地源热泵远程监控系统的设计与试验分析

黄清宝 佘乾仲 胡映宁 陈超林

(广西大学电气工程学院1，广西 南宁 530004;广西大学机械工程学院2，广西 南宁 530004)

0 引言

节能环保是国家建设和发展的重要国策。地源热泵可以高效利用可再生浅层地热资源达到供暖、制冷等目的，地源热泵更具有高效、节能省费和环保等优点，已在北美和欧洲的许多国家取得了较快的发展，我国的地源热泵市场也日趋活跃。

监控系统不仅可以监控设备运行情况，还可以对数据进行整理、存储、计算和分析，实现远程控制，是提高设备自动化、信息化水平的重要保障。建立对地源热泵系统的自动监控系统，在提高热泵机组系统自动化程度的同时，还可为建筑能耗测评和节能评估分析提供数据来源和依据［6－9］。

合理利用地源热泵技术，结合远程监控系统，可实现不同温度水平下地热资源的高效利用，取得明显的社会经济效益［1－5］。

1 地源热泵系统工艺

广西大学地源热泵空调系统目前包括10栋办公大楼及学生公寓楼，本文以4号和5号公寓楼为例进行说明。4号楼建筑面积为8500 m2，宿舍230间，有2台21 kW热泵空调联供系统;5号楼建筑面积为6000 m2，宿舍150间，有2台12 kW热泵空调联供系统。土壤换热器采用双U型埋管方式，平均钻井深度27 m，埋管总深4055 m。

图1为土壤换热器与空调并联的地源热泵热水－空调冷热联供系统工作原理示意图。

图1 热泵机组系统原理图Fig.1 Principle of the heat pump unit system

系统由热泵机组、土壤换热器、地能循环泵、空调循环泵和空调等部分组成。当环境温度低于25℃时，系统处于土壤源制热水工况，采用土壤换热器获取低温热源;当环境温度高于25℃时，系统处于热水－空调冷热联供工况，可利用空调冷凝热制热水，从而提高能源的利用率。

在本系统中，被测量为机组和循环水泵的三相电流、三相电压、有功功率、冷冻水流量、热水流量、循环水流量、冷冻进水温度、冷冻出水温度、热水出水温度、循环水温度和自来水温度等;被控量为机组启停、电磁阀开关和循环水泵启停等。

2 监控系统的结构及功能

本监控系统结构可分为3层，分别是底层监控设备、通信网络和监控中心上位机，如图2所示。

图2 系统结构示意图Fig.2 Structure of the system

2.1 底层设备

在本监控系统中，底层设备完成现场数据的采集和上位机控制命令的执行。它包括以下模块。

①EDA9033E电量采集模块是一种智能型三相电参数数据综合采集模块。在本系统中，主要负责采集热泵机组以及循环水泵的电流、电压和有功功率。

②EDA9017模拟量测量模块可测量8路电流和4路电压输入信号。在本系统中，其主要负责测量涡轮流量计和电磁流量计及Pt100热电阻温度变送器的电信号。

③EDA9050开关量输入输出模块。本系统中，上位机通过EDA9050模块来控制热泵机组、循环水泵的启停，并读取其开关状态。

2.2 通信网络

系统采用校园网连接位于学校各地的地源热泵机组。监控中心服务器配置公网固定IP地址，对监控画面进行Web发布，以便异地远程访问;各个监控点则就近连接交换机，并接入校园网。

Modbus/TCP协议是一种应用广泛的工业以太网协议。在通信网络结构中，系统采用协议转换器Aineton M1851将底层模块采用的Modbus/RTU协议转换成Modbus/TCP协议，从而接入以太网，实现与上位机之间的通信。

2.3 监控中心服务器

监控中心的服务器采用适合长时间工作的工业计算机，操作系统采用Windows XP。服务器的主要功能是将EDA模块实时采集到的电参数、温度、流量和压力等数据进行集中显示和存储;同时计算能效比并进行网页发布，必要时对机组系统进行远程控制。

服务器软件利用力控组态软件对地源热泵的相关参数进行检测，明确系统的各部分运行状况，实现远程监控功能，其总体框图如图3所示［10］。

图3 软件系统总体框图Fig.3 Block diagram of software system

在组态软件开发环境下，开发人员利用脚本语言编写代码，并结合软件提供的各种丰富图元，打造良好的人机界面。进行网页发布后，在异地IE浏览器内输入服务器IP地址和口令，可以远程浏览机组运行画面。

2.4 监控过程的实现

协议转换器M1851模块将现场采集的数据所遵循的Modbus协议转换成Modbus/TCP协议，然后将数据通过校园网传送至监控中心服务器。服务器完成机组和循环水泵的三相电流、电压、功率、温度和流量等参数的接收、显示、存储和打印等功能，并将检测到的相关参数进行计算，得到机组能效比与系统能效比，从而作为整个地源热泵系统节能评估的依据，实现由下而上的数据监测功能。同时，服务器将控制命令通过校园网送给机组和泵等被控对象，实现由上而下的设备控制功能。

3 试验数据处理与分析

3.1 数据处理

能效比(coefficient of performance，CoP)是衡量热泵机组效率及其节能效果的重要指标。它是指在额定工况和规定条件下，热泵热水装置运行时实际制热量与实际输入电能之比。

机组能效比的计算公式如下:

系统能效比的计算公式如下:

式中:Q为热泵的制热量;W为热泵消耗的电能;c为水的比热容，kJ/(kg·℃);ρ为水的密度，m3/h;V为水的体积，m3;ΔT为温差，K;qv为流速;t为时长;P1为机组耗电功率，kW;P2为水泵耗电功率，kW。由式(1)和式(2)可知，只要测得流速、温差、机组耗电功率和水泵耗电功率，就可得到机组能效比和系统能效比。

3.2 结果分析

本工况测试的是2009年12月1日从下午4点至午夜24点连续8 h的温度、制热系数COP的变化曲线。本文只给出了制热工况的地源进水温度、地源出水温度、热水温度和自来水温度曲线以及制热系数COP曲线图，如图4、图5所示。

由图4和图5可以看出，在这段连续时间内，热水温度基本保持在50℃左右，COP机组与COP系统也基本稳定在4.5与4.2附近。这说明机组设备运行在正常范围内，整个系统运行稳定，可满足制热要求。

为了分析系统的长期运行结果，表1给出了行健文理学院4号楼和5号楼连续四个月中某一天的系统能效比数据均值。

从表1的数据可以看出，系统的平均能效比大于4.20。由于5号楼热水温度平均值约为52℃，高于4号楼热水温度平均值，因此，其能效比较4号楼偏低。

表1 机组与系统的能效比Tab.1 CoP of unit and system

4 结束语

本文设计并实现了基于工业以太网的地源热泵的远程实时监控系统。系统实现了热泵机组系统的电压、电流、功率、温度、流量、压力以及机组、泵、电磁阀和开关状态、能效比等信息的自动检测、计算和存储。这不仅提高了系统的自动化程度，降低了维护人员的工作量，还为建筑节能评估提供了数据依据。

测试结果表明，系统运行稳定可靠，监控页面显示直观，系统能效比大于4.20，说明该热泵系统性能良好，节能效果明显。

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