地源熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

黃清寶 佘乾仲 胡映寧 陳超林

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院1，廣西 南寧 530004;廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2，廣西 南寧 530004)

0 引言

節(jié)能環(huán)保是國(guó)家建設(shè)和發(fā)展的重要國(guó)策。地源熱泵可以高效利用可再生淺層地?zé)豳Y源達(dá)到供暖、制冷等目的，地源熱泵更具有高效、節(jié)能省費(fèi)和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已在北美和歐洲的許多國(guó)家取得了較快的發(fā)展，我國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)也日趨活躍。

監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、存儲(chǔ)、計(jì)算和分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，是提高設(shè)備自動(dòng)化、信息化水平的重要保障。建立對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，在提高熱泵機(jī)組系統(tǒng)自動(dòng)化程度的同時(shí)，還可為建筑能耗測(cè)評(píng)和節(jié)能評(píng)估分析提供數(shù)據(jù)來(lái)源和依據(jù)［6－9］。

合理利用地源熱泵技術(shù)，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)不同溫度水平下地?zé)豳Y源的高效利用，取得明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［1－5］。

1 地源熱泵系統(tǒng)工藝

廣西大學(xué)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)目前包括10棟辦公大樓及學(xué)生公寓樓，本文以4號(hào)和5號(hào)公寓樓為例進(jìn)行說(shuō)明。4號(hào)樓建筑面積為8500 m2，宿舍230間，有2臺(tái)21 kW熱泵空調(diào)聯(lián)供系統(tǒng);5號(hào)樓建筑面積為6000 m2，宿舍150間，有2臺(tái)12 kW熱泵空調(diào)聯(lián)供系統(tǒng)。土壤換熱器采用雙U型埋管方式，平均鉆井深度27 m，埋管總深4055 m。

圖1為土壤換熱器與空調(diào)并聯(lián)的地源熱泵熱水－空調(diào)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖1 熱泵機(jī)組系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of the heat pump unit system

系統(tǒng)由熱泵機(jī)組、土壤換熱器、地能循環(huán)泵、空調(diào)循環(huán)泵和空調(diào)等部分組成。當(dāng)環(huán)境溫度低于25℃時(shí)，系統(tǒng)處于土壤源制熱水工況，采用土壤換熱器獲取低溫?zé)嵩?當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時(shí)，系統(tǒng)處于熱水－空調(diào)冷熱聯(lián)供工況，可利用空調(diào)冷凝熱制熱水，從而提高能源的利用率。

在本系統(tǒng)中，被測(cè)量為機(jī)組和循環(huán)水泵的三相電流、三相電壓、有功功率、冷凍水流量、熱水流量、循環(huán)水流量、冷凍進(jìn)水溫度、冷凍出水溫度、熱水出水溫度、循環(huán)水溫度和自來(lái)水溫度等;被控量為機(jī)組啟停、電磁閥開關(guān)和循環(huán)水泵啟停等。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

本監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為3層，分別是底層監(jiān)控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心上位機(jī)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the system

2.1 底層設(shè)備

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，底層設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和上位機(jī)控制命令的執(zhí)行。它包括以下模塊。

①EDA9033E電量采集模塊是一種智能型三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊。在本系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)采集熱泵機(jī)組以及循環(huán)水泵的電流、電壓和有功功率。

②EDA9017模擬量測(cè)量模塊可測(cè)量8路電流和4路電壓輸入信號(hào)。在本系統(tǒng)中，其主要負(fù)責(zé)測(cè)量渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)及Pt100熱電阻溫度變送器的電信號(hào)。

③EDA9050開關(guān)量輸入輸出模塊。本系統(tǒng)中，上位機(jī)通過(guò)EDA9050模塊來(lái)控制熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵的啟停，并讀取其開關(guān)狀態(tài)。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)采用校園網(wǎng)連接位于學(xué)校各地的地源熱泵機(jī)組。監(jiān)控中心服務(wù)器配置公網(wǎng)固定IP地址，對(duì)監(jiān)控畫面進(jìn)行Web發(fā)布，以便異地遠(yuǎn)程訪問(wèn);各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)則就近連接交換機(jī)，并接入校園網(wǎng)。

Modbus/TCP協(xié)議是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。在通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)采用協(xié)議轉(zhuǎn)換器Aineton M1851將底層模塊采用的Modbus/RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換成Modbus/TCP協(xié)議，從而接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。

