1绪论
1.1课题的研究背景
伴随我国工业化和城市化的高速发展，不可再生能源的过度消耗和国内大部分地区长期处于天气污染状况下等问题也日益严重。目前我国的主要经济发展模式是以粗放型为主的规模扩张式，城市的主要能源是煤和石油，大气污染以烟煤性污染为主。在城市规模由中心向外围不断辖射扩张的过程中粗放地忽视了城市经济与大自然生态系统之间的传递和循环规律，在过度开发和扩张的同时忽略了环境保护，形成了空气中粉尘物质过多，造成部分城市的总悬浮颗粒物超过国家规定的标准，从而形成雾霾天气。在环境问题恶化的同时，能源消耗量依然保持上升的势头，并未有衰减的倾向。这就意味着传统化石能源在地球上有限的存储量与人们在社会建设过程中无限的需求量之间的矛盾尽显无疑并日益激化。解决城市雾霾、资源紧缺和过度使用的问题已成为影响我国完成伟大复兴和实现中国梦的重要切入点。
广义上的建筑能耗，包括建筑处于生活使用状态下、所用建材在生产制造过程中以及建筑物在其建造过程所消耗的能源，目前占国家全部耗能约50%左右。而狭义上的建筑耗能，是指在该建筑物中的供暖、制冷、监控、电气、照明、升降设备、家用电器等设备所消耗的能源。由于现代化进程的加快和人民消费能力的提高，维持日常生活所需的用电量也随之步步增多，狭义建筑能耗在我国能源总消费量中的比重也在不断提高。据统计，建筑能耗20世纪70年代末只占社会总能耗的10%左右，而目前已经攀升至27.45%，总量逐渐接近三成，并且持续处于稳步上升状态，其中最主要的消耗部分是用于供暖和制冷。观之目前地球上一些发达国家中建筑能耗一般略高于其国家总能耗的三分之一。由此，国家建设部科技司推测认为，我国建筑耗能比例很有可能会长期保持继续上升的势头直至达到35%。现阶段，由于我国在建筑物的设计时期未考虑加入尽可能的减少能耗的措施，门窗和墙壁常常成为大量用能浪费的源头，导致这种消耗的速率已大幅度得超过国家能源生产增加的速率。若听之任之，长此以往，国家不仅需要大范围地拆除无法进行节能建设改造的房屋，而且还将被迫进行数量庞大的房屋节能建设改造，这势必造成更大规模的人力财力和_力的浪费。因此，利用可再生清洁能源替代传统供能手段，设计制造使用新型能源的并能够有效节能的中央空调控制系统，减少建筑能耗是实现国家节能环保任务、减少温室气体排放、调节人类生活与自然生态环境之间矛盾、缓解能源紧缺危机，符合加快建立资源节约型和环境友好型社会的目标和准则。
1.2课题研究的目的和意义
在当今国际能源紧缺的严峻情势下，节能和环保已成为全世界人民所共同关注与探求的课题。传统的供暖方式需要消耗大量的不可再生能源，如煤炭等。目前我国浅地层的煤炭开挖也已趋于枯竭，我国东北部的部分城市已开始使用被称为最年轻煤炭的褐煤供暖，与此同时，工业和经济的快速发展给自然造成的破坏也在逐渐加深。
近年来PM2.5这个概念逐渐走入了普通民众的眼帘，从一个原本只有专业人员才熟悉的知识点以极为迅猛的速度变得家喻户晓、妇孺皆知。根据中科学大气物理研究所的数据显示，我国的PM2.5浓度的60%来自于化石能源的燃烧，即燃煤和燃油。我国作为世界上发展最快的发展中国家，两种能源燃烧强度都十分巨大，数据显示竟然比欧洲高出3?4倍。并且这两种能源燃烧后产生的污染物在大气中将会产生进一步的化学反应，造成更加严重的空气污染。根据中国煤炭工业协会统计，2013年我国的煤炭消耗量达到36亿吨。而由国家统计局于最近对外所公布的能源消耗数据显示，煤炭在2014年处于我国一次能源消费的66%。根据中国能源统计年鉴2011的资料显示，1949年至2010年我国的煤炭产量如图1所示，1990年至2010年我国主要能源消费结构如图2所示。
国家发改委气候战略中心的数据表明，我国煤炭消耗量越多的地方，PM2.5浓度几乎也越高。2013年冬季，具有冰城之城的哈尔滨仅仅第一天供暖就造成PM2.5浓度爆表，数值达到1000以上，雾霾严重，能见度极低，给人民的正常生活造成了极大的困扰。由于气候寒冷，东北地区每年约有一半时间需要供暖，这就意味着在不改变供暖方式的前提下，为了保持温暖舒适的环境，我国仍然需要燃烧大量的煤炭。据国家空气检测部门统计，2014年全年北京市污染天数175天，其中包含45个重污染日。而地处华东的杭州市，一年之内的雾霾天数竟多达200天。根据国际环保机构自然资源保护协会发布的《2012煤炭真实成本》研究报告表明，对自然环境的破坏不仅仅存在于煤炭的燃烧使用过程中，在开采煤炭过程中同样会造成水位下降、破坏地下水静储量、重金属污染水资源等问题，并且会导致参与煤炭生产的人员职业性损伤甚至事故死亡，在每顿煤炭的生产、运输和消费过程中真实的成本合计达到260.3元/吨，各个环节真实成本的如表格1、2所示（单位元/吨）。
