专利名称：基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于地源热泵空调监控技术领域，涉及混合式地源热泵中央空调系统，尤其是涉及一种基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统。
背景技术：
由于各地的气候、土壤特性及建筑类型的差异性，单一的地源热泵系统往往不能适用，因而需要因地制宜，综合运用太阳能、风能、地表水、浅层地热能等能源来建立最适宜的暖通空调系统解决方案。这类设计方案的最大问题在于后期的运行控制，针对不同条件， 需要选用节能性、经济性、舒适性、可靠性俱佳的运行控制策略。但是，地源热泵的监控系统研究还未引起足够重视，纵观国内外研究现状，地源热泵混合系统的监测及控制技术发展均不够完善。目前，国内关于地源热泵混合系统的监测及控制还只处在初步探索阶段，已有的成果都存在一定的不足之处。中国专利文献公开了一种地源热泵中央空调远程信息监控系统及其方法[申请号CN200910089636. 7]，该系统由中央空调机组数据采集站、系统网络和监测中心组成，中央空调机组数据采集站负责采集中央空调机组运行的实时参数，并经由系统网络，传输至监测中心。该方案还同时提出了一种利用上述系统对中央空调机组进行监测的方法。上述方案实现了对中央空调系统运行参数的集中监视和控制，可以做到现场无人值守，提高企业的经济效益。然而，上述方案主要针对单一的地源热泵空调系统，而实际工程应用中，较多采用混合式地源热泵系统，故该发明的实际推广意义不大。张晓力等人在《基于WebAccess的地源热泵远程监控系统研究与实现》中提出了通过控制器、触摸屏技术及网际组态软件技术的应用解决传统地源热泵监控，该方法提高了系统的自动化程度，提升了人机交互方面的能力，使用户可以根据实际需要来运行系统。 宋振龙等人在《基于LabVIEW的地源热泵机组设备远程监控系统》中提出利用LabVIEW实现地源热泵机组设备的远程监控系统，此远程监测控制系统具有操作方便、灵活可升级等优点，用户不再用电话报告机组数据，大大提高了工作效率。但两种控制方法都是针对单一地源热泵空调系统的监控方法，推广意义不大，且均没有给出地源热泵系统运行状况的评估方法，故很难达到系统的控制目标。
发明内容本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种能够实现实时调整，把把握最佳调整时间的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统。为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案本基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，本监控系统包括能够监测混合式地源热泵工作状况和/ 或混合式地源热泵工作环境的监测子系统，能够获取监测子系统的实时监测数据和/或天气预报数据并依据上述数据预测混合式地源热泵负荷的负荷预测子系统，能够获取监测子系统的历史监测数据和负荷预测子系统的负荷预测数据从而对混合式地源热泵的工作健康状况进行评估的健康评估子系统，所述的健康评估子系统与能够根据健康评估子系统的健康指数控制混合式地源热泵实时调整工作状态的控制子系统相连。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统中，所述的监测子系统包括若干传感器，所述的传感器与通讯设备相连，所述的通讯设备通过有线或无线通讯方式与上位机相连，在上位机上连接有数据存储器。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统中，所述的传感器包括能够检测地埋管流量的流量传感器、能够检测地埋管进出口水温的温度传感器、能够检测地下土壤温度的温度传感器、能够检测室外温度的温度传感器和能够检测室外湿度的湿度传感器中的任意一种或多种。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统中，所述的负荷预测子系统包括负荷预测模块，在负荷预测模块上连接有天气预报输入模块和上述的数据存储器， 所述的数据存储器与健康评估子系统相连。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统中，所述的监测子系统还包括能够检测辅助冷热源在单位时间内累积开启时间的计时模块，所述的计时模块与数据存储器相连接。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统中，所述的控制子系统分别与热泵机组、地埋管的地埋管投切机构和辅助冷热源的辅助冷热源投切机构相连，所述的辅助冷热源包括冷却塔、太阳能设备、冰蓄冷设备和地表水设备中的任意一种或多种。