重慶可再生能源建筑應用監測控制系統研發與應用

劉垚，葉強,，董孟能，丁勇，鐘云翔

（1重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400045；2重慶市城鄉建設委員會，重慶400014）

重慶可再生能源建筑應用監測控制系統研發與應用

劉垚1，葉強1,2，董孟能2，丁勇1，鐘云翔1

（1重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400045；2重慶市城鄉建設委員會，重慶400014）

根據重慶市可再生能源建筑應用現狀，結合《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）和《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》，進行重慶市可再生能源建筑應用監測控制系統的研究，得出各類系統的監測指標和監測參數，構建系統性能監測平臺，并進行實際監測平臺的研發應用

可再生能源；建筑應用；監測控制系統

1 監測控制系統建設目的

面對日漸嚴峻的能源形勢和環境狀況，國家近年來大力提倡節能減排，采取各方面政策措施推動節能減排。作為實現節能減排的重要途徑，可再生能源建筑應用建設得到了國家的大力推廣和扶持。作為國家可再生能源應用示范城市，重慶市已有大批可再生能源示范項目建成運行。為了進行重慶市可再生能源應用項目的評價，得出項目應用性能指標，對項目進行評判，實時反映示范項目運行情況，提高系統運行性能和能效，促進可再生能源建筑應用的發展，推進重慶市可再生能源建筑應用示范城市建設，結合重慶市可再生能源建筑應用情況，課題組進行了可再生能源建筑應用系統監測控制系統的研究工作。

2 重慶主要的可再生能源建筑應用形式

重慶可再生能源建筑應用，主要有太陽能熱利用和地源熱泵兩類形式。就前者而言，重慶地區目前已有大規模的太陽能應用工程，尤其是太陽能熱水工程，涵蓋學校、醫院、酒店、住宅等建筑應用，已經形成市級示范項目一個；地源熱泵方面，重慶自2006年開始組織實施地表水源熱泵、地埋管地源熱泵等可再生能源建筑應用試點工作，目前已有若干地源熱泵系統示范工程的開展，地源熱泵技術應用在重慶已呈現規模化的發展勢頭[4]。

基于上述兩類重慶市可再生能源建筑應用的主要形式，課題組對重慶市可再生能源監測控制系統的研究也主要基于太陽能熱水系統和地源熱泵系統的監測控制系統的研究。

3 監測系統的研究

3.1 監測指標和參數的確定

3.1.1 太陽能熱應用系統

太陽能熱應用系統主要為太陽能熱水系統、太陽能空調系統和太陽能光伏系統，本監測系統的研究主要以太陽能熱水系統為主。

（1）監測評價指標

根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）及《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》（試行），結合重慶地區太陽能熱水系統應用實際情況，確定太陽能熱水系統的監測評價指標主要有[5-6]：集熱系統得熱量、貯熱水箱熱損系數、集熱系統效率、太陽能保證率、常規能源替代量（噸標準煤）、項目費效比、環境效益評價。

（2）監測參數和測量方法

以上性能指標可通過其計算式中相應的計算參數獲得。通過對其計算式的分析，要得出太陽能熱水系統的評價指標，需要測量的參數和測量方法如表1所示[5-6]。

（3）其他監測指標

上文所述的太陽能熱水系統應用效果評價指標主要是根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）所確定，但國標的規定是基于全國范圍的太陽能熱水系統的應用，結合到重慶地區地域特點，還需要對其他參數進行測量分析，使得評價參數能更好的反映太陽能熱水系統的應用效果。分析得出其他的監測指標如下[7]。

①冷水溫度

在太陽能熱水工程中，冷水溫度即自來水供水溫度，是一個重要技術參數，當熱水設計溫度一定時，冷水溫度的取值直接關系到系統所需熱量的大小，進而影響工程投資的大小。

②太陽能供熱水溫度

太陽能供熱水溫度的高低對于太陽能熱水應用效果有一定的影響。因此，太陽能熱水監測系統應該進行太陽能供熱水溫度的測量。

③常規能源的消耗

輔助熱源系統常規能源的消耗是太陽能熱水系統的主要耗能部分，其能耗的高低直接影響到整個太陽能熱水系統能耗的高低，故應對太陽能熱水系統中常規能源的消耗進行監測，反映出系統運行過程中的能耗狀況，從而采取一定措施使得太陽能熱水系統能夠高效節能運行。

3.1.2 地源熱泵系統

（1）監測評價指標和方法

根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）及《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》（試行），結合重慶地區地源熱泵系統應用實際情況，確定地源熱泵系統的監測評價性能指標及其監測方法[5-6]。熱泵機組是熱泵系統的重要組成部分，而熱泵系統是熱泵機組（單臺或多臺）、水泵、水處理器等組成，二者的性能系數是評價熱泵系統的主要指標。

