地源熱泵遠程監控系統的設計與試驗分析

黃清寶 佘乾仲 胡映寧 陳超林

(廣西大學電氣工程學院1，廣西 南寧 530004;廣西大學機械工程學院2，廣西 南寧 530004)

0 引言

節能環保是國家建設和發展的重要國策。地源熱泵可以高效利用可再生淺層地熱資源達到供暖、制冷等目的，地源熱泵更具有高效、節能省費和環保等優點，已在北美和歐洲的許多國家取得了較快的發展，我國的地源熱泵市場也日趨活躍。

監控系統不僅可以監控設備運行情況，還可以對數據進行整理、存儲、計算和分析，實現遠程控制，是提高設備自動化、信息化水平的重要保障。建立對地源熱泵系統的自動監控系統，在提高熱泵機組系統自動化程度的同時，還可為建筑能耗測評和節能評估分析提供數據來源和依據［6－9］。

合理利用地源熱泵技術，結合遠程監控系統，可實現不同溫度水平下地熱資源的高效利用，取得明顯的社會經濟效益［1－5］。

1 地源熱泵系統工藝

廣西大學地源熱泵空調系統目前包括10棟辦公大樓及學生公寓樓，本文以4號和5號公寓樓為例進行說明。4號樓建筑面積為8500 m2，宿舍230間，有2臺21 kW熱泵空調聯供系統;5號樓建筑面積為6000 m2，宿舍150間，有2臺12 kW熱泵空調聯供系統。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并聯的地源熱泵熱水－空調冷熱聯供系統工作原理示意圖。

圖1 熱泵機組系統原理圖Fig.1 Principle of the heat pump unit system

系統由熱泵機組、土壤換熱器、地能循環泵、空調循環泵和空調等部分組成。當環境溫度低于25℃時，系統處于土壤源制熱水工況，采用土壤換熱器獲取低溫熱源;當環境溫度高于25℃時，系統處于熱水－空調冷熱聯供工況，可利用空調冷凝熱制熱水，從而提高能源的利用率。

在本系統中，被測量為機組和循環水泵的三相電流、三相電壓、有功功率、冷凍水流量、熱水流量、循環水流量、冷凍進水溫度、冷凍出水溫度、熱水出水溫度、循環水溫度和自來水溫度等;被控量為機組啟停、電磁閥開關和循環水泵啟停等。

2 監控系統的結構及功能

本監控系統結構可分為3層，分別是底層監控設備、通信網絡和監控中心上位機，如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖Fig.2 Structure of the system

2.1 底層設備

在本監控系統中，底層設備完成現場數據的采集和上位機控制命令的執行。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數據綜合采集模塊。在本系統中，主要負責采集熱泵機組以及循環水泵的電流、電壓和有功功率。

②EDA9017模擬量測量模塊可測量8路電流和4路電壓輸入信號。在本系統中，其主要負責測量渦輪流量計和電磁流量計及Pt100熱電阻溫度變送器的電信號。

③EDA9050開關量輸入輸出模塊。本系統中，上位機通過EDA9050模塊來控制熱泵機組、循環水泵的啟停，并讀取其開關狀態。

2.2 通信網絡

系統采用校園網連接位于學校各地的地源熱泵機組。監控中心服務器配置公網固定IP地址，對監控畫面進行Web發布，以便異地遠程訪問;各個監控點則就近連接交換機，并接入校園網。

Modbus/TCP協議是一種應用廣泛的工業以太網協議。在通信網絡結構中，系統采用協議轉換器Aineton M1851將底層模塊采用的Modbus/RTU協議轉換成Modbus/TCP協議，從而接入以太網，實現與上位機之間的通信。

2.3 監控中心服務器

監控中心的服務器采用適合長時間工作的工業計算機，操作系統采用Windows XP。服務器的主要功能是將EDA模塊實時采集到的電參數、溫度、流量和壓力等數據進行集中顯示和存儲;同時計算能效比并進行網頁發布，必要時對機組系統進行遠程控制。

服務器軟件利用力控組態軟件對地源熱泵的相關參數進行檢測，明確系統的各部分運行狀況，實現遠程監控功能，其總體框圖如圖3所示［10］。

圖3 軟件系統總體框圖Fig.3 Block diagram of software system

在組態軟件開發環境下，開發人員利用腳本語言編寫代碼，并結合軟件提供的各種豐富圖元，打造良好的人機界面。進行網頁發布后，在異地IE瀏覽器內輸入服務器IP地址和口令，可以遠程瀏覽機組運行畫面。

2.4 監控過程的實現

協議轉換器M1851模塊將現場采集的數據所遵循的Modbus協議轉換成Modbus/TCP協議，然后將數據通過校園網傳送至監控中心服務器。服務器完成機組和循環水泵的三相電流、電壓、功率、溫度和流量等參數的接收、顯示、存儲和打印等功能，并將檢測到的相關參數進行計算，得到機組能效比與系統能效比，從而作為整個地源熱泵系統節能評估的依據，實現由下而上的數據監測功能。同時，服務器將控制命令通過校園網送給機組和泵等被控對象，實現由上而下的設備控制功能。

3 試驗數據處理與分析

3.1 數據處理

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

機組能效比的計算公式如下:

系統能效比的計算公式如下:

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為時長;P1為機組耗電功率，kW;P2為水泵耗電功率，kW。由式(1)和式(2)可知，只要測得流速、溫差、機組耗電功率和水泵耗電功率，就可得到機組能效比和系統能效比。

3.2 結果分析

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

由圖4和圖5可以看出，在這段連續時間內，熱水溫度基本保持在50℃左右，COP機組與COP系統也基本穩定在4.5與4.2附近。這說明機組設備運行在正常范圍內，整個系統運行穩定，可滿足制熱要求。

為了分析系統的長期運行結果，表1給出了行健文理學院4號樓和5號樓連續四個月中某一天的系統能效比數據均值。

從表1的數據可以看出，系統的平均能效比大于4.20。由于5號樓熱水溫度平均值約為52℃，高于4號樓熱水溫度平均值，因此，其能效比較4號樓偏低。

表1 機組與系統的能效比Tab.1 CoP of unit and system

4 結束語

本文設計并實現了基于工業以太網的地源熱泵的遠程實時監控系統。系統實現了熱泵機組系統的電壓、電流、功率、溫度、流量、壓力以及機組、泵、電磁閥和開關狀態、能效比等信息的自動檢測、計算和存儲。這不僅提高了系統的自動化程度，降低了維護人員的工作量，還為建筑節能評估提供了數據依據。

測試結果表明，系統運行穩定可靠，監控頁面顯示直觀，系統能效比大于4.20，說明該熱泵系統性能良好，節能效果明顯。

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