地源热泵系统参数测量与误差补偿方法研究

鲍存会

(陕西理工大学 电气工程学院， 陕西 汉中 723000)

地源热泵系统参数测量与误差补偿方法研究

鲍存会

(陕西理工大学 电气工程学院， 陕西 汉中 723000)

针对现有地源热泵系统的监测数据不准确的问题，提出了一种针对地源热泵系统供回水温度和流量测量的误差补偿方法。首先搭建了一套地源热泵监测系统，实时获取地源侧、热泵机组和用户侧的供、回水温度和流量等数据，然后分析了影响温度和流量测量精度的主要因素，最后对温度传感器的零点漂移和温度系数进行标定，并对超声波传输速度和管道流体速度误差进行补偿。实验结果表明，该方法能够准确获得地源热泵系统运行参数，温度误差不超过0.2 ℃，流量误差不超过1.3%，可以为地源热泵系统远程监测提供数据支撑和经验储备。

地源热泵； 流场； RS485； 温度补偿； 流量补偿

传统的供暖主要采用燃煤、燃油、燃气等方式，制冷采用蒸汽压缩式、吸附式和吸收式等方式，这种供暖、制冷方式能源利用率低，容易产生废气排放和温室效应等环境保护问题。地源热泵系统是一种利用地下浅层储能实现供热和制冷的节能系统。通过地下水，将地下浅层储蓄的热量(冬季)或冷量(夏季)转移至建筑物内，从而实现采暖或制冷。为了有效监测地源热泵系统的运行状态，获得可靠的运行数据，国内外学者对地源热泵系统进行了大量研究。文献[1-3]提出了地源热泵监测系统的搭建方法，并给出了一些运行数据获取方法，但未对测量数据进行有效修正，影响数据统计和能效分析的准确性。

为解决上述问题，本文搭建一套地源热泵数据监测系统，并分析影响温度和流量测量的主要因素，对测量的温度和流量数据进行补偿，以获取可靠的地源热泵系统运行参数。

1 远程监测系统构架

1.1 地源热泵制热、制冷模式

如图1所示，地源热泵系统主要工作于冬季制热和夏季制冷两种模式。制冷模式(B阀开，A阀关)时，压缩机工作使其内部的低温低压冷媒气体变成高温高压气体，地源侧井水为冷源，进入冷凝器的低温井水吸收高温高压冷媒气体的热量，吸热后的井水回流至井内，放热后的冷媒气体凝结成高温高压的冷媒液体，高温高压液体经过膨胀阀生成低温低压冷媒液体，冷媒液体在蒸发器中吸收空调循环水热量而产生低温低压冷媒液体，从而使蒸发器输出7 ℃左右空调循环水供用户使用。制热工况(B阀关，A阀开)时，地源侧的井水为热源，井水进入蒸发器时，低温低压的冷媒液体在蒸发器中吸收井水热量，放热后的井水回流至井内，吸热后的冷媒液体变成冷媒气体，冷媒气体经过压缩机产生高温高压过热蒸气，再经过冷凝器放热后产生高温高压冷媒液体，空调循环水在冷凝器中吸收冷媒气体释放热量，从而输出45～60 ℃的热水供用户使用。

图1 地源热泵系统制热制冷工艺

1.2 地源热泵监测系统结构

如图2所示，地源热泵数据监测系统主要由超声波流量表、三相电功率表、温度测量模块、数据采集模块等组成[6-7]。温度采集量包括室外温度、地源侧供/回水温度、用户侧高区、低区供/回水温度；流量采集量模块包括地源侧循环流量和用户高区、低区侧循环流量。能耗计量主要包括深井泵能耗、热泵机组能耗和用户循环泵能耗。传感器网络采用主-从结构的485总线，即主站请求与从站应答模式。选用的温度采集模块GP800T、超声波流量计SLD-100F和三相电功率表DTSF1352均支持ModBus-RTU通信协议[3,8]。数据采集器作为RS485总线的主站，具有485总线网络查询权利。测量模块作为RS485总线的从站，由主站分配唯一的地址(1—247)，没有受到主站请求的从站不主动向主站发送数据。软件设计时，数据采集器发送读取指定地址从站的命令帧，指定地址的从站接收到命令后，向主站回送传感器测量数据，主站对接收到的数据进行解析、滤波、误差补偿和打包处理。