一种基于健康评估技术的混合式地源热泵监控方法，其特征在于，由监测子系统定期采集混合式地源热泵各项数据和/或混合式地源热泵工作环境各项数据并存入数据存储器；由负荷预测子系统定期提取数据存储器中的监测子系统采集到的历史检测数据并结合天气预报信息进行负荷预测，然后将负荷预测数据存入上述数据存储器；由健康评估子系统定期从数据存储器中提取监测子系统采集到的实时检测数据进行各项评估然后将健康指数存入数据存储器；控制子系统定期访问数据存储器并根据健康评估子系统的健康指数和负荷预测子系统生成的负荷预测数据对混合式地源热泵做出相应的控制。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控方法中，所述的负荷预测子系统根据监测子系统采集的数据，得出当天混合式地源热泵的换热量 = CpV(Tni-Tno)；其中，I为当天地源侧换热量；Cp为水的比热和密度的乘积；Tni为地源侧进水温度；τη。为地源侧出水温度；νη为地源侧流量；然后结合天气预报信息预测下一个工作日的混合式地源热泵的换热量 Q *Tempt nf ^
rj^n("+O/ ^ A1
= ~Tempn~ * w ;其中，Q(n+1)f为下一个工作日的地源热泵的换热量预测值从为当天地源侧换热量；Temp(n+1)f为第二天天气预报的代表温度；Temp(n+1)f为预报当日最高温度与最低温度的平均值；Cw为下一个工作日天气因素修正系数，其中大雨时Cw不大于0. 75，中雨时Cw不大于0. 8，小雨时Cw不大于0. 85，阴天时Cw不大于0. 9，多云时Cw不大于0. 95，晴天时Cw为1。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控方法中，所述的健康指数满分为100分且分值越高代表混合式地源热泵越健康，健康指数的计算公式为
4[0018]hsIOO为短期变动项，Tob为最佳出口温度，夏季为22-28，冬季为12_18 ；Tow
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为最差出口温度，夏季为观-32，冬季为4-6 ；Tno为当前出口温度； O -OK『+1>/iliIOO为负荷变动项，I为当前工作日负荷，Q(n+1)f为下一个工作日负荷预测值；Irllm 为长期变动项，T' ns为上一年同期的土壤温度，Tns为当前的土壤温
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度，Tnsb为最佳土壤温度，夏季为14-16，冬季为M-26 ； 24-t￡^1*100为辅助冷热源变动项，tnf为M小时内辅助冷热源累积开启时间；上述的Ct、C,、C ‘ ts和Cf分别为短期变动项、负荷变动项、长期变动项和辅助冷热源变动项的权重因子，上述的ct、Cq, C' ts和Cf之和为1，且0. 4彡Ct彡0. 5、 0. 25 ^ Cq ^ 0. 35,0. 15 ^ C' ts 彡 0. 25,0. 05 ^ Cf ^ 0. 15。在上述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控方法中，所述的控制子系统根据混合式地源热泵的设计要求确定控制策略，并依据健康指数和控制策略实时调节混合式地源热泵的运行。与现有的技术相比，本基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统的优点在于能够通过对混合式地源热泵进行监测和控制，动态调整系统的运行，使系统在各种情况下能达到设计参数并以最可靠的模式运行，保证系统的使用效果，提高系统的自动化水平， 降低管理劳动强度。保证系统长期运行条件下的冷热平衡；保证系统在短期运行条件下满足经济性。
图1是本实用新型提供的结构示意图。图中，监测子系统1、通讯设备10、流量传感器11、温度传感器12、湿度传感器13、 负荷预测子系统2、负荷预测模块21、天气预报输入模块22、健康评估子系统3、控制子系统 4、上位机5、数据存储器6、计时模块7、热泵机组A、地埋管B、地埋管投切机构Bi、辅助冷热源C、辅助冷热源投切机构CO、冷却塔Cl、太阳能设备C2、冰蓄冷设备C3、地表水设备C4。
具体实施方式
如图1所示，本基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统包括能够监测混合式地源热泵工作状况和/或混合式地源热泵工作环境的监测子系统1，能够获取监测子系统1的实时监测数据和/或天气预报数据并依据上述数据预测混合式地源热泵负荷的负荷预测子系统2，能够获取监测子系统1的历史监测数据和负荷预测子系统2的负荷预测数据从而对混合式地源热泵的工作健康状况进行评估的健康评估子系统3。健康评估子系统 3与能够根据健康评估子系统3的健康指数控制混合式地源热泵实时调整工作状态的控制子系统4相连。即，本实用新型由四个子系统组成，分别是监测子系统1，健康评估子系统3，负荷预测子系统2以及控制子系统4。