天津市地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

薛增驍，趙莉莉

天津市地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

薛增驍，趙莉莉

（天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061）

近年來，地源熱泵技術(shù)飛速發(fā)展。為及時準確地掌握地源熱泵的灌采平衡情況，天津市水文水資源勘測管理中心建設(shè)了地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了天津市地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成，對系統(tǒng)工作原理進行了剖析，并對目前該系統(tǒng)應(yīng)用情況進行了詳細描述，最后對系統(tǒng)的優(yōu)勢進行了總結(jié)。

天津；地源熱泵；遙測監(jiān)控；研究應(yīng)用

隨著天津市工業(yè)、經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源需求越來越高，節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用越來越迫切。國家強調(diào)可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展低碳經(jīng)濟[1]。地源熱泵技術(shù)節(jié)能作用明顯，有巨大的發(fā)展前景。但由于研究和應(yīng)用的時間比較短，此項新技術(shù)對水環(huán)境的影響還有待進一步認識，需要長時間積累大量的數(shù)據(jù)，進行分析和評估[2]。為了及時準確地提供地源熱泵采水、回灌和排水的動態(tài)信息，促進地下水資源的合理開發(fā)和有效保護，天津市水文水資源勘測管理中心建設(shè)了地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)，以便更加全面地了解地源熱泵的運行狀況，加強地源熱泵運行資料的收集和調(diào)查研究，深化水資源分析論證力度，為城市經(jīng)濟發(fā)展和地下水開發(fā)、利用和保護工作作出貢獻。

1 地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)主要以天津市水文水資源勘測管理中心管理的地源熱泵機井組為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)對地源熱泵機井信息進行現(xiàn)代化管理和自動化數(shù)據(jù)采集為建設(shè)目標，對地源熱泵機井水量運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、存儲和處理為重點，采用遙測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機技術(shù)，緊密結(jié)合地源熱泵機井管理需求，實現(xiàn)地源熱泵機井運行信息采集自動化、處理標準化、分析科學化、管理規(guī)范化，為掌握和了解地源熱泵機井運行狀況提供科學依據(jù)。

系統(tǒng)由中心站、現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信終端（RTU）、超聲波水表及公共電信網(wǎng)組成，并具有完善的水量處理分析軟件（值守子系統(tǒng)和水量監(jiān)測系統(tǒng)）。其中，水表負責采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)以脈沖信號的方式發(fā)送給RTU終端，RTU終端通過移動網(wǎng)絡(luò)每天以短信的形式定時向中心站上報。中心站的值守子系統(tǒng)負責解析短信報文，為水量監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計分析做數(shù)據(jù)準備。這種工作模式適用于地下水水量監(jiān)測，亦可應(yīng)用于一般的企業(yè)用水量遙測。

2 地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測原理分析

地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，利用公共電信網(wǎng)通信技術(shù)（移動GSM短消息傳輸）進行數(shù)據(jù)傳輸，使中心站與現(xiàn)場站之間建立方便、安全、可靠的數(shù)據(jù)通信。水表安裝在取、回、排管道上，通過超聲波束計算水量。水量一方面顯示在水表計數(shù)器上，一方面以脈沖方式傳送至遙測終端記錄。遙測終端即時記錄、累計水量、水溫、流量，并按照中心站指示傳輸水量數(shù)據(jù)。中心站的值守子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)校核并存入電腦數(shù)據(jù)庫，水量監(jiān)測系統(tǒng)按照熱泵組進行取水、回灌、排水和回灌率等計算處理，完成地下水灌采平衡分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采用超聲波水表采集。該水表是通過檢測超聲波聲束在水中順流逆流傳播時因速度發(fā)生變化產(chǎn)生時差，分析處理得出水的流速，從而進一步計算出水流量的一種新式水表。流量測量采用時間差法，即超聲波脈沖在流體中順流傳播時間T1和逆流傳播時間T2的差值來測量流體流速，從而計算出管道內(nèi)流體的流量?；居嬃吭恚鐖D2所示。

從圖2可以看到，有2個換能器，即順流換能器和逆流換能器，分別安裝在流體管段的兩側(cè)并相距一段距離L，超聲波傳播的距離為L，超聲波順流傳播的時間為T1，超聲波逆流傳播的時間為T2，超聲波傳播的方向和水流方向成角度θ。由于水的流動，超聲波順流傳播L距離的時間比逆流傳播L距離時間要短，假設(shè)水流速為V，超聲波逆流和順流傳播的時間差為：

圖2 水表計量原理

式中：T1為超聲波順流傳播的時間（s）；T2為超聲波逆流傳播的時間（s）；C為超聲波在水中的傳播速度（m/s）；V為水流速（m/s）；θ為超聲波傳播方向和水流方向所成的角度（°）；L為超聲波傳播的距離（m）。

