空调冷凝热回收利用实验装置的研制
1 简介
河北工程学院城建系空调冷凝热回收利用实验装置于2004年3月在河北省邯郸市建成并投入运行。该装置的工艺流程如下图所示。它主要由热泵循环系统，冷凝热回收系统和数据采集及控制系统等三部分组成。本文主要介绍该实验装置的第一和第三部分内容。
图1空调冷凝热回收实验装置原理图
2 空调冷凝热回收实验装置
2.1 热泵循环系统
该系统是对一套某品牌FTXE35BEV1C型变频分体式空调机组进行加工改造，加装了一台瑞典舒瑞普牌B8型板式换热器作为水冷式冷凝器，尺寸：310*117*320mm，最大流量4m3/h，最大换热量5kw/h。通过加装的电磁阀控制可实现与原机风冷式冷凝器串联、并联和交替运行。系统共设置了9个压力测点和9个温度测点，所有传感器接入数据采集及控制系统。
2.2 冷凝热回收系统
该系统由蓄热水箱、流量传感器、水冷式冷凝器和管道阀门组成的水循环系统，通过阀门可调节水流量，共设置了5个温度测点和一个流量测点，分别接入数据采集及控制系统。
2.3 数据采集与控制系统
数据采集与处理系统包括相应的硬件系统和软件系统，可采集包括温度、压力、流量、功率传感器变送的30路4—20mA或1—5V标准信号，并且还能拓展采集路数。分辩率为12bit，转换时间是25μS，平均无故障时间达50000小时。数据采集与处理系统具有监视、监控、报警、控制、数据归档和报表等功能，不仅能够显示数据的实时趋势曲线，而且可以显示数据的历史趋势曲线。
采用实用ADVANTECH工控机及其板卡，主板是ADVANTECH的高性能PCA-6175，支持M333HZIntelPentiumⅡ处理器的CPU卡。采集卡选用光电隔离采集卡，精度为0.02%，A/D转换时间是25μS，满足温度、压力、流量和电量等数据采集与控制的需要。输出卡选用PCL-728光电隔离输出卡，输出0-5V或0-20mA标准信号，精度为全量程的0.012%。外电源KTD-15V的输出电压：+5V，±15V，+24V，为热电阻板和调理板提供工作电源。选用17吋纯平彩色显示器，128M内存，48倍光驱，40G硬盘，专用工控小键盘。电器机箱采用ADVANTECH专用工控机柜，移动灵活，机柜侧面机盖可全部打开，使用非常方便。具有运行安全可靠，响应速度快，通用性和抗干扰能力强的特点。为保证采控系统的稳定性和可靠性，采用Windows3.2中文版软件平台，也可支持WindowsNT和OS/2。软件系统采用基于PC机的分布式处理客户/服务器的SCADA软件，它是一种分布式自动化和控制软件。其基本功能是数据采集和数据处理，还具有监视、监控、报警、控制、数据归档和报表等功能。不仅能够显示数据的实时趋势曲线，而且可以显示数据的历史趋势曲线。其处理能力可以满足各种类型的配置和处理策略，并可方便地进行分布式处理或集中式处理。
3 空调冷凝热回收实验装置的特点
3.1 热泵循环系统的特点
热泵循环系统设计时，考虑到多种情况下空调冷凝热的回收，因此实验系统可以进行风冷冷凝工况，水冷冷凝工况，风冷与水冷串联冷凝工况和风冷与水冷并联冷凝工况共四种运行方式。其工作过程及运行方式如下：
3.1.1 风冷冷凝工况
冷媒由低温低压的液体经过室内蒸发器后，吸收室内热量变成高温低压的气体，经过压缩机，变成高温高压的气体，此时打开电磁阀D1、D3，关闭电磁阀D2、D4，高温高压的气体在经过电磁阀D1送至风冷冷凝器散热后，由空气将热量传到室外，冷媒由高温高压的气体变成低温高压的液体，再经过电磁阀D3到毛细管降压后，变成低温低压的液体，然后送至室内蒸发吸收热量，如此循环将室内热量传到室外。
3.1.2 水冷式冷凝工况
热泵循环系统：冷媒由低温低压的液体经过室内蒸发器后，吸收室内热量变成高温低压的气体，经过压缩机压缩，变成高温高压的气体，此时打开电磁阀D2，关闭电磁阀D1、D3、D4，高温高压的气体在经过电磁阀D2送至板式换热器散热后，将水加热，热量传给水，此时冷媒由高温高压的气体变成低温高压的液体，再经过毛细管降压后，变成低温低压的液体，然后送至室内蒸发吸收热量。
冷凝热回收系统：水经板式换热器，冷水在板式换热器中，吸收冷媒的热量后送至蓄热水箱储存，以便使用。
3.1.3 风冷与水冷串联冷凝工况：
热泵循环系统：冷媒由低温低压的液体经过室内蒸发器后，吸收室内热量变成高温低压的气体，经过压缩机，变成高温高压 的气体，此时打开电磁阀D1、D4，关闭电磁阀D2、D3，高温高压的气体经过电磁阀D1送至风冷冷凝器后散去一部分热量，再经过电磁阀D4送至板式换热器散去部分热量，由此由空气和水，同时将热量传到室外，同时也加热了部分水，以便日常使用，冷媒由高温高压的气体变成低温高压的液体，再经过毛细管降压后，变成低温低压的液体，然后送至室内蒸发吸收热量。
