周敬博，黃茵，謝漢生

(中國(guó)鐵道科學(xué)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(jī)組，能源利用率低并產(chǎn)生了諸多如廢氣排放、溫室效應(yīng)等環(huán)境保護(hù)問題。地源熱泵技術(shù)的問世，引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注，并取得了迅速的應(yīng)用和發(fā)展。

地源熱泵技術(shù)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(jī)組，各單位管理方式不同，竣工后系統(tǒng)運(yùn)行的效果與可行性研究階段、設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)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(cè)系統(tǒng)，能有效測(cè)量地源熱泵的應(yīng)用效果，有助于項(xiàng)目的運(yùn)行管理，推進(jìn)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用長(zhǎng)效機(jī)制的建立;有助于節(jié)省人工測(cè)試的人力物力，為鐵路局了解地源熱泵的應(yīng)用效果提供便利;有助于加快地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用，帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，為我國(guó)鐵路大規(guī)模推廣地源熱泵技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備［1］。

目前，地源熱泵能耗監(jiān)測(cè)方面的研究剛剛起步，一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸出指標(biāo)、操作功能方面都有一定欠缺。如有些系統(tǒng)僅能輸出測(cè)點(diǎn)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(duì)地源熱泵夏季運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)地源熱泵能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該監(jiān)測(cè)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(jī)，單片機(jī)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(jī)PC，包括上位機(jī)應(yīng)用軟件及打印機(jī)、顯示器等數(shù)據(jù)輸出設(shè)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(biāo)

3.1 采集輸出指標(biāo)體系

為計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)組、系統(tǒng)的能效比。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集、計(jì)算、輸出指標(biāo)見表1。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集、計(jì)算、輸出指標(biāo)

3.2 計(jì)算公式

地源側(cè)、空調(diào)側(cè)進(jìn)出口指相對(duì)機(jī)組而言，即進(jìn)口指管段內(nèi)液體流向機(jī)組;出口指管段內(nèi)液體流出機(jī)組。

①地源側(cè)換熱量計(jì)算

式中:Qs為熱源側(cè)換熱量，kW;cl為進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)出口溫差，℃;tc1為冷卻水入口溫度，℃;tc2為冷卻水出口溫度，℃。

③機(jī)組能效比計(jì)算

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

④系統(tǒng)能效比計(jì)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(jī)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(jī)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(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀?、季?jié)、建筑等條件安裝在瞬時(shí)負(fù)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(jī)房?jī)?nèi)配電箱，其電流互感器分別安裝在熱泵機(jī)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(jī)軟件開發(fā)

5.1 擬實(shí)現(xiàn)功能的要求

該系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線、能效曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表及打印、報(bào)警、事件記錄、用戶管理功能［6-7］。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的功能菜單見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)菜單欄

5.2 各模塊實(shí)現(xiàn)功能

5.2.1 主菜單界面

監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，用戶可在屏幕左側(cè)的導(dǎo)航欄中選擇不同的地點(diǎn)進(jìn)行，當(dāng)點(diǎn)擊進(jìn)入后即可在屏幕上顯示該地點(diǎn)的照片。

5.2.2 用戶管理模塊

監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，用戶點(diǎn)擊“用戶管理”按鈕，進(jìn)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(guān)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(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行模式以及溫度、流量、壓力、功率、換熱量、COP 參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，工藝圖依據(jù)該地點(diǎn)機(jī)房管路布置實(shí)際情況進(jìn)行繪制，可分冬季工況、夏季工況、過渡季工況、停止四個(gè)狀態(tài)來對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)選擇不同的按鈕時(shí)，相應(yīng)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(cè)系統(tǒng)主監(jiān)測(cè)界面見圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主監(jiān)測(cè)界面

5.2.4 趨勢(shì)曲線模塊

該模塊可實(shí)時(shí)顯示各測(cè)點(diǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線，并可通過調(diào)整時(shí)間設(shè)定范圍內(nèi)的按鈕設(shè)定時(shí)間起始點(diǎn)及時(shí)間長(zhǎng)度來顯示歷史趨勢(shì)曲線;通過取值范圍來設(shè)定橫坐標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)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(biāo)測(cè)點(diǎn)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(dòng)設(shè)置縮放倍數(shù);通過曲線設(shè)置可對(duì)各曲線的顯示、隱藏，坐標(biāo)軸名稱的顯示方式、曲線刪除、縱坐標(biāo)百分比轉(zhuǎn)換進(jìn)行操作。

5.2.5 能效曲線模塊

該模塊能實(shí)時(shí)顯示機(jī)組能效比、系統(tǒng)能效比從記錄時(shí)刻起隨記錄時(shí)間的變化關(guān)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(duì)曲線執(zhí)行相關(guān)操作。同時(shí)可根據(jù)時(shí)間變量設(shè)定能效比定值，當(dāng)測(cè)量值高于或低于此設(shè)定值時(shí)，該模塊自動(dòng)報(bào)警，并可在下方的報(bào)警面板中顯示、記錄。屏幕右方有機(jī)組COP、系統(tǒng)COP 的實(shí)時(shí)測(cè)量值及設(shè)定值顯示。

5.2.6 報(bào)表模塊

該模塊可對(duì)各測(cè)點(diǎn)參數(shù)、輸出參數(shù)進(jìn)行報(bào)表。報(bào)表分為日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、季報(bào)表、年報(bào)表，并可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)通過設(shè)定時(shí)間查詢歷史數(shù)據(jù)。擴(kuò)展功能中具有導(dǎo)入導(dǎo)出功能、打印功能、模板替換功能、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能。導(dǎo)入導(dǎo)出功能設(shè)置多種文件類型，可直接導(dǎo)入導(dǎo)出CSV、XLS、PDF、TXT、HTML 類型的文件。

5.2.7 報(bào)警模塊

該模塊可通過對(duì)參數(shù)設(shè)定上下限來實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的報(bào)警。如果超過設(shè)定閾值，則以文字方式顯示報(bào)警參數(shù)信息，并可通過設(shè)定發(fā)出報(bào)警聲音。該模塊同時(shí)還可將報(bào)警記錄進(jìn)行打印。

5.2.8 事件記錄模塊

該模塊可對(duì)啟動(dòng)軟件后，軟件后臺(tái)運(yùn)行事件記錄進(jìn)行顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

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

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