周敬博，黃茵，謝漢生

(中國鐵道科學研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

1 概述

鐵路沿線建筑采暖多年來一直沿用燃煤、燃油鍋爐等傳統(tǒng)供暖模式，制冷采用分體空氣源熱泵或冷水機組，能源利用率低并產(chǎn)生了諸多如廢氣排放、溫室效應等環(huán)境保護問題。地源熱泵技術的問世，引起了世界各國的極大關注，并取得了迅速的應用和發(fā)展。

地源熱泵技術使用地域不一，存在氣候、地質(zhì)、冷熱源、環(huán)境條件、使用需要的差別，由于施工單位使用的熱泵機組，各單位管理方式不同，竣工后系統(tǒng)運行的效果與可行性研究階段、設計階段的目標值差異有多少，都是值得分析和研究的。建立地源熱泵能耗監(jiān)測系統(tǒng)，能有效測量地源熱泵的應用效果，有助于項目的運行管理，推進地源熱泵技術應用長效機制的建立;有助于節(jié)省人工測試的人力物力，為鐵路局了解地源熱泵的應用效果提供便利;有助于加快地源熱泵技術的推廣應用，帶動技術進步，為我國鐵路大規(guī)模推廣地源熱泵技術提供基礎數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗儲備［1］。

目前，地源熱泵能耗監(jiān)測方面的研究剛剛起步，一些監(jiān)測系統(tǒng)在輸出指標、操作功能方面都有一定欠缺。如有些系統(tǒng)僅能輸出測點參數(shù)或COP，不能使用戶真正了解地源熱泵能耗以及換熱情況，有些功能還有待完善［2-4］。本文通過對地源熱泵夏季運行數(shù)據(jù)進行分析，對地源熱泵能耗監(jiān)測系統(tǒng)進行科學、合理的設計。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)處理端。其中數(shù)據(jù)采集端包括傳感器、單片機，單片機中包括數(shù)據(jù)放大器、采樣保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器等;數(shù)據(jù)處理端為上位機PC，包括上位機應用軟件及打印機、顯示器等數(shù)據(jù)輸出設備。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 采集輸出指標

3.1 采集輸出指標體系

為計算機組、系統(tǒng)能效，需采集系統(tǒng)的熱力參數(shù)及電力參數(shù)。通過熱力參數(shù)的采集，計算系統(tǒng)地源側(cè)換熱量及空調(diào)側(cè)換熱量，通過電力參數(shù)的采集及空調(diào)側(cè)換熱量，計算機組、系統(tǒng)的能效比。監(jiān)測系統(tǒng)的采集、計算、輸出指標見表1。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)采集、計算、輸出指標

3.2 計算公式

地源側(cè)、空調(diào)側(cè)進出口指相對機組而言，即進口指管段內(nèi)液體流向機組;出口指管段內(nèi)液體流出機組。

①地源側(cè)換熱量計算

式中:Qs為熱源側(cè)換熱量，kW;cl為進出口平均溫度下循環(huán)液的比熱容，J/(kg ℃);qs為熱源側(cè)循環(huán)液流量，m3/h;ΔTs為熱源側(cè)液體進出口溫差，℃;ts1為循環(huán)液入口溫度，℃，ts2為循環(huán)液出口溫度，℃。

②空調(diào)側(cè)換熱量計算(冬季為制熱量、夏季為制冷量)

式中:Qc為空調(diào)側(cè)換熱量，kW;cw為進出口平均溫度下水的比熱容，J/(kg℃);qc為空調(diào)側(cè)冷卻水流量，m3/h;ΔTc為空調(diào)側(cè)冷卻水進出口溫差，℃;tc1為冷卻水入口溫度，℃;tc2為冷卻水出口溫度，℃。

③機組能效比計算

式中:EERm為機組夏季制冷能效比，COPm為機組冬季制熱能效比;Qc為空調(diào)側(cè)換熱量，kW;N0為機組壓縮機功率，kW。

④系統(tǒng)能效比計算

式中:EERs為系統(tǒng)夏季制冷能效比，COPs為系統(tǒng)冬季制熱能效比;Qc為空調(diào)側(cè)換熱量，kW;N為系統(tǒng)總功率，N0為熱泵機組功率，Nc為空調(diào)側(cè)循環(huán)泵功率，Ns為地源側(cè)循環(huán)泵功率，kW。

4 傳感器安裝位置

4.1 溫度傳感器安裝位置

室外溫度傳感器安置在室外露天處;地源側(cè)/空調(diào)側(cè)循環(huán)水供回水溫度傳感器需安置在機組箱外與蒸發(fā)器冷凝器連接的供回水干管處，每根管安裝1 套傳感器，共4 套;室內(nèi)典型房間室溫應根據(jù)當?shù)貧庀?、季?jié)、建筑等條件安裝在瞬時負荷最大的房間。

4.2 流量傳感器安裝位置

流量傳感器安裝在地源側(cè)/空調(diào)側(cè)循環(huán)水供回水干管上，每根管安裝1 套流量傳感器，共4 套。

4.3 功率傳感器的安裝位置

功率傳感器安裝在機房內(nèi)配電箱，其電流互感器分別安裝在熱泵機組配電線、地源側(cè)循環(huán)泵配電線、空調(diào)側(cè)循環(huán)泵配電線處。

