重慶可再生能源建筑應用監(jiān)測控制系統(tǒng)研發(fā)與應用

劉垚，葉強,，董孟能，丁勇，鐘云翔

（1重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，重慶400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設委員會，重慶400014）

重慶可再生能源建筑應用監(jiān)測控制系統(tǒng)研發(fā)與應用

劉垚1，葉強1,2，董孟能2，丁勇1，鐘云翔1

（1重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，重慶400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設委員會，重慶400014）

根據(jù)重慶市可再生能源建筑應用現(xiàn)狀，結(jié)合《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）和《可再生能源建筑應用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》，進行重慶市可再生能源建筑應用監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究，得出各類系統(tǒng)的監(jiān)測指標和監(jiān)測參數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)性能監(jiān)測平臺，并進行實際監(jiān)測平臺的研發(fā)應用

可再生能源；建筑應用；監(jiān)測控制系統(tǒng)

1 監(jiān)測控制系統(tǒng)建設目的

面對日漸嚴峻的能源形勢和環(huán)境狀況，國家近年來大力提倡節(jié)能減排，采取各方面政策措施推動節(jié)能減排。作為實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑，可再生能源建筑應用建設得到了國家的大力推廣和扶持。作為國家可再生能源應用示范城市，重慶市已有大批可再生能源示范項目建成運行。為了進行重慶市可再生能源應用項目的評價，得出項目應用性能指標，對項目進行評判，實時反映示范項目運行情況，提高系統(tǒng)運行性能和能效，促進可再生能源建筑應用的發(fā)展，推進重慶市可再生能源建筑應用示范城市建設，結(jié)合重慶市可再生能源建筑應用情況，課題組進行了可再生能源建筑應用系統(tǒng)監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究工作。

2 重慶主要的可再生能源建筑應用形式

重慶可再生能源建筑應用，主要有太陽能熱利用和地源熱泵兩類形式。就前者而言，重慶地區(qū)目前已有大規(guī)模的太陽能應用工程，尤其是太陽能熱水工程，涵蓋學校、醫(yī)院、酒店、住宅等建筑應用，已經(jīng)形成市級示范項目一個；地源熱泵方面，重慶自2006年開始組織實施地表水源熱泵、地埋管地源熱泵等可再生能源建筑應用試點工作，目前已有若干地源熱泵系統(tǒng)示范工程的開展，地源熱泵技術應用在重慶已呈現(xiàn)規(guī)模化的發(fā)展勢頭[4]。

基于上述兩類重慶市可再生能源建筑應用的主要形式，課題組對重慶市可再生能源監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究也主要基于太陽能熱水系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的研究

3.1 監(jiān)測指標和參數(shù)的確定

3.1.1 太陽能熱應用系統(tǒng)

太陽能熱應用系統(tǒng)主要為太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能空調(diào)系統(tǒng)和太陽能光伏系統(tǒng)，本監(jiān)測系統(tǒng)的研究主要以太陽能熱水系統(tǒng)為主。

（1）監(jiān)測評價指標

根據(jù)《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）及《可再生能源建筑應用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》（試行），結(jié)合重慶地區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)應用實際情況，確定太陽能熱水系統(tǒng)的監(jiān)測評價指標主要有[5-6]：集熱系統(tǒng)得熱量、貯熱水箱熱損系數(shù)、集熱系統(tǒng)效率、太陽能保證率、常規(guī)能源替代量（噸標準煤）、項目費效比、環(huán)境效益評價。

（2）監(jiān)測參數(shù)和測量方法

以上性能指標可通過其計算式中相應的計算參數(shù)獲得。通過對其計算式的分析，要得出太陽能熱水系統(tǒng)的評價指標，需要測量的參數(shù)和測量方法如表1所示[5-6]。

（3）其他監(jiān)測指標

上文所述的太陽能熱水系統(tǒng)應用效果評價指標主要是根據(jù)《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）所確定，但國標的規(guī)定是基于全國范圍的太陽能熱水系統(tǒng)的應用，結(jié)合到重慶地區(qū)地域特點，還需要對其他參數(shù)進行測量分析，使得評價參數(shù)能更好的反映太陽能熱水系統(tǒng)的應用效果。分析得出其他的監(jiān)測指標如下[7]。

