热泵机组采用同一型号，以保证整个热水器组的开发工作，满足高峰需求，为热水的大需求量提供保证。当热水的使用量很小时，可以关闭机组中的任一热泵，并且在维护期间可以关闭一组热泵，而不影响其他热水机组继续提供热水。自动操作系统，自动运行，并配有温控装置和保温层，用户可随时享用热水。
空气源热泵热水技术的缺点很小，但在推广和应用中也面临着以下难题：
(1)机组制热效率不高
由于空气能是分散的能量，加热速度慢，热效率不高。同时，空气源热泵热水机能效比受环境的影响比较大。部分地区冬季还需配置辅助加热设备以满足供热需求。
(2)适用场合受限
空气源热泵热水机组在冬季运行时容易产生结霜问题，受气候条件的限制，空气源热泵更适合于中南地区使用。另外，对除霜控制方式的优化还需作进一步研究。
基于以上这些问题，对如何使空气源热泵机组高效运行进行研究，并设计一套新型高效、实用、节水的热水循环总控系统，指导空气源热泵热水技术在节能环保方面的效益发挥到最大具有重要的工程意义。
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