①熱泵機組制熱性能系數（COP）、制冷能效比（EER）

熱泵機組性能系數和能效比主要為制熱（冷）量與機組輸入功率的比值，制熱（冷）量所需要監測的主要參數為熱泵機組用戶側進口溫度、出口溫度、用戶側流量；機組輸入功率可直接測量。

②熱泵系統制熱性能系數（COPsys）、制冷能效比（EERsys）

熱泵系統性能系數和能效比主要為系統累計制熱（冷）量與系統輸入功率的比值。系統累計制熱（冷）量所需要監測的主要參數為熱泵系統用戶側進口溫度、出口溫度、用戶側流量；系統輸入功率主要監測參數為機組輸入功率和水泵輸入功率。

③常規能源替代量（噸標準煤）

常規能源替代量為傳統系統總能耗量和地源熱泵系統總能耗量的差值，根據地源熱泵系統用于供暖與制冷兩個方面，可按兩種方法計算。對于供暖和制冷傳統能耗的監測參數主要分別為總制熱量和總制冷量，地源熱泵系統總能耗的監測參數主要為建筑累計熱負荷與累計冷負荷。

④室內溫濕度

通過室內溫濕度的測試，可以計算出系統運行時房間所需的空調負荷，從而與系統所提供的冷熱量相比，得出系統的運行效果。

⑤室外溫度

通過室外溫度的測試，得出室外溫度隨時間的分布情況，從而計算室內負荷隨時間的變化情況。

根據上述監測評價指標的監測參數和方法匯總于表2。

表1 太陽能熱水系統主要監測參數和監測方法

表2 地源熱泵系統主要監測參數和監測方法

（2）其他監測指標

上文所述的地源熱泵系統應用效果評價指標主要是根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）所確定，但國標的規定是基于全國范圍的地源熱泵系統的應用。由于地區之間地理、氣候環境的差異，除了以上國標規定的性能指標監測對象之外，還需要對其他參數進行測量分析，使得評價參數能更好的反映地源熱泵系統的應用效果[4]。

①地表水源熱泵系統

a.水質監測

需要對地表水源熱泵系統進行水質監測，實時了解水體狀況，便于了解和管理水源熱泵系統的運行狀態。

b.取排水能耗

在地表水源熱泵系統中，取排水系統是一個重要組成部分，同時也是一個重要的耗能部分。

②土壤源熱泵系統

a.土壤溫度監測

地埋管地源熱泵系統對環境的影響即是對地下巖土熱環境的影響。通過監測巖土的溫度，了解全年地下換熱器的平衡狀況，并及時采取有效措施防止地埋管換熱器周圍巖土的溫度隨著系統的運行逐年升高或是降低。

3.2 可再生能源應用系統性能監測平臺的構建

數據監測平臺是指通過安裝數據計量和采集裝置，采用遠程數據傳輸手段，實現數據在線、實時監測和動態分析功能的硬件和軟件系統的統稱。監測平臺主要由硬件系統和軟件系統組成[6]。

3.2.1 硬件系統

（1）太陽能熱水系統

太陽能熱水系統數據監測系統由計量監測設備、數據采集裝置和數據中心軟件組成。計量監測設備包括室外溫度傳感器、太陽總輻射傳感器、集熱系統進出水溫度傳感器、集熱系統循環流量傳感器、輔助熱源電表等。

（2）地源熱泵系統

地源熱泵系統數據監測系統由計量監測設備、數據采集裝置和數據中心軟件組成。計量監測設備包括室外溫度傳感器、系統用戶側進出水溫度傳感器、系統熱源側進出水溫度傳感器、系統用戶側循環流量傳感器、系統熱源側循環流量傳感器、系統耗電量監測電表、機組用戶側進出水溫度傳感器、機組熱源側進出水溫度傳感器、機組用戶側循環流量傳感器、機組熱源側循環流量傳感器、機組輸入功率傳感器等。

3.2.2 軟件系統

（1）軟件系統構架

可再生能源監測軟件體系由數據采集、數據傳輸和數據處理與展示等功能組成。

（2）數據采集

數據采集器通過有線（以太網、485總線、Modus總線等）、無線（433通訊等）方式與數據采集通訊模塊進行連接，對于距離較遠的數據采集模塊依據現場情況，加裝有線/無線中繼器連接到數據采集器。

（3）數據傳輸

可再生能源示范項目的數據通過數據采集器傳輸到數據中心。數據采集器提供有線（TCP/IP）方式、無線（GPRS/CDMA等）方式通過Internet傳輸數據到數據中心。

（4）數據中心

數據中心主要是存儲各示范項目的實時監測數據。對示范項目用戶提供B/S結構的數據訪問，可查看項目的系統運行狀況，并統計分析數據。對數據中心用戶，可以提供單個示范項目的查看、不同示范項目的數據統計與對比分析，以及深度數據挖掘等。