在这样的时代背景下，为了缓解能源紧张局面、提高能源利用率，在狠抓从源头减排的同时，研究和探索如何釆用可再生清洁能源代替传统能源势在必行。根据绿色和平组织的数据显示，2014年前三个季度，中国的煤炭消费量同比减少了 1%?2%，与21世纪初以来每年递增的情势大不相同，也是进入本世纪以来的首次下降。尽管煤炭消费量下降趋势明显，但是经济增速仍然保持在7.4%。环境问题和能源危机正在逐渐威胁到人民正常生活的同时，清洁可再生能源也正在逐步取代不可再生能源，保证经济增速的同时避免对环境的破坏。
2地下水源热泵系统的分析和模拟
2.1地下水源热泵系统概述
2.1.1地下水源热栗的分类
地壳内部长期贮存着吸收太阳能后转化为自身热能的丰富的地下水资源，地下水源热菜技术是将这些由于有地表覆盖而难以受到外界天气状况影响而保持一定温度不变的地下水作为冷热源，冬季时期鉴于外界气温低于地下水水温，则将其作为高位热源，从其中提取热量用于供暖；夏季将地下水作为低位热源，从其中提取冷量用于制冷，同时将室内的热量带入地下释放，交换热能的同时可以储存热量以便冬季使用。地下水通过抽水回灌设备后进入热菜机组，经过能量转换后为中央空调系统提供供暖或是制冷。
地下水源热菜系统通过连接方式的区别可被分为两个种类，若取用的地下水与热粟机组之间呈直接连接形式，则称之为开式系统，如图3所示；若取用的地下水与热菜机组之间呈间接连接方式，则称为闭式系统，如图4所示。由于是直接连接，开式系统中地下水经由水菜抽取后直接送入水源热泵机组，所需管道和设备相比于闭式系统少，构成也更加简单方便。但由于地下水成分复杂，直接进入热菜机组容易造成管道堵塞甚至腐烛，而闭式系统通过换热器将地下水和热菜机组隔绝，是系统处于稳定运行工作状态的有效保证。
采取距离地表较近的浅层地热资源的水源热泉中央空调集散控制系统不仅能够供热还可以制冷。而且与传统的供热手段和制冷方式相比，本系统有很多显而易见的优点：
1、利用清洁可再生能源
在环境问题如此窘迫的今天，世界各国都在共同克服和改善温室效应和燃料紧缺问题，与此同时我国的大气污染水污染的治理也同样刻不容缓。地下水源热泵利用清洁、无污染、可再生的地热能源，使用过程中无需排放有害气体危害大气环境和加剧温室效应。不仅不会给自然环境带来负担或造成生态系统的破坏，而且能够维持自然界能量资源的动态平衡。
2、高效节能
与传统方式的供暖手段相比，采取地下水源热菜技术在节约能源方面更加有效。燃煤锅炉约能转化70%?90%的燃料内能用于供暖，这就导致大量能源得不到有效转化，不仅造成了资源的浪费，同时也导致经济效益的损失。尽管水源热泉在驱动过程中使用的能源是电能，但是与电锅炉相比，不仅可以节省至少50%的电能，而且消耗的能源和排放的污染物也相应减少[9]。与同样作为清洁可再生能源的太阳能发电系统相比，由于太阳能根据天气和季节的变化会有大幅度的变化，不仅在预测其变化程度上十分困难，而且对于这种变化所相应所需要调整的冗余等亦为复杂。而地下水是通过土壤间接吸收太阳辐射，将能量储存在较为稳定的地下环境中，不易受到外界天气和气候变化的影响，波动幅度远小于直接利用的太阳能。
2.2地理条件对系统性能的影响
2.2.1地下水水质
鉴于保障环境和社会利益以及设备的正常运行，采用地下水源热栗的过程中，水质应保证满足系统阀门、管道和机组的使用要求。地下水是埋藏和运移在地下岩层的孔隙、裂隙和溶洞等含水层中的水体，形成起源有降水渗入、水汽凝结、海水渗入沉淀物的孔隙以及包气带水。因此在其产生的过程中会不断地与空气、土壤、岩石等介质相互接触，不仅吸收了大量的二氧化碳、二氧化氮等气体，还夹杂了许多无机盐粒子；同时由于渗流作用大量沉积附着于岩石上的矿物质也被地下水溶解吸收；而且由于地下生活着许多厌氧型微生物，在其作用下二氧化硫等气体亦会溶解于地下水中，这些物质相互作用将使得地下水的矿化度变高，增加金属离子的重碳酸盐、硫酸盐等化合物在地下水中的比重，对地下水源热栗机组的稳定工作来说将造成消极的影响，其中可能造成的问题有：