①冷水溫度

在太陽能熱水工程中，冷水溫度即自來水供水溫度，是一個重要技術參數(shù)，當熱水設計溫度一定時，冷水溫度的取值直接關系到系統(tǒng)所需熱量的大小，進而影響工程投資的大小。

②太陽能供熱水溫度

太陽能供熱水溫度的高低對于太陽能熱水應用效果有一定的影響。因此，太陽能熱水監(jiān)測系統(tǒng)應該進行太陽能供熱水溫度的測量。

③常規(guī)能源的消耗

輔助熱源系統(tǒng)常規(guī)能源的消耗是太陽能熱水系統(tǒng)的主要耗能部分，其能耗的高低直接影響到整個太陽能熱水系統(tǒng)能耗的高低，故應對太陽能熱水系統(tǒng)中常規(guī)能源的消耗進行監(jiān)測，反映出系統(tǒng)運行過程中的能耗狀況，從而采取一定措施使得太陽能熱水系統(tǒng)能夠高效節(jié)能運行。

3.1.2 地源熱泵系統(tǒng)

（1）監(jiān)測評價指標和方法

根據(jù)《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）及《可再生能源建筑應用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》（試行），結(jié)合重慶地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應用實際情況，確定地源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測評價性能指標及其監(jiān)測方法[5-6]。熱泵機組是熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，而熱泵系統(tǒng)是熱泵機組（單臺或多臺）、水泵、水處理器等組成，二者的性能系數(shù)是評價熱泵系統(tǒng)的主要指標。

①熱泵機組制熱性能系數(shù)（COP）、制冷能效比（EER）

熱泵機組性能系數(shù)和能效比主要為制熱（冷）量與機組輸入功率的比值，制熱（冷）量所需要監(jiān)測的主要參數(shù)為熱泵機組用戶側(cè)進口溫度、出口溫度、用戶側(cè)流量；機組輸入功率可直接測量。

②熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)（COPsys）、制冷能效比（EERsys）

熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)和能效比主要為系統(tǒng)累計制熱（冷）量與系統(tǒng)輸入功率的比值。系統(tǒng)累計制熱（冷）量所需要監(jiān)測的主要參數(shù)為熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)進口溫度、出口溫度、用戶側(cè)流量；系統(tǒng)輸入功率主要監(jiān)測參數(shù)為機組輸入功率和水泵輸入功率。

③常規(guī)能源替代量（噸標準煤）

常規(guī)能源替代量為傳統(tǒng)系統(tǒng)總能耗量和地源熱泵系統(tǒng)總能耗量的差值，根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)用于供暖與制冷兩個方面，可按兩種方法計算。對于供暖和制冷傳統(tǒng)能耗的監(jiān)測參數(shù)主要分別為總制熱量和總制冷量，地源熱泵系統(tǒng)總能耗的監(jiān)測參數(shù)主要為建筑累計熱負荷與累計冷負荷。

④室內(nèi)溫濕度

通過室內(nèi)溫濕度的測試，可以計算出系統(tǒng)運行時房間所需的空調(diào)負荷，從而與系統(tǒng)所提供的冷熱量相比，得出系統(tǒng)的運行效果。

⑤室外溫度

通過室外溫度的測試，得出室外溫度隨時間的分布情況，從而計算室內(nèi)負荷隨時間的變化情況。

根據(jù)上述監(jiān)測評價指標的監(jiān)測參數(shù)和方法匯總于表2。

表1 太陽能熱水系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測方法

表2 地源熱泵系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)和監(jiān)測方法

（2）其他監(jiān)測指標

上文所述的地源熱泵系統(tǒng)應用效果評價指標主要是根據(jù)《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）所確定，但國標的規(guī)定是基于全國范圍的地源熱泵系統(tǒng)的應用。由于地區(qū)之間地理、氣候環(huán)境的差異，除了以上國標規(guī)定的性能指標監(jiān)測對象之外，還需要對其他參數(shù)進行測量分析，使得評價參數(shù)能更好的反映地源熱泵系統(tǒng)的應用效果[4]。

①地表水源熱泵系統(tǒng)

a.水質(zhì)監(jiān)測

需要對地表水源熱泵系統(tǒng)進行水質(zhì)監(jiān)測，實時了解水體狀況，便于了解和管理水源熱泵系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

b.取排水能耗

在地表水源熱泵系統(tǒng)中，取排水系統(tǒng)是一個重要組成部分，同時也是一個重要的耗能部分。

②土壤源熱泵系統(tǒng)

a.土壤溫度監(jiān)測

地埋管地源熱泵系統(tǒng)對環(huán)境的影響即是對地下巖土熱環(huán)境的影響。通過監(jiān)測巖土的溫度，了解全年地下?lián)Q熱器的平衡狀況，并及時采取有效措施防止地埋管換熱器周圍巖土的溫度隨著系統(tǒng)的運行逐年升高或是降低。