2.3 監(jiān)控中心服務(wù)器

監(jiān)控中心的服務(wù)器采用適合長(zhǎng)時(shí)間工作的工業(yè)計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)采用Windows XP。服務(wù)器的主要功能是將EDA模塊實(shí)時(shí)采集到的電參數(shù)、溫度、流量和壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示和存儲(chǔ);同時(shí)計(jì)算能效比并進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，必要時(shí)對(duì)機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

服務(wù)器軟件利用力控組態(tài)軟件對(duì)地源熱泵的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，明確系統(tǒng)的各部分運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，其總體框圖如圖3所示［10］。

圖3 軟件系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Block diagram of software system

在組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境下，開發(fā)人員利用腳本語(yǔ)言編寫代碼，并結(jié)合軟件提供的各種豐富圖元，打造良好的人機(jī)界面。進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布后，在異地IE瀏覽器內(nèi)輸入服務(wù)器IP地址和口令，可以遠(yuǎn)程瀏覽機(jī)組運(yùn)行畫面。

2.4 監(jiān)控過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

協(xié)議轉(zhuǎn)換器M1851模塊將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)所遵循的Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換成Modbus/TCP協(xié)議，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)校園網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心服務(wù)器。服務(wù)器完成機(jī)組和循環(huán)水泵的三相電流、電壓、功率、溫度和流量等參數(shù)的接收、顯示、存儲(chǔ)和打印等功能，并將檢測(cè)到的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到機(jī)組能效比與系統(tǒng)能效比，從而作為整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能評(píng)估的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)由下而上的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。同時(shí)，服務(wù)器將控制命令通過(guò)校園網(wǎng)送給機(jī)組和泵等被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)由上而下的設(shè)備控制功能。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

能效比(coefficient of performance，CoP)是衡量熱泵機(jī)組效率及其節(jié)能效果的重要指標(biāo)。它是指在額定工況和規(guī)定條件下，熱泵熱水裝置運(yùn)行時(shí)實(shí)際制熱量與實(shí)際輸入電能之比。

機(jī)組能效比的計(jì)算公式如下:

系統(tǒng)能效比的計(jì)算公式如下:

式中:Q為熱泵的制熱量;W為熱泵消耗的電能;c為水的比熱容，kJ/(kg·℃);ρ為水的密度，m3/h;V為水的體積，m3;ΔT為溫差，K;qv為流速;t為時(shí)長(zhǎng);P1為機(jī)組耗電功率，kW;P2為水泵耗電功率，kW。由式(1)和式(2)可知，只要測(cè)得流速、溫差、機(jī)組耗電功率和水泵耗電功率，就可得到機(jī)組能效比和系統(tǒng)能效比。

3.2 結(jié)果分析

本工況測(cè)試的是2009年12月1日從下午4點(diǎn)至午夜24點(diǎn)連續(xù)8 h的溫度、制熱系數(shù)COP的變化曲線。本文只給出了制熱工況的地源進(jìn)水溫度、地源出水溫度、熱水溫度和自來(lái)水溫度曲線以及制熱系數(shù)COP曲線圖，如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，在這段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，熱水溫度基本保持在50℃左右，COP機(jī)組與COP系統(tǒng)也基本穩(wěn)定在4.5與4.2附近。這說(shuō)明機(jī)組設(shè)備運(yùn)行在正常范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足制熱要求。

為了分析系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果，表1給出了行健文理學(xué)院4號(hào)樓和5號(hào)樓連續(xù)四個(gè)月中某一天的系統(tǒng)能效比數(shù)據(jù)均值。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的平均能效比大于4.20。由于5號(hào)樓熱水溫度平均值約為52℃，高于4號(hào)樓熱水溫度平均值，因此，其能效比較4號(hào)樓偏低。

表1 機(jī)組與系統(tǒng)的能效比Tab.1 CoP of unit and system

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于工業(yè)以太網(wǎng)的地源熱泵的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱泵機(jī)組系統(tǒng)的電壓、電流、功率、溫度、流量、壓力以及機(jī)組、泵、電磁閥和開關(guān)狀態(tài)、能效比等信息的自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算和存儲(chǔ)。這不僅提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低了維護(hù)人員的工作量，還為建筑節(jié)能評(píng)估提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，監(jiān)控頁(yè)面顯示直觀，系統(tǒng)能效比大于4.20，說(shuō)明該熱泵系統(tǒng)性能良好，節(jié)能效果明顯。

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