4.4 壓力傳感器的安裝位置

壓力傳感器安裝在地源側(cè)/空調(diào)側(cè)供回水干管管道上。

5 上位機軟件開發(fā)

5.1 擬實現(xiàn)功能的要求

該系統(tǒng)擬實現(xiàn)的功能包括實時監(jiān)控、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、能效曲線、數(shù)據(jù)報表及打印、報警、事件記錄、用戶管理功能［6-7］。監(jiān)測系統(tǒng)擬實現(xiàn)的功能菜單見圖2。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)菜單欄

5.2 各模塊實現(xiàn)功能

5.2.1 主菜單界面

監(jiān)控系統(tǒng)啟動時，用戶可在屏幕左側(cè)的導航欄中選擇不同的地點進行，當點擊進入后即可在屏幕上顯示該地點的照片。

5.2.2 用戶管理模塊

監(jiān)控系統(tǒng)啟動時，用戶點擊“用戶管理”按鈕，進入用戶管理界面。該模塊包括用戶登錄、用戶注銷、修改口令、修改用戶、關閉按鈕。用戶正確輸入用戶名和密碼方可操作此系統(tǒng)。

5.2.3 監(jiān)控界面模塊

將系統(tǒng)工藝圖顯示在系統(tǒng)界面上，對機組運行狀態(tài)、運行模式以及溫度、流量、壓力、功率、換熱量、COP 參數(shù)進行監(jiān)視，工藝圖依據(jù)該地點機房管路布置實際情況進行繪制，可分冬季工況、夏季工況、過渡季工況、停止四個狀態(tài)來對其進行實時監(jiān)控，當選擇不同的按鈕時，相應閥門及泵通過顏色的改變來表示該管段的啟停狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)主監(jiān)測界面見圖3。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)主監(jiān)測界面

5.2.4 趨勢曲線模塊

該模塊可實時顯示各測點參數(shù)數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線，并可通過調(diào)整時間設定范圍內(nèi)的按鈕設定時間起始點及時間長度來顯示歷史趨勢曲線;通過取值范圍來設定橫坐標時間長度大小，共有12 h、6 h、1 h、30 min、15 min、5 min、1 min 7 種模式可供選擇;通過曲線縮放按鈕可調(diào)整縱坐標測點參數(shù)取值范圍，共有原始、兩倍、四倍、八倍可供選擇，還可手動設置縮放倍數(shù);通過曲線設置可對各曲線的顯示、隱藏，坐標軸名稱的顯示方式、曲線刪除、縱坐標百分比轉(zhuǎn)換進行操作。

5.2.5 能效曲線模塊

該模塊能實時顯示機組能效比、系統(tǒng)能效比從記錄時刻起隨記錄時間的變化關系曲線，該曲線下方含有開始、暫停、停止、保存、打開、打印、放大、平移等按鈕，可對曲線執(zhí)行相關操作。同時可根據(jù)時間變量設定能效比定值，當測量值高于或低于此設定值時，該模塊自動報警，并可在下方的報警面板中顯示、記錄。屏幕右方有機組COP、系統(tǒng)COP 的實時測量值及設定值顯示。

5.2.6 報表模塊

該模塊可對各測點參數(shù)、輸出參數(shù)進行報表。報表分為日報表、周報表、季報表、年報表，并可根據(jù)需要對其進行統(tǒng)計，同時通過設定時間查詢歷史數(shù)據(jù)。擴展功能中具有導入導出功能、打印功能、模板替換功能、數(shù)據(jù)庫查詢功能。導入導出功能設置多種文件類型，可直接導入導出CSV、XLS、PDF、TXT、HTML 類型的文件。

5.2.7 報警模塊

該模塊可通過對參數(shù)設定上下限來實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的報警。如果超過設定閾值，則以文字方式顯示報警參數(shù)信息，并可通過設定發(fā)出報警聲音。該模塊同時還可將報警記錄進行打印。

5.2.8 事件記錄模塊

該模塊可對啟動軟件后，軟件后臺運行事件記錄進行顯示。

6 結(jié)束語

本文設計了地源熱泵能耗監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件，確定了監(jiān)測系統(tǒng)采集輸出指標，傳感器安裝位置，上位機軟件擬實現(xiàn)的功能，并應用三維力控組態(tài)軟件結(jié)合VB 編程開發(fā)出上位機軟件界面。本文的研究可為地源熱泵能耗監(jiān)測系統(tǒng)單片機的設計開發(fā)、傳感器選型、軟件的開發(fā)、數(shù)據(jù)通訊提供參考。

［1］陳超林，蒙艷玫，龐海鋒.地源熱泵能耗監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)［J］.2010，35(2):277 -281.

［2］陳海霞，林昕.基于WinCC 的地源熱泵監(jiān)測與診斷系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(5):21 -23.

［3］宋振龍，于海磊，陳鋒.基于LabVIEW 的地源熱泵機組設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電子測試，2008(3):43 -47.

［4］張曉力，廉小親，于重重，等.基于WebAccess 的地源熱泵遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.測控技術，2009，28(6):51-53.

［5］孫曉光，林豹，王新北.地源熱泵工程技術與管理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［6］侯立泉，楊憲魁.土壤源熱泵實驗裝置的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)［J］.河北建筑科學學院學報，2003，20(1):15 -18.

［7］馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應用［M］.北京:清華大學出版社，2001.