重庆可再生能源建筑应用监测控制系统研发与应用

刘垚，叶强,，董孟能，丁勇，钟云翔

（1重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045；2重庆市城乡建设委员会，重庆400014）

重庆可再生能源建筑应用监测控制系统研发与应用

刘垚1，叶强1,2，董孟能2，丁勇1，钟云翔1

（1重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045；2重庆市城乡建设委员会，重庆400014）

根据重庆市可再生能源建筑应用现状，结合《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）和《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》，进行重庆市可再生能源建筑应用监测控制系统的研究，得出各类系统的监测指标和监测参数，构建系统性能监测平台，并进行实际监测平台的研发应用

可再生能源；建筑应用；监测控制系统

1 监测控制系统建设目的

面对日渐严峻的能源形势和环境状况，国家近年来大力提倡节能减排，采取各方面政策措施推动节能减排。作为实现节能减排的重要途径，可再生能源建筑应用建设得到了国家的大力推广和扶持。作为国家可再生能源应用示范城市，重庆市已有大批可再生能源示范项目建成运行。为了进行重庆市可再生能源应用项目的评价，得出项目应用性能指标，对项目进行评判，实时反映示范项目运行情况，提高系统运行性能和能效，促进可再生能源建筑应用的发展，推进重庆市可再生能源建筑应用示范城市建设，结合重庆市可再生能源建筑应用情况，课题组进行了可再生能源建筑应用系统监测控制系统的研究工作。

2 重庆主要的可再生能源建筑应用形式

重庆可再生能源建筑应用，主要有太阳能热利用和地源热泵两类形式。就前者而言，重庆地区目前已有大规模的太阳能应用工程，尤其是太阳能热水工程，涵盖学校、医院、酒店、住宅等建筑应用，已经形成市级示范项目一个；地源热泵方面，重庆自2006年开始组织实施地表水源热泵、地埋管地源热泵等可再生能源建筑应用试点工作，目前已有若干地源热泵系统示范工程的开展，地源热泵技术应用在重庆已呈现规模化的发展势头[4]。

基于上述两类重庆市可再生能源建筑应用的主要形式，课题组对重庆市可再生能源监测控制系统的研究也主要基于太阳能热水系统和地源热泵系统的监测控制系统的研究。

3 监测系统的研究

3.1 监测指标和参数的确定

3.1.1 太阳能热应用系统

太阳能热应用系统主要为太阳能热水系统、太阳能空调系统和太阳能光伏系统，本监测系统的研究主要以太阳能热水系统为主。

（1）监测评价指标

根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）及《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》（试行），结合重庆地区太阳能热水系统应用实际情况，确定太阳能热水系统的监测评价指标主要有[5-6]：集热系统得热量、贮热水箱热损系数、集热系统效率、太阳能保证率、常规能源替代量（吨标准煤）、项目费效比、环境效益评价。

（2）监测参数和测量方法

以上性能指标可通过其计算式中相应的计算参数获得。通过对其计算式的分析，要得出太阳能热水系统的评价指标，需要测量的参数和测量方法如表1所示[5-6]。

（3）其他监测指标

上文所述的太阳能热水系统应用效果评价指标主要是根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）所确定，但国标的规定是基于全国范围的太阳能热水系统的应用，结合到重庆地区地域特点，还需要对其他参数进行测量分析，使得评价参数能更好的反映太阳能热水系统的应用效果。分析得出其他的监测指标如下[7]。

①冷水温度

在太阳能热水工程中，冷水温度即自来水供水温度，是一个重要技术参数，当热水设计温度一定时，冷水温度的取值直接关系到系统所需热量的大小，进而影响工程投资的大小。

②太阳能供热水温度

太阳能供热水温度的高低对于太阳能热水应用效果有一定的影响。因此，太阳能热水监测系统应该进行太阳能供热水温度的测量。

③常规能源的消耗

辅助热源系统常规能源的消耗是太阳能热水系统的主要耗能部分，其能耗的高低直接影响到整个太阳能热水系统能耗的高低，故应对太阳能热水系统中常规能源的消耗进行监测，反映出系统运行过程中的能耗状况，从而采取一定措施使得太阳能热水系统能够高效节能运行。

3.1.2 地源热泵系统

（1）监测评价指标和方法

根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）及《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》（试行），结合重庆地区地源热泵系统应用实际情况，确定地源热泵系统的监测评价性能指标及其监测方法[5-6]。热泵机组是热泵系统的重要组成部分，而热泵系统是热泵机组（单台或多台）、水泵、水处理器等组成，二者的性能系数是评价热泵系统的主要指标。