3.2 可再生能源應用系統(tǒng)性能監(jiān)測平臺的構(gòu)建

數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺是指通過安裝數(shù)據(jù)計量和采集裝置，采用遠程數(shù)據(jù)傳輸手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線、實時監(jiān)測和動態(tài)分析功能的硬件和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱。監(jiān)測平臺主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成[6]。

3.2.1 硬件系統(tǒng)

（1）太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由計量監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)中心軟件組成。計量監(jiān)測設備包括室外溫度傳感器、太陽總輻射傳感器、集熱系統(tǒng)進出水溫度傳感器、集熱系統(tǒng)循環(huán)流量傳感器、輔助熱源電表等。

（2）地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)由計量監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)中心軟件組成。計量監(jiān)測設備包括室外溫度傳感器、系統(tǒng)用戶側(cè)進出水溫度傳感器、系統(tǒng)熱源側(cè)進出水溫度傳感器、系統(tǒng)用戶側(cè)循環(huán)流量傳感器、系統(tǒng)熱源側(cè)循環(huán)流量傳感器、系統(tǒng)耗電量監(jiān)測電表、機組用戶側(cè)進出水溫度傳感器、機組熱源側(cè)進出水溫度傳感器、機組用戶側(cè)循環(huán)流量傳感器、機組熱源側(cè)循環(huán)流量傳感器、機組輸入功率傳感器等。

3.2.2 軟件系統(tǒng)

（1）軟件系統(tǒng)構(gòu)架

可再生能源監(jiān)測軟件體系由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與展示等功能組成。

（2）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集器通過有線（以太網(wǎng)、485總線、Modus總線等）、無線（433通訊等）方式與數(shù)據(jù)采集通訊模塊進行連接，對于距離較遠的數(shù)據(jù)采集模塊依據(jù)現(xiàn)場情況，加裝有線/無線中繼器連接到數(shù)據(jù)采集器。

（3）數(shù)據(jù)傳輸

可再生能源示范項目的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)采集器提供有線（TCP/IP）方式、無線（GPRS/CDMA等）方式通過Internet傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。

（4）數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心主要是存儲各示范項目的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。對示范項目用戶提供B/S結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)訪問，可查看項目的系統(tǒng)運行狀況，并統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)中心用戶，可以提供單個示范項目的查看、不同示范項目的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與對比分析，以及深度數(shù)據(jù)挖掘等。

（5）用戶訪問

用戶訪問架構(gòu)：通過Internet連接到數(shù)據(jù)中心Web服務器，訪問授權的可再生能源項目數(shù)據(jù)信息。

4 監(jiān)測平臺的實際應用

可再生能源監(jiān)測平臺的研究與應用，有利于對示范項目的應用效果進行有效評估，促進示范項目的運行管理。課題研究組根據(jù)《可再生能源建筑應用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》（試行），構(gòu)建了重慶市太陽能熱水監(jiān)測平臺，用于重慶地區(qū)太陽能熱水示范項目的數(shù)據(jù)監(jiān)測，從而進行重慶市太陽能熱水系統(tǒng)應用效果的評價。

圖1 重慶市太陽能熱水應用監(jiān)測平臺

4.1監(jiān)測平臺運行狀態(tài)

該平臺已建成投入使用，實現(xiàn)了對重慶市某太陽能光熱建筑應用示范項目的數(shù)據(jù)監(jiān)測。主要實現(xiàn)的功能如下：（1）太陽能熱水系統(tǒng)應用性能指標參數(shù)的實時在線監(jiān)測；（2）歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析；（3）數(shù)據(jù)報表的導出；（4）建筑信息管理。

通過以上監(jiān)測功能，實現(xiàn)了對該太陽能熱水項目的實時監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知該系統(tǒng)的各項性能狀況、運行狀態(tài)良好，實現(xiàn)了節(jié)約能源、降低排放的目的。