混合式地源热泵工作环境包括地下土壤温度、室外温度、湿度等。为了保证地埋管换热器的正常运行，地下土壤的温度需在合理范围内，尤其是埋管中心区域，必须及时采集各个测点的温度，流量，得到土壤的温度场，进出口水温以及辅助冷热源的相关参数。监测子系统1包括若干传感器，所述的传感器与通讯设备10相连， 所述的通讯设备10通过有线或无线通讯方式与上位机5相连，在上位机5上连接有数据存储器6。传感器包括能够检测地埋管流量的流量传感器11、能够检测地埋管进出口水温的温度传感器12、能够检测地下土壤温度的温度传感器12、能够检测室外温度的温度传感器 12和能够检测室外湿度的湿度传感器13中的任意一种或多种。由于地源热泵空调存在热累积效应，长时间连续运行会导致运行效率下降，而适时采用辅助冷热源则会大大提高系统的整体运行效率。因此必须合理安排运行时间，根据负荷的高低进行优化控制。这就需要系统能通过各种数据准确预测负荷，以便更好地调节地源热泵。负荷预测子系统2包括负荷预测模块21，在负荷预测模块21上连接有天气预报输入模块22和上述的数据存储器6，所述的数据存储器6与健康评估子系统3相连。监测子系统1还包括能够检测辅助冷热源C在单位时间内累积开启时间的计时模块7，所述的计时模块7通过通讯设备10与数据存储器6相连接。控制子系统4分别与热泵机组A、地埋管B的地埋管投切机构Bl和辅助冷热源C的辅助冷热源投切机构CO相连，所述的辅助冷热源C包括冷却塔Cl、太阳能设备C2、冰蓄冷设备C3和地表水设备C4中的任意一种或多种。基于健康评估技术的混合式地源热泵监控方法由监测子系统1定期采集混合式地源热泵各项数据和/或混合式地源热泵工作环境各项数据并存入数据存储器6 ；由负荷预测子系统2定期提取数据存储器6中的监测子系统1采集到的历史检测数据并结合天气预报信息进行负荷预测，然后将负荷预测数据存入上述数据存储器6 ；由健康评估子系统3 定期从数据存储器6中提取监测子系统1采集到的实时检测数据进行各项评估然后将健康指数存入数据存储器6 ；控制子系统4定期访问数据存储器6并根据健康评估子系统3的健康指数和负荷预测子系统2生成的负荷预测数据对混合式地源热泵做出相应的控制。负荷预测子系统2根据监测子系统1采集的数据，得出当天混合式地源热泵的换热量Qn = CpV(Tni-Tntj)；其中，&为当天地源侧换热量；CP为水的比热和密度的乘积；Tni为地源侧进水温度；τη。为地源侧出水温度；νη为地源侧流量；然后结合天气预报信息预测下一个工作日的混合式地源热泵的换热量 n Q:Temp(n+l)f
2(-1)/ - Tempn * w;其中，Q(n+1)f为下一个工作日的地源热泵的换热量预测值；化为当天地源侧换热量；Temp(n+1)f为第二天天气预报的代表温度；Temp(n+1)f为预报当日最高温度与最低温度的平均值；Cw为下一个工作日天气因素修正系数，其中大雨时Cw不大于0. 75，中雨时Cw不大于0. 8，小雨时Cw不大于0. 85，阴天时Cw不大于0. 9，多云时Cw不大于0. 95，晴天时Cw为1。 本实施例中，Cw为大雨0. 75，中雨0. 8，小雨0. 85，阴天0. 9，多云0. 95，晴天1。健康评估子系统3是本实用新型的核心部分。对于大型混合式地源热泵系统的控制，必须动态的渐进的控制，以达到地下温度场的平衡，必须通过实时的健康评估来确定地源热泵系统的健康状况，进而采取及时有效的控制措施保障系统的正常高效运行。本实施例引入健康指数来表征地源热泵系统的运行状况，满分100分，分值越高代表系统越健康。健康指数的计算公式为Hn+l = ^i^^ooc, +*ιοο + I^lmb nooc;+^^nooc{；其中
为短期变动项，T。b为最佳出口温度，夏季为22-28，冬季为12-18 ;1 为最差出
ow ob
口温度，夏季为观-32，冬季为4-6 ;Tn。为当前出口温度； O O*100为负荷变动项，I为当前工作日负荷，Q(n+1)f为下一个工作日负荷预测值；H *100为长期变动项，T' ns为上一年同期的土壤温度，Tns为当前的土壤温
丄 ns nsb
度，Tnsb为最佳土壤温度，夏季为14-16，冬季为M-26 24-t^biln00为辅助冷热源变动项，tnf为M小时内辅助冷热源9累积开启时间；上述的Ct、Cq, C'。和Cf分别为短期变动项、负荷变动项、长期变动项和辅助冷热源变动项的权重因子，上述的ct、Cq, C' ts和Cf之和为1，且0. 4彡Ct彡0. 5、 0. 25 ^ Cq^ 0. 35,0. 15 ^ C' ts 彡 0. 25、0. 05 彡 Cf 彡 0. 15。本实施例中，CpCpC' ts 和 Cf分别为0. 4,0. 3、0. 2和0. 1。更具体地说，地源热泵系统的健康指数包含四个指标，其中第一项为短期变动项，根据源侧出水温度的短期变动来评价地源热泵系统的健康情况。T。b*最佳出口温度，一般夏季为沈，冬季为15 ；T。w为最差出口温度，一般夏季为31， 冬季为5 ;Tn。