地源热泵能耗监测系统上位机软件设计研究

2013-11-12周敬博黄茵谢汉生

铁路节能环保与安全卫生 2013年3期

周敬博，黄茵，谢汉生

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

1 概述

铁路沿线建筑采暖多年来一直沿用燃煤、燃油锅炉等传统供暖模式，制冷采用分体空气源热泵或冷水机组，能源利用率低并产生了诸多如废气排放、温室效应等环境保护问题。地源热泵技术的问世，引起了世界各国的极大关注，并取得了迅速的应用和发展。

地源热泵技术使用地域不一，存在气候、地质、冷热源、环境条件、使用需要的差别，由于施工单位使用的热泵机组，各单位管理方式不同，竣工后系统运行的效果与可行性研究阶段、设计阶段的目标值差异有多少，都是值得分析和研究的。建立地源热泵能耗监测系统，能有效测量地源热泵的应用效果，有助于项目的运行管理，推进地源热泵技术应用长效机制的建立;有助于节省人工测试的人力物力，为铁路局了解地源热泵的应用效果提供便利;有助于加快地源热泵技术的推广应用，带动技术进步，为我国铁路大规模推广地源热泵技术提供基础数据支撑和经验储备［1］。

目前，地源热泵能耗监测方面的研究刚刚起步，一些监测系统在输出指标、操作功能方面都有一定欠缺。如有些系统仅能输出测点参数或COP，不能使用户真正了解地源热泵能耗以及换热情况，有些功能还有待完善［2-4］。本文通过对地源热泵夏季运行数据进行分析，对地源热泵能耗监测系统进行科学、合理的设计。

2 系统总体结构

该监测系统包括数据采集端、数据处理端。其中数据采集端包括传感器、单片机，单片机中包括数据放大器、采样保持器、A/D 转换器等;数据处理端为上位机PC，包括上位机应用软件及打印机、显示器等数据输出设备。系统总体结构见图1。

图1 系统总体结构图

3 采集输出指标

3.1 采集输出指标体系

为计算机组、系统能效，需采集系统的热力参数及电力参数。通过热力参数的采集，计算系统地源侧换热量及空调侧换热量，通过电力参数的采集及空调侧换热量，计算机组、系统的能效比。监测系统的采集、计算、输出指标见表1。

表1 监测系统采集、计算、输出指标

3.2 计算公式

地源侧、空调侧进出口指相对机组而言，即进口指管段内液体流向机组;出口指管段内液体流出机组。

①地源侧换热量计算

式中:Qs为热源侧换热量，kW;cl为进出口平均温度下循环液的比热容，J/(kg ℃);qs为热源侧循环液流量，m3/h;ΔTs为热源侧液体进出口温差，℃;ts1为循环液入口温度，℃，ts2为循环液出口温度，℃。

②空调侧换热量计算(冬季为制热量、夏季为制冷量)

式中:Qc为空调侧换热量，kW;cw为进出口平均温度下水的比热容，J/(kg℃);qc为空调侧冷却水流量，m3/h;ΔTc为空调侧冷却水进出口温差，℃;tc1为冷却水入口温度，℃;tc2为冷却水出口温度，℃。

③机组能效比计算

式中:EERm为机组夏季制冷能效比，COPm为机组冬季制热能效比;Qc为空调侧换热量，kW;N0为机组压缩机功率，kW。

④系统能效比计算

式中:EERs为系统夏季制冷能效比，COPs为系统冬季制热能效比;Qc为空调侧换热量，kW;N为系统总功率，N0为热泵机组功率，Nc为空调侧循环泵功率，Ns为地源侧循环泵功率，kW。

4 传感器安装位置

4.1 温度传感器安装位置

室外温度传感器安置在室外露天处;地源侧/空调侧循环水供回水温度传感器需安置在机组箱外与蒸发器冷凝器连接的供回水干管处，每根管安装1 套传感器，共4 套;室内典型房间室温应根据当地气象、季节、建筑等条件安装在瞬时负荷最大的房间。

4.2 流量传感器安装位置

流量传感器安装在地源侧/空调侧循环水供回水干管上，每根管安装1 套流量传感器，共4 套。

4.3 功率传感器的安装位置

功率传感器安装在机房内配电箱，其电流互感器分别安装在热泵机组配电线、地源侧循环泵配电线、空调侧循环泵配电线处。

4.4 压力传感器的安装位置

压力传感器安装在地源侧/空调侧供回水干管管道上。

5 上位机软件开发

5.1 拟实现功能的要求

该系统拟实现的功能包括实时监控、实时趋势曲线、历史趋势曲线、能效曲线、数据报表及打印、报警、事件记录、用户管理功能［6-7］。监测系统拟实现的功能菜单见图2。

图2 监测系统菜单栏

5.2 各模块实现功能

5.2.1 主菜单界面

监控系统启动时，用户可在屏幕左侧的导航栏中选择不同的地点进行，当点击进入后即可在屏幕上显示该地点的照片。

5.2.2 用户管理模块

监控系统启动时，用户点击“用户管理”按钮，进入用户管理界面。该模块包括用户登录、用户注销、修改口令、修改用户、关闭按钮。用户正确输入用户名和密码方可操作此系统。

5.2.3 监控界面模块

将系统工艺图显示在系统界面上，对机组运行状态、运行模式以及温度、流量、压力、功率、换热量、COP 参数进行监视，工艺图依据该地点机房管路布置实际情况进行绘制，可分冬季工况、夏季工况、过渡季工况、停止四个状态来对其进行实时监控，当选择不同的按钮时，相应阀门及泵通过颜色的改变来表示该管段的启停状态。监测系统主监测界面见图3。

图3 监测系统主监测界面

5.2.4 趋势曲线模块

该模块可实时显示各测点参数数据随时间变化的曲线，并可通过调整时间设定范围内的按钮设定时间起始点及时间长度来显示历史趋势曲线;通过取值范围来设定横坐标时间长度大小，共有12 h、6 h、1 h、30 min、15 min、5 min、1 min 7 种模式可供选择;通过曲线缩放按钮可调整纵坐标测点参数取值范围，共有原始、两倍、四倍、八倍可供选择，还可手动设置缩放倍数;通过曲线设置可对各曲线的显示、隐藏，坐标轴名称的显示方式、曲线删除、纵坐标百分比转换进行操作。

5.2.5 能效曲线模块

该模块能实时显示机组能效比、系统能效比从记录时刻起随记录时间的变化关系曲线，该曲线下方含有开始、暂停、停止、保存、打开、打印、放大、平移等按钮，可对曲线执行相关操作。同时可根据时间变量设定能效比定值，当测量值高于或低于此设定值时，该模块自动报警，并可在下方的报警面板中显示、记录。屏幕右方有机组COP、系统COP 的实时测量值及设定值显示。

5.2.6 报表模块

该模块可对各测点参数、输出参数进行报表。报表分为日报表、周报表、季报表、年报表，并可根据需要对其进行统计，同时通过设定时间查询历史数据。扩展功能中具有导入导出功能、打印功能、模板替换功能、数据库查询功能。导入导出功能设置多种文件类型，可直接导入导出CSV、XLS、PDF、TXT、HTML 类型的文件。

5.2.7 报警模块

该模块可通过对参数设定上下限来实现对实时数据、历史数据的报警。如果超过设定阈值，则以文字方式显示报警参数信息，并可通过设定发出报警声音。该模块同时还可将报警记录进行打印。

5.2.8 事件记录模块

该模块可对启动软件后，软件后台运行事件记录进行显示。