5 結(jié)論

為了反映重慶市可再生能源建筑應用項目的應用效果，提高系統(tǒng)能效，實現(xiàn)節(jié)能高效運行，推進重慶市可再生能源應用示范城市的建設，本課題研究根據(jù)《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）和《可再生能源建筑應用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》（試行），并結(jié)合重慶地區(qū)可再生能源應用的實際情況，進行了重慶市可再生能源建筑應用性能監(jiān)測系統(tǒng)的研究。主要得到下述研究成果。

5.1 研究得出各類可再生能源應用系統(tǒng)的監(jiān)測性能指標

（1）太陽能熱水系統(tǒng)

①常規(guī)監(jiān)測指標：集熱系統(tǒng)得熱量、貯熱水箱熱損系數(shù)、集熱系統(tǒng)效率、太陽能保證率、常規(guī)能源替代量（噸標準煤）、項目費效比、環(huán)境效益評價

②其他監(jiān)測指標：冷水溫度、太陽能供熱水溫度、常規(guī)能源的消耗

（2）地源熱泵系統(tǒng)

①常規(guī)監(jiān)測指標：熱泵機組制熱性能系數(shù)（COP）、制冷能效比（EER）、熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)（COPsys）、制冷能效比（EERsys）、常規(guī)能源替代量（噸標準煤）、環(huán)境效益評價、經(jīng)濟效益評價。

②其他監(jiān)測指標：

a.水源熱泵系統(tǒng)：水質(zhì)監(jiān)測、取排水能耗

b.土壤源熱泵系統(tǒng)：土壤溫度監(jiān)測

5.2 建設可再生能源監(jiān)測平臺

根據(jù)監(jiān)測性能指標確定監(jiān)測參數(shù)與方法，進行重慶市可再生能源監(jiān)測平臺的建設，得出可再生能源監(jiān)測體系。

5.3 太陽能熱水系統(tǒng)監(jiān)測平臺研發(fā)與應用

進行了太陽能熱水系統(tǒng)監(jiān)測平臺的實際研發(fā)應用，用于重慶地區(qū)太陽能熱水示范項目的數(shù)據(jù)監(jiān)測，進行重慶市太陽能熱水系統(tǒng)應用效果的評價。

[1]重慶市成為可再生能源建筑應用全國示范城市[EB/ OL].(2009-12-8)[2014-6-20].http://www.cq.gov.cn/zwgk/zfxx/ 179930.html.

[2]巫溪縣成功申報國家可再生能源建筑應用示范縣[EB/ OL].(2010-8-4)[2014-6-20].http://www.ccc.gov.cn/xwzx/wgzq/ yjzq/2010-08-04-184179.html.

[3]云陽縣榮獲全國可再生能源建筑應用示范縣[EB/OL]. (2010-11-8)[2014-6-20].http://www.ccc.gov.cn/xwzx/wgzq/yjzq/ 2010-11-08-184319.html.

[4]丁勇，李百戰(zhàn).重慶地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)技術應用[M].重慶：重慶大學出版社，2012.

[5]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部.GB/T50801-2013可再生能源建筑應用工程評價標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[6]《可再生能源建筑應用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》（試行）[Z].

[7]劉旭.重慶地區(qū)太陽能熱水應用適宜性研究[D].重慶：重慶大學，2013

責任編輯：孫蘇

Developmentand Application of Monitoring and Control System of Renewable Energy Sources Applied in Architecture in Chongqing

Based on the currentapplication situation ofrenewable energy architecture in Chongqing,and combined with Evaluation Criteria of Renewable Energy Architecture Application Project（GB/T50801-2013）and Technical Guidelines for Data Monitoring System of Demonstrative Project of Renewable Energy Architecture Application,the study on Monitoring and Control System of Renewable Energy Sources applied in Architecture in Chongqing is carried outand monitoring index and monitoring parameters of differentkinds of monitoring systems are obtained for the systematic performance establishmentand the developmentand application ofmonitoring platform.

renewable energy sources；architecture application；monitoring and controlsystem

TU201.5

A

1671-9107（2014）10-0009-04

基金論文：該論文為“十二五”國家科技支撐計劃課題建筑室內(nèi)空氣污染監(jiān)測及運營管理技術研究項目（2012BAJ02B06）、重慶市可再生能源建筑應用城市示范配套能力建設項目論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.009

2014-07-01

劉垚（1991-），男，貴州納雍人，碩士研究生，主要從事太陽能建筑應用技術相關研究。