为当前出口温度；第二项为负荷变动项，根据负荷预测子系统预测出下一个工作日的负荷来表征系统的负荷变动情况。t为当前工作日负荷，下一个工作日负荷预测值；第三项为长期变动项，根据地下土壤温度场的长期变动情况评价埋管换热器健康情况；T' ns为上一年同期的土壤温度，Tns为当前的土壤温度；Tnsb为最佳土壤温度，一般夏季为15，冬季为25第四项为辅助冷热源变动项。控制子系统4根据混合式地源热泵的设计要求确定控制策略，并依据健康指数和控制策略实时调节混合式地源热泵的运行。控制子系统4的硬件组成主要包括上位机，可编程控制器，以及电磁阀、水泵等受控设备。由工控机发出指令并通过现场控制器对各类设备进行实时控制。一般地，当地源热泵健康指数较低则启用辅助冷(热)源，且健康指数越低，辅助冷热源承担的制冷(制热)份额越大。在制冷工况中，健康指数较低则启用辅助冷源，如冷却塔、冰蓄冷或者风冷热泵等；在制热工况中，健康指数较低则启用辅助热源，如太阳能、锅炉或者风冷热泵等。工作流程如下1、设定 Ct、Cq, Cf、T。w、T。b、C P、Tnsb 和 Cw ；2、从数据存储器6读取地源侧出水温度Tn。，地源侧进水温度Tni，地源侧流量Vn、Q(n-i)、Qn> Temp(n+1)f, T ‘ ns、Tns,计算 Qn = C P V (Tni-Tno)； 3、预测 n+1 曰的负荷
权利要求1.一种基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，本监控系统包括能够监测混合式地源热泵工作状况和/或混合式地源热泵工作环境的监测子系统(1)，能够获取监测子系统(1)的实时监测数据和/或天气预报数据并依据上述数据预测混合式地源热泵负荷的负荷预测子系统O)，能够获取监测子系统(1)的历史监测数据和负荷预测子系统O)的负荷预测数据从而对混合式地源热泵的工作健康状况进行评估的健康评估子系统(3)，所述的健康评估子系统( 与能够根据健康评估子系统( 的健康指数控制混合式地源热泵实时调整工作状态的控制子系统(4)相连。
2.根据权利要求1所述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，所述的监测子系统(1)包括若干传感器，所述的传感器与通讯设备(10)相连，所述的通讯设备(10)通过有线或无线通讯方式与上位机( 相连，在上位机( 上连接有数据存储器(6)。
3.根据权利要求2所述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，所述的传感器包括能够检测地埋管流量的流量传感器(11)、能够检测地埋管进出口水温的温度传感器(12)、能够检测地下土壤温度的温度传感器(12)、能够检测室外温度的温度传感器(1 和能够检测室外湿度的湿度传感器(1 中的任意一种或多种。
4.根据权利要求2或3所述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，所述的负荷预测子系统( 包括负荷预测模块(21)，在负荷预测模块上连接有天气预报输入模块0 和上述的数据存储器(6)，所述的数据存储器(6)与健康评估子系统(3)相连。
5.根据权利要求4所述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，所述的监测子系统(1)还包括能够检测辅助冷热源(C)在单位时间内累积开启时间的计时模块(7)，所述的计时模块(7)与数据存储器(6)相连接。
6.根据权利要求5所述的基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统，其特征在于，所述的控制子系统(4)分别与热泵机组(A)、地埋管(B)的地埋管投切机构(Bi)和辅助冷热源(C)的辅助冷热源投切机构(CO)相连，所述的辅助冷热源(C)包括冷却塔(Cl)、太阳能设备(C2)、冰蓄冷设备(O)和地表水设备(C4)中的任意一种或多种。
专利摘要本实用新型属于地源热泵空调监控技术领域，涉及一种基于健康评估技术的混合式地源热泵监控系统及方法。它解决了现有地源热泵混合系统的监测及控制技术发展均不够完善等技术问题。本监控系统包括监测子系统，负荷预测子系统，健康评估子系统，所述的健康评估子系统与控制子系统相连；本监控方法，由监测子系统采集数据存入数据存储器；由负荷预测子系统提取监测子系统采集数据并负荷预测，再将负荷预测数据存入上述数据存储器；由健康评估子系统将健康指数存入数据存储器；控制子系统做出相应的控制。本实用新型具有合理评估健康状况，提高系统的自动化水平，降低管理劳动强度，保证系统长期运行冷热平衡；保证系统在短期运行条件下满足经济性等优点。
文档编号G05B19/418GK202119044SQ201120249058
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者徐坚 申请人:徐坚