①热泵机组制热性能系数（COP）、制冷能效比（EER）

热泵机组性能系数和能效比主要为制热（冷）量与机组输入功率的比值，制热（冷）量所需要监测的主要参数为热泵机组用户侧进口温度、出口温度、用户侧流量；机组输入功率可直接测量。

②热泵系统制热性能系数（COPsys）、制冷能效比（EERsys）

热泵系统性能系数和能效比主要为系统累计制热（冷）量与系统输入功率的比值。系统累计制热（冷）量所需要监测的主要参数为热泵系统用户侧进口温度、出口温度、用户侧流量；系统输入功率主要监测参数为机组输入功率和水泵输入功率。

③常规能源替代量（吨标准煤）

常规能源替代量为传统系统总能耗量和地源热泵系统总能耗量的差值，根据地源热泵系统用于供暖与制冷两个方面，可按两种方法计算。对于供暖和制冷传统能耗的监测参数主要分别为总制热量和总制冷量，地源热泵系统总能耗的监测参数主要为建筑累计热负荷与累计冷负荷。

④室内温湿度

通过室内温湿度的测试，可以计算出系统运行时房间所需的空调负荷，从而与系统所提供的冷热量相比，得出系统的运行效果。

⑤室外温度

通过室外温度的测试，得出室外温度随时间的分布情况，从而计算室内负荷随时间的变化情况。

根据上述监测评价指标的监测参数和方法汇总于表2。

表1 太阳能热水系统主要监测参数和监测方法

表2 地源热泵系统主要监测参数和监测方法

（2）其他监测指标

上文所述的地源热泵系统应用效果评价指标主要是根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）所确定，但国标的规定是基于全国范围的地源热泵系统的应用。由于地区之间地理、气候环境的差异，除了以上国标规定的性能指标监测对象之外，还需要对其他参数进行测量分析，使得评价参数能更好的反映地源热泵系统的应用效果[4]。

①地表水源热泵系统

a.水质监测

需要对地表水源热泵系统进行水质监测，实时了解水体状况，便于了解和管理水源热泵系统的运行状态。

b.取排水能耗

在地表水源热泵系统中，取排水系统是一个重要组成部分，同时也是一个重要的耗能部分。

②土壤源热泵系统

a.土壤温度监测

地埋管地源热泵系统对环境的影响即是对地下岩土热环境的影响。通过监测岩土的温度，了解全年地下换热器的平衡状况，并及时采取有效措施防止地埋管换热器周围岩土的温度随着系统的运行逐年升高或是降低。

3.2 可再生能源应用系统性能监测平台的构建

数据监测平台是指通过安装数据计量和采集装置，采用远程数据传输手段，实现数据在线、实时监测和动态分析功能的硬件和软件系统的统称。监测平台主要由硬件系统和软件系统组成[6]。

3.2.1 硬件系统

（1）太阳能热水系统

太阳能热水系统数据监测系统由计量监测设备、数据采集装置和数据中心软件组成。计量监测设备包括室外温度传感器、太阳总辐射传感器、集热系统进出水温度传感器、集热系统循环流量传感器、辅助热源电表等。

（2）地源热泵系统

地源热泵系统数据监测系统由计量监测设备、数据采集装置和数据中心软件组成。计量监测设备包括室外温度传感器、系统用户侧进出水温度传感器、系统热源侧进出水温度传感器、系统用户侧循环流量传感器、系统热源侧循环流量传感器、系统耗电量监测电表、机组用户侧进出水温度传感器、机组热源侧进出水温度传感器、机组用户侧循环流量传感器、机组热源侧循环流量传感器、机组输入功率传感器等。

3.2.2 软件系统

（1）软件系统构架

可再生能源监测软件体系由数据采集、数据传输和数据处理与展示等功能组成。

（2）数据采集

数据采集器通过有线（以太网、485总线、Modus总线等）、无线（433通讯等）方式与数据采集通讯模块进行连接，对于距离较远的数据采集模块依据现场情况，加装有线/无线中继器连接到数据采集器。

（3）数据传输

可再生能源示范项目的数据通过数据采集器传输到数据中心。数据采集器提供有线（TCP/IP）方式、无线（GPRS/CDMA等）方式通过Internet传输数据到数据中心。