冷凝热回收系统：同水冷式冷凝工况。
3.1.4 水冷与水冷式冷凝工况风冷并联冷凝工况：
热泵循环系统：冷媒由低温低压的液体经过室内蒸发器后，吸收室内热量变成高温低压的气体，经过压缩机压缩，变成高温高压的气体，此时打开电磁阀D1、D2、D3，关闭电磁阀D4，高温高压的气体一部分经过电磁阀D1送至风冷冷凝器后散去热量，一部分经过电磁阀D2送至板式换热器将热量传给水，由此由空气和水，同时将热量传到室外，由空气将部分热量带到室外，同时也加热了部分水，以便日常使用，冷媒由高温高压的气体变成低温高压的液体，再经过毛细管降压后，变成低温低压的液体，然后送至室内蒸发吸收热量。
冷凝热回收系统：同水冷式冷凝工况。
3.2 数据采集及控制系统的特点
该数据采集与控制系统由硬件与软件两部分组成。
硬件系统采用国际上先进的ADVANTECH工控机及其板卡，可在恶劣的环境下连续工作，有较强的抗干扰、抗震动、抗粉尘、抗腐蚀和抗高温的能力。可采集包括温湿度、压力、流量、功率和液位传感器变送的120路4—20mA或1—5V标准信号，并且还能拓展采集路数。
软件系统采用基于PC机的分布式处理客户/服务器的SCADA软件，它是一种分布式自动化和控制软件。其基本功能是数据采集和数据处理，还具有监视、监控、报警、控制、数据归档和报表等功能。不仅能够显示数据的实时趋势曲线，而且可以显示数据的历史趋势曲线。其处理能力可以满足各种类型的配置和处理策略，并可方便地进行分布式处理或集中式处理。
4 空调冷凝热回收实验装置的参数测量及相应传感器
4.1 温度测量
在整个实验系统中共设置了4个风温测点，5个水温测点和9个冷媒温度测点共18个温度测点，分别在室内蒸发器进出口、室外风冷冷凝器进出口、水冷冷凝器进出口、压缩机进出口和电子膨胀阀前安装了9个型温度传感器测量冷媒温度变化，在室内蒸发器进出口和室外风冷冷凝器进出口安装了4个温度传感器测量空气的温度变化，在蓄热水箱中设置了3个温度传感器，在水冷式冷凝器进出口设置了2个温度传感器测量水温的变化，温度传感器采用WZP-201型PT100A级铂电阻。
4.2 压力测量
实验装置共设置了9个压力测点用来测量冷媒的压力变化，分别在室内蒸发器进出口、室外风冷冷凝器进出口、水冷冷凝器进出口、压缩机进出口和电子膨胀阀前安装了9个压力传感器，压力传感器采用PT3-0.7A型和钛/蓝宝石和通用扩散硅压力传感器。
4.3 流量测量
实验装置在冷凝热回收系统中设置了1个流量测点以观察水流量的变化，采用的是LWGY（A）-10型流量传感器。
4.4 功率测量
实验系统设置了1个功率测点用来测量热泵系统的电功率，采用的是GMC型功率变送器。
5 空调冷凝热回收实验装置数据采集与控制系统的主要功能
空调冷凝热回收实验系统的数据的采集与处理采用交互式人机交流，使用起来非常方便直观。整个系统共有2个主画面和多个分画面，由主画面可以方便地进入各个分画面。主要的分画面包括：（1）系统检测总貌画面：从画面可以观察到地源热泵实验系统中所有测点的数据，包括温度、压力、流量和电功率等参数。从画面的上部可以方便地进入各项目标题分画面，如压力流量画面、实时趋势曲线画面等；（2）压力流量画面，可实时显示相应测点的压力和流量。（3）温度场检测画面，可显示实验装置中温度测点的数据。（4）系统动态流程图画面：可直观的显示热泵实验系统的动态流程，同时也可观察到所有温度测点、流量传感器测点、电功率测点和压力传感器测点的数据。（5）历史曲线观察画面：每一副画面最多可以同时显示8个测试参数或由测试参数算得的数据的变化曲线，分析测试数据并且可以定义多组参数（或笔组）或改变参数和时间，如图2所示；（7）实时趋势曲线画面：可即时观察测试参数或由测试参数算得的数据随时间的变化曲线，每副画面可布置2个曲线图，每个曲线图最多可显示6个参数随时间的变化趋势，见图3所示。（8）COP参数显示画面：可方便地进入夏季工况COP参数显示和冬季工况COP显示两个分画面，观察热泵机组和系统参数COP的实时变化曲线 如图4所示。
图2历史曲线观察画面
图3实时趋势曲线画面
6 结论
空调冷凝热回收实验装置建成后，不仅能满足空调系统冷凝热回收和利用的研究需要，而且也适用于各种测试参数并能提供标准信号的系统，可以说是一个具有扩展性的、实用的、灵活方便的、易组合的、多功能的通用微机数据采集控制和分析系统。经过一段时间的运行测试，实验装置能够按照实验要求进行多种工况运行，整个系统运行稳定，经分析其所得数据真实、可靠，数据采集与控制系统是合理而完善的，表明该实验系统能够胜任有关空调冷凝热回收和利用的多种运行工况下的实验研究。