图2 地源热泵远程监测系统结构

2 误差分析与补偿

2.1 温度分析与补偿

地源热泵系统的地源侧、用户侧供/回水温度和室外温度测量均采用铂电阻PT100温度传感器。在0 ℃

Rt=R0(1+At+Bt2)，

(1)

其中：Rt表示t℃时电阻值；R0=100 Ω为0 ℃时电阻值；系数A=3.9083×10-3，B=-5.7750×10-7。

在地源热泵用水温度范围内，PT100温度特性可以简化为线性函数：

Rt=R0(1+0.003 851t)，

(2)

因而，测量的温度值可以表示为

(3)

2.1.1PT100传输导线电阻补偿

图3 三线式温度传感器PT100接线图

为了消除导线电阻对温度测量结果的影响，传感器电路采用图3所示的恒流源三线制电桥接法。温度传感器引出的三根导线的等效阻值r1=r2=r3，将导线r1接至电桥的电源端，其余两根导线r2、r3分别接到铂电阻所在的桥臂及其相邻的桥臂上，则两桥臂上引入的相同阻值引线电阻，对电桥输出结果无影响。

2.1.2PT100零漂和线性系数补偿

由于热效应及系统误差，对PT100零点漂移和线性系数进行标定。若测量PT100的温度平均值为t，而温度校准装置平均值为tc，则漂移补偿因子Z=t-tc，线性修正系数K=(tc+Z)/(t+Z)，因而补偿后的温度为

tr=Kt-Z。

(4)

2.2 流量测量误差补偿

如图4所示，采用Z型接法的超声波传感器安装在管道的两侧，则超声波在循环水中的顺、逆流传播时间tup、tdown可以表示为

(5)

(6)

图4 超声波流量计测量原理图

其中L为超声波在循环水中的行程，v0为超声波在静止流体中的传播速度，v为循环水沿管道的平均线速度，τ0为管壁中超声波传播时间与电路延迟时间的总和，θ为超声波传播方向与流体流动方向间的夹角。则流体的线管道的平均线流速为

(7)

2.2.1 超声波声速v0补偿

随着温度的增加，超声波在水中传输速度先增大后减小。0 ℃时水中传输速度为1407.71 m/s，74 ℃时速度最高，为1555.47 m/s，100 ℃时速度为1543.41 m/s[12-13]。0 ℃和74 ℃对应的传播速度变化范围较大，若采用恒定的超声波速度，会引起较大的流量计算偏差。因而，超声波声速v0采用分段线性化表示为

(8)

2.2.2 流速误差补偿

在流体力学中，雷诺数Re是表征液体流态的重要参数，Re的大小受温度的影响，因而温度影响流场分布。当温度为25 ℃时，Re=1115，流体处于层流状态，流体质点规则运动，彼此不相混掺；在温度为80 ℃时，Re=2725，流体处于紊流状态，流体质点做不规则运动，呈现轨迹混乱的状态。传感器测量的流速为管道内液体的线流速，而非面流速，因而对流速按不同流场状态进行补偿。

层流状态下，距中心点的半径为r处的流速模型[12,14]为

(9)

(10)

(11)

(12)

紊流状态下，距中心点的半径为r处的流速模型为

(13)

式中，指数n与雷诺数Re有关，根据Re的不同，可取1/6、1/7、1/10等。同理，紊流状态下平均面流速与平均线流速之间的关系可以表示为

(14)

3 系统试验与结果分析

数据监测系统采集频率为5 min一次，图5为某天(00:00—24:00)水源侧和用户侧供/回水温度及瞬时流量。从图中可以看出，水源侧的供水温度基本不变，稳定在16.2 ℃左右，水源侧回水温度在13.3～14.7 ℃之间变化；用户侧的供水温度在39.5～41.5 ℃之间变化，用户侧回水温度维持在36.5 ℃左右。测试数据表明，在同一时刻，用户侧供水温度的升高会引起水源侧回水温度的下降，两者温度的变化与用户热负荷密切相关。通过抽样测试表明，该方法能补偿零点漂移和线性化因子引起的温度测量误差，测量误差不超过1%。