（5）用戶訪問

用戶訪問架構：通過Internet連接到數據中心Web服務器，訪問授權的可再生能源項目數據信息。

4 監測平臺的實際應用

可再生能源監測平臺的研究與應用，有利于對示范項目的應用效果進行有效評估，促進示范項目的運行管理。課題研究組根據《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》（試行），構建了重慶市太陽能熱水監測平臺，用于重慶地區太陽能熱水示范項目的數據監測，從而進行重慶市太陽能熱水系統應用效果的評價。

圖1 重慶市太陽能熱水應用監測平臺

4.1監測平臺運行狀態

該平臺已建成投入使用，實現了對重慶市某太陽能光熱建筑應用示范項目的數據監測。主要實現的功能如下：（1）太陽能熱水系統應用性能指標參數的實時在線監測；（2）歷史數據的統計分析；（3）數據報表的導出；（4）建筑信息管理。

通過以上監測功能，實現了對該太陽能熱水項目的實時監測，通過監測數據可知該系統的各項性能狀況、運行狀態良好，實現了節約能源、降低排放的目的。

5 結論

為了反映重慶市可再生能源建筑應用項目的應用效果，提高系統能效，實現節能高效運行，推進重慶市可再生能源應用示范城市的建設，本課題研究根據《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T50801-2013）和《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》（試行），并結合重慶地區可再生能源應用的實際情況，進行了重慶市可再生能源建筑應用性能監測系統的研究。主要得到下述研究成果。

5.1 研究得出各類可再生能源應用系統的監測性能指標

（1）太陽能熱水系統

①常規監測指標：集熱系統得熱量、貯熱水箱熱損系數、集熱系統效率、太陽能保證率、常規能源替代量（噸標準煤）、項目費效比、環境效益評價

②其他監測指標：冷水溫度、太陽能供熱水溫度、常規能源的消耗

（2）地源熱泵系統

①常規監測指標：熱泵機組制熱性能系數（COP）、制冷能效比（EER）、熱泵系統制熱性能系數（COPsys）、制冷能效比（EERsys）、常規能源替代量（噸標準煤）、環境效益評價、經濟效益評價。

②其他監測指標：

a.水源熱泵系統：水質監測、取排水能耗

b.土壤源熱泵系統：土壤溫度監測

5.2 建設可再生能源監測平臺

根據監測性能指標確定監測參數與方法，進行重慶市可再生能源監測平臺的建設，得出可再生能源監測體系。

5.3 太陽能熱水系統監測平臺研發與應用

進行了太陽能熱水系統監測平臺的實際研發應用，用于重慶地區太陽能熱水示范項目的數據監測，進行重慶市太陽能熱水系統應用效果的評價。

[1]重慶市成為可再生能源建筑應用全國示范城市[EB/ OL].(2009-12-8)[2014-6-20].http://www.cq.gov.cn/zwgk/zfxx/ 179930.html.

[2]巫溪縣成功申報國家可再生能源建筑應用示范縣[EB/ OL].(2010-8-4)[2014-6-20].http://www.ccc.gov.cn/xwzx/wgzq/ yjzq/2010-08-04-184179.html.

[3]云陽縣榮獲全國可再生能源建筑應用示范縣[EB/OL]. (2010-11-8)[2014-6-20].http://www.ccc.gov.cn/xwzx/wgzq/yjzq/ 2010-11-08-184319.html.

[4]丁勇，李百戰.重慶地區地源熱泵系統技術應用[M].重慶：重慶大學出版社，2012.

[5]中華人民共和國住房與城鄉建設部.GB/T50801-2013可再生能源建筑應用工程評價標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[6]《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》（試行）[Z].

[7]劉旭.重慶地區太陽能熱水應用適宜性研究[D].重慶：重慶大學，2013

責任編輯：孫蘇

Developmentand Application of Monitoring and Control System of Renewable Energy Sources Applied in Architecture in Chongqing

Based on the currentapplication situation ofrenewable energy architecture in Chongqing,and combined with Evaluation Criteria of Renewable Energy Architecture Application Project（GB/T50801-2013）and Technical Guidelines for Data Monitoring System of Demonstrative Project of Renewable Energy Architecture Application,the study on Monitoring and Control System of Renewable Energy Sources applied in Architecture in Chongqing is carried outand monitoring index and monitoring parameters of differentkinds of monitoring systems are obtained for the systematic performance establishmentand the developmentand application ofmonitoring platform.

renewable energy sources；architecture application；monitoring and controlsystem

TU201.5

A

1671-9107（2014）10-0009-04

基金論文：該論文為“十二五”國家科技支撐計劃課題建筑室內空氣污染監測及運營管理技術研究項目（2012BAJ02B06）、重慶市可再生能源建筑應用城市示范配套能力建設項目論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.009

2014-07-01

劉垚（1991-），男，貴州納雍人，碩士研究生，主要從事太陽能建筑應用技術相關研究。