（4）数据中心

数据中心主要是存储各示范项目的实时监测数据。对示范项目用户提供B/S结构的数据访问，可查看项目的系统运行状况，并统计分析数据。对数据中心用户，可以提供单个示范项目的查看、不同示范项目的数据统计与对比分析，以及深度数据挖掘等。

（5）用户访问

用户访问架构：通过Internet连接到数据中心Web服务器，访问授权的可再生能源项目数据信息。

4 监测平台的实际应用

可再生能源监测平台的研究与应用，有利于对示范项目的应用效果进行有效评估，促进示范项目的运行管理。课题研究组根据《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》（试行），构建了重庆市太阳能热水监测平台，用于重庆地区太阳能热水示范项目的数据监测，从而进行重庆市太阳能热水系统应用效果的评价。

图1 重庆市太阳能热水应用监测平台

4.1监测平台运行状态

该平台已建成投入使用，实现了对重庆市某太阳能光热建筑应用示范项目的数据监测。主要实现的功能如下：（1）太阳能热水系统应用性能指标参数的实时在线监测；（2）历史数据的统计分析；（3）数据报表的导出；（4）建筑信息管理。

通过以上监测功能，实现了对该太阳能热水项目的实时监测，通过监测数据可知该系统的各项性能状况、运行状态良好，实现了节约能源、降低排放的目的。

5 结论

为了反映重庆市可再生能源建筑应用项目的应用效果，提高系统能效，实现节能高效运行，推进重庆市可再生能源应用示范城市的建设，本课题研究根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）和《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》（试行），并结合重庆地区可再生能源应用的实际情况，进行了重庆市可再生能源建筑应用性能监测系统的研究。主要得到下述研究成果。

5.1 研究得出各类可再生能源应用系统的监测性能指标

（1）太阳能热水系统

①常规监测指标：集热系统得热量、贮热水箱热损系数、集热系统效率、太阳能保证率、常规能源替代量（吨标准煤）、项目费效比、环境效益评价

②其他监测指标：冷水温度、太阳能供热水温度、常规能源的消耗

（2）地源热泵系统

①常规监测指标：热泵机组制热性能系数（COP）、制冷能效比（EER）、热泵系统制热性能系数（COPsys）、制冷能效比（EERsys）、常规能源替代量（吨标准煤）、环境效益评价、经济效益评价。

②其他监测指标：

a.水源热泵系统：水质监测、取排水能耗

b.土壤源热泵系统：土壤温度监测

5.2 建设可再生能源监测平台

根据监测性能指标确定监测参数与方法，进行重庆市可再生能源监测平台的建设，得出可再生能源监测体系。

5.3 太阳能热水系统监测平台研发与应用

进行了太阳能热水系统监测平台的实际研发应用，用于重庆地区太阳能热水示范项目的数据监测，进行重庆市太阳能热水系统应用效果的评价。

[1]重庆市成为可再生能源建筑应用全国示范城市[EB/ OL].(2009-12-8)[2014-6-20].http://www.cq.gov.cn/zwgk/zfxx/ 179930.html.

[2]巫溪县成功申报国家可再生能源建筑应用示范县[EB/ OL].(2010-8-4)[2014-6-20].http://www.ccc.gov.cn/xwzx/wgzq/ yjzq/2010-08-04-184179.html.

[3]云阳县荣获全国可再生能源建筑应用示范县[EB/OL]. (2010-11-8)[2014-6-20].http://www.ccc.gov.cn/xwzx/wgzq/yjzq/ 2010-11-08-184319.html.

[4]丁勇，李百战.重庆地区地源热泵系统技术应用[M].重庆：重庆大学出版社，2012.

[5]中华人民共和国住房与城乡建设部.GB/T50801-2013可再生能源建筑应用工程评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[6]《可再生能源建筑应用示范项目数据监测系统技术导则》（试行）[Z].

[7]刘旭.重庆地区太阳能热水应用适宜性研究[D].重庆：重庆大学，2013

责任编辑：孙苏

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

基金论文：该论文为“十二五”国家科技支撑计划课题建筑室内空气污染监测及运营管理技术研究项目（2012BAJ02B06）、重庆市可再生能源建筑应用城市示范配套能力建设项目论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.10.009

2014-07-01

刘垚（1991-），男，贵州纳雍人，硕士研究生，主要从事太阳能建筑应用技术相关研究。