图5 热泵系统温度曲线

由图6可知，水源侧深井泵铭牌参数的总流量为230 m3/h，与实测值220～233 m3/h基本吻合。用户侧实测流量的变化范围为399～416 m3/h，小于额定流量440 m3/h。通过统计数据可以发现，该方法能有效补偿温度对声速和流量计算的影响，可以有效补偿层流和紊流流场的流速误差，但在层流和紊流的过渡区域，流速计算较为复杂，补偿后流速计算误差稍大，但总体误差不超过1.3%。

图6 热泵机组流量曲线

4 结 语

本文设计并实现了地源热泵的数据采集系统，实现了热泵系统的温度、流量等参数测量和补偿。通过数据监测与分析，获取了准确的温度和流量数据，为可再生能源建筑应用示范项目提供了可靠的数据支持和技术储备。

[1] 马辰,姜周曙,黄国辉,等.地源热泵远程监测与能耗分析系统开发[J].可再生能源,2013,31(4):90-93.

[2] TAWACKOLIAN K,BÜKER O,HOGENDOORN J,et al.Calibration of an ultrasonic flow meter for hot water[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,30(30):166-173.

[3] 郭梁雨,郝斌,刘幼农.地源热泵示范项目数据监测系统的构建分析和应用[J].暖通空调,2011,41(1):99-103.

[4] 白文峰,尹朋.汽车车内空气质量智能控制系统开发[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2017,32(3):31-34.

[5] 马帅旗.惯性测量单元误差标定[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2015,31(5):31-35.

[6] 杨宾,顾吉浩,王琳,等.地源热泵数据监测系统在迁安市某住宅小区中的应用[J].河北工业大学学报,2015,44(3):79-83.

[7] 廖深瓶,佘乾仲,朱惠英.地源热泵系统远程监控的设计与试验分析[J].建筑节能,2013,41(9):53-56.

[8] 陈超林,蒙艳玫,庞海锋,等.地源热泵能耗监测系统的研发[J].广西大学学报(自然科学版),2010,35(2):277-281.

[9] 秦伟,刘东,李娟.水源热泵能耗在线监测系统设计[J].陕西理工学院学报(自然科学版),2017,33(1):33-38.

[10] 杜帅帅.一种高精度温度测量系统设计[J].轻工机械,2016,34(3):61-64.

[11] 国家质量监督检验检疫总局.标准铂电阻温度计检定规程:JJG 160—2007[S].北京:中国计量出版社,2007.

[12] 赵文明,邵仙鹤,王玲,等.超声波流量测量影响因素的研究[J].自动化仪表,2012,33(9):80-82.

[13] 国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.声学水声换能器测量:GB/T 7965—2002[S].北京:中国质检出版社,2002.

[14] 葛辉,隋修武,王硕,等.超声波流量测量的误差分析与补偿方法研究[J].传感器与微系统,2015,34(10):38-40.

[责任编辑：魏 强]

Research on error compensation and data measure algorithm in ground-source heat pump system

BAO Cun-hui

(School of Electrical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

As to the problem of inaccurate monitoring data in existing ground-source heat pump system, an error compensation algorithm for water temperature and flow measurement in ground-source heat pump system was proposed. First, a ground-source heat pump monitoring system was set up, and then the water temperature and flow data of ground source, heat pump unit and the user side was obtained in realtime, and then the main factors for temperature and flow measurement were analyzed. At last the zero drift and linearization factors of temperature were calibrated, and the ultrasonic transmission speed and the fluid velocity error were compensated. The experimental results show that this method can obtain precise running parameters of ground-source heat pump system, and temperature is no more than 0.2 ℃, and water flow is no more than 1.3%. It can provide data support and experience reserve for ground-source heat pump system.

ground-source heat pump; flow field; RS485; temperature compensation; flow compensation

2096-3998(2017)04-0029-05

2017-04-15

2017-05-09

陕西省科技厅工业攻关项目(2016GY-070)

鲍存会(1976—)，女，陕西省眉县人，陕西理工大学副教授，硕士，主要研究方向为智能控制技术。

TP274; TK529

A