1、腐蚀问题
在系统得以稳定运行的前提下，地下水源热栗中所采用的水源需要保证处于6.5-8.5的PH值，由于水中存在着大量的杂质镁离子和氯离子，它们互相作用产生了一种能够附在换热器金属表面上的薄膜状物质，因而起到隔离其他物质对金属进一步腐烛的作用，能够帮助腐烛减缓速度。当P/f<7时，溶解于水中的MgCl,,从8双^由于相互电离交换会导致机组管道遭到酸性腐烛。当地下水中存在有足够多的处于游离状态下的氯离子时，镁离子能够起到催化作用帮助水中的铁离子从而导致加速金属管道的腐烛。而地下水中游离的铁离子数量达到一定比例时，又会形成铁据附在金属管道的表面，从而产生电势差致使进一步加速管道的腐烛过程。由于二氧化碳能够溶解于水，因此地下水中亦有大量碳酸的存在，在其电离过程中所产生的氢离子能够导致去极化腐烛，能够连续均衡地将管壁变薄。当溶解于地下水中的氧含量不足时，这些溶解在水中的二氧化碳还能够致使铁以外的其他金属，如钢、铜腐烛[11]。
2、堵塞问题
相较于同为淡水类型的河流、湖泊等地表水而言，地下水中的所包含矿物质明显高于其它淡水中矿物质的含量，因此在抽取使用的过程中容易出现由于受热而致使的三价铁离子与水中其他物质化合而生成的铁塘。由于河流、湖泊等地表水中容易因浮游藻类等有机物污染而造成的水质富营养化，利用这些地表水作为系统的冷热源，则必须要经过极为困难复杂的处理过程。相比之下，地下水中所携带的泥沙等固体、胶装物质等较少，并且含砂量也相对较低，存在的微生物及其分泌物的数量也远远少于地表水，尽管如此由于分泌物能够和水中的矿物质离子、泥沙等物质相互连锁反应形成酸性有机化合物，在腐烛金属管壁的同时还会与其生成的化合物发生再次相互作用，循环不断地对管壁造成伤害。并且在长期、大量地抽取地下水的过程中管壁内将会形成水拒，降低了地下水源热粟机组的工作效率，增大了电能源的损耗，不利于煤矿的开源节流以及经济效益的最大化；同时长期抽取过程中还将有泥沙等物质在机组的管道中不断沉积，导致对阀门等设备形成一定程度上的磨损，对系统长期安全稳定的运行构成了威胁[12]?因此在设计水源热泉中央空调集散控制系统前需要对水质进行检测，包括含砂量、浑独度、矿化度、酸碱度和各离子浓度等，其参考值如表3所示。
3水源热泵中央空调集散控制系统的设计............31
3.1系统应用地区的地理条件........................31
3.2水源热泵中央空调集散控制系统的设计............36
3.3控制系统设计要求............................39
3.4压缩机变频调节控制............................40
4系统的硬件和软件设计............................49
4.1可编程控制器的选择............................50
4.2釆集模块的选择............................54
4.2.1温度湿度传感器的选择............................54
5工作总结与展望............................71
5.1工作总结............................71
5.2展望...................................71
4系统的硬件和软件设计
为了达到使水源热菜中央空调集散控制系统能够长期安全稳定地运行和最大限度地节约能源的目的，设计过程中需要注意软硬件合理划分，硬件需要在完全满足系统设计要求的情况下尽可能地精简，设计过程中尽可能多地选择集成化芯片，达到简化系统外围电路设计的同时可以规避错误风险，提高系统的稳定性，而且在节省系统设计成本避免浪费的同时能够在很大程度上提高系统的响应速度，减少反应时间，提髙系统性能；与此相同，软件设计建立于硬件电路的基础之上，因此在满足系统功能的状态下尽可能髙得发挥硬件资源的各项作用，根据系统的设计要求中需要达到的功能，划分模块单元设计软件程序，多用子函数调用实现功能需求，这样一来能够将系统的设计思路精简化、清晰化，同时也有利.于后期维护的工作，方便故障的查询和检修，改善系统效率。
水源热菜中央空调集散控制系统通过对室内温度和湿度、地下水温度和流量的釆集输送至主机计算出所需需要的制冷或者制供暖负荷量以及系统的设定温度值，通过调节压缩机频率达到调整负荷量的目的，并且通过对风机调节阀开度的控制以改变中央空调的室内送风量，达到调节室内温度的目的。结合实际需要，系统的设计框图如图28所示。
4.1可编程控制器的选择
从系统设计的技术指标、经济指标等各个方面综合考虑，本系统所采用的IB系列可编程控制器是为了满足控制应用要求而选择的。IB系列可编程控制器能够满足中等性能的控制需求。各式各样的CPU模块、信号单元及多种功能可实现不同类型的自动控制要求，而且需要维修时更换模块也很方便。IB系列的可编程控制器采取模块化设计，可以根据不同的实际需要进行多种不同功能的模块及单元的扩展操作[43];其Di/-DO点数最高能够扩展至80点；能够进行脉冲频率、周期及其宽度的测量；通讯协议方面多采用的是MODBUS - RTU或MODBUSTCP ；物理连接的通信接口使用的是RS-232、RS-485、CAN总线或者选择以太网方式，能够有效地克服环境问题给系统带来的干扰[44]。并且可以由用户的不同要求选择制定特有功能的单元模块或嵌入式PLC设计制造专门用途的控制器。
IB系列的可编程控制器在煤矿、冶金、化工、军工等多种场合和不同工业领域中被广泛使用，能够作为多种不同用途的控制或监管系统的主要模块发挥其功效，尤其是条件较为恶劣、工作面不稳定甚至较为危险可能会发生爆炸等作业面风险大的环境中更是有着不可替代的作用。具体选择的模块有：
5工作总结与展望
5.1工作总结
随着工业现代化的不断提升,在享受带来的经济效益和带来生活便利的同时，能源的消耗量也在逐年增加，但是不可再生能源的储存量不断减少，而且这些资源开采难度大、地层情况也更为复杂。这就意味着新型可再生清洁能源的开发利用是极为重要和刻不容缓的。本文分析了国内外水源热泵的发展和现有状况，在查阅了大量的资料后得到现有的中央空调设备尽管发展成熟、种类众多，但是关于地下水源热泵技术与中央空调系统相互结合的研究却相对而言处于少数。本文主要就利用地下水源热泵技术提供制冷和供暖的中央空调集散控制系统做了研究，提出了一系列思路和方法。归纳起来，本研究主要做了如下几个部分的工作：
1、通过对地下水源热泵技术不同模式的分类、适用情况、不同地理状况下对可能造成的影响情况进行考查分析，提出与中央空调系统相互结合用于取代传统制冷和供暖方式的设想；2、在分析中央空调集散控制的原理上，分析了对地下水源热泵机组的压缩机进行变频调速的手段，并详细结合了板集煤矿当地的水文地质状况，叙述了如何实现水源热泵中央空调集散控制系统的硬件设计；
3、详细分析了在控制过程中所使用的算法和策略，进一步提高系统稳定性，最大限度地降低能耗的方法。
本文的特点在于：釆用带死区的数字增量式PID算法，通过引入时分复用技术，实现对室内温度、湿度，冷冻水、冷却水的进出水温度和流量的实时监测，并且通过通讯设备将连接上位机进行远程实时监控，能够控制和调节室内温度，有效利用了系统的硬件资源。
5.2展望
为了能够更大程度地节约不可再生的传统化石能源、减少温室气体和有害气体的排放，减轻人类活动对生态环境的破坏，本文所探究的水源热泵中央空调集散控制系统还存在一些需要研究和改进的地方
1、本研究主要对系统的各个环节进行分开模拟和控制,若将系统作为一个整体进行研宄和拄制，使得所有环节实现协调联动，这种整体节能的控制方式将更为全面和有效。
2、对应用地区天气状况、昼夜温差进行统计分析，并对该建筑物内部使用人员进行问卷调查，寻找出中央空调系统所需负荷量的变化规律，结合人体舒适度等因素，研究出能够满足正常生活需要的控制规律，进一步做到环保节能。
参考文献（略）
参考文献（略）