為了簡化計算，假設(shè)流體的速度相對于聲波在流體中的傳播速度是個小量，即V＜＜C，那么可將上式簡化為：

式中：各變量含義同上。

從而，得到水的流速和超聲波在水中傳播時間的線性公式為：

需要說明的是，V是流體沿著管道中心傳播的速度，考慮到流體的流速沿管道直徑不均勻分布的情況，還要加一個流速分部修正系數(shù)K，那么瞬時流量q的計算公式為：

式中：q為瞬時流量（m3/h）；K為國際修正系數(shù)；D為管內(nèi)徑（m）；其余變量含義同上。

經(jīng)計算得出的數(shù)值顯示在水表的顯示屏上，同時通過RS-485通信接口傳送給遙測終端記錄，用于后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用水文遙測終端（Remote Terminal Unit，簡稱RTU）。水文遙測終端具有功能全、體積小、功耗低、維護簡單等特點，支持多種通信接口。水表和RTU之間通過RS-485通信接口進行數(shù)據(jù)的傳輸。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps，具有抗干擾性好、通信距離遠等特點，保證數(shù)據(jù)信號在水表和RTU之間直接穩(wěn)定傳輸而不丟失。通信協(xié)議采用CJ-T188-2004通信協(xié)議，符合國家設(shè)計標準。RTU接收到水表值之后，將數(shù)據(jù)存儲在4MFLASH存儲器中，自動保存3 d，防止數(shù)據(jù)丟失。RTU會將3 d的數(shù)據(jù)加密形成報文，并通過移動SMS網(wǎng)絡(luò)以短信的方式發(fā)送給中心站。

2.3 數(shù)據(jù)解析與展示

中心站跟遙測終端之間進行數(shù)據(jù)交互。中心站由短信貓、服務(wù)器、值守子系統(tǒng)、水量監(jiān)測系統(tǒng)組成。值守子系統(tǒng)和水量監(jiān)測系統(tǒng)在基于運行環(huán)境Windows Server2012操作系統(tǒng)的服務(wù)器上運行。值守子系統(tǒng)使用.net語言開發(fā)，采用SQLServer2008 R2數(shù)據(jù)庫開發(fā)的C/S（客戶端/服務(wù)器）程序，長期運行在服務(wù)器中，通過短信貓接收RTU發(fā)送過來的報文，對報文進行解析、格式驗證、拆分、數(shù)據(jù)入庫、記錄日志等處理，為后期統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)支持。水量監(jiān)測系統(tǒng)使用Java語言和MySQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）程序，采用MVC設(shè)計模式。其數(shù)據(jù)通過Quartz定時任務(wù)，從值守子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中同步過來。其主要功能是輔助相關(guān)人員對水量數(shù)據(jù)、水表電壓進行分析匯總。通過系統(tǒng)，操作人員可以查詢熱泵站基本信息、水量信息、水表電壓情況、報警信息等。

3 地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)于2016年6月正式投入使用，中心站設(shè)立在天津市水文水資源勘測管理中心，目前共監(jiān)測市屬40家熱泵單位計173塊水表。水量站的遠傳設(shè)備每日8時定時向中心站上報當天的水表值、流量、電壓等數(shù)據(jù)。水量監(jiān)測系統(tǒng)則對傳輸過來的各項數(shù)據(jù)進行分析、匯總，以圖表的形式予以展現(xiàn)，并對發(fā)現(xiàn)的問題及時進行提示、預(yù)警。

具體應(yīng)用分為以下3個部分。

3.1 對熱泵單位灌采平衡情況進行監(jiān)測

水量監(jiān)測軟件對每天定時上報的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算熱泵單位近100 d的灌采情況。一旦發(fā)現(xiàn)回灌率小于95%、排水率大于5%的情況，軟件即會在首頁進行預(yù)警提示，以便及時安排技術(shù)人員到現(xiàn)場進行檢查，分情況采取有效措施，確保灌采平衡，以保證熱泵機井的正常運行。

3.2 對設(shè)備運轉(zhuǎn)情況進行監(jiān)測

為了保證水表和遠程設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，水量監(jiān)測軟件每天對水表電壓、遠程設(shè)備（RTU）電壓進行分析。當水表電壓小于2 V、遠程設(shè)備電壓小于12 V時，即安排技術(shù)人員對設(shè)備的蓄電池及時進行更換，保證數(shù)據(jù)的正常上傳。監(jiān)測軟件對每天上報的數(shù)據(jù)情況也會進行記錄，一旦連續(xù)3 d未上報，就會予以報警提示，以便及時采取措施。

3.3 對熱泵單位灌采平衡情況和水表水量進行匯總統(tǒng)計

水量監(jiān)測軟件具有強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，包括熱泵單位灌采平衡情況統(tǒng)計和水表水量統(tǒng)計。在熱泵單位灌采平衡情況統(tǒng)計中，默認統(tǒng)計用水單位100 d的用水情況，計算得出回灌率、排水率。也可指定時間，統(tǒng)計該時間段內(nèi)的取用水情況，并自動與歷史同期進行對比，判斷用水規(guī)律。水表水量統(tǒng)計則根據(jù)當天上報的水表值核減前一天同一時間的水表值，計算出用水量。以上數(shù)據(jù)均以統(tǒng)計表形式展現(xiàn)，并可打印生成報表，隨時為領(lǐng)導決策提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

4 地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

4.1 數(shù)據(jù)準確

針對機械水表在小水流的情況下統(tǒng)計不準確、抄表方式僅能依賴人工現(xiàn)場查看的弊端，本監(jiān)測系統(tǒng)采用超聲波水表，始動流速低、量程比寬、測量精度高、工作穩(wěn)定，內(nèi)部無活動部件，無阻流元件，不受水中雜質(zhì)的影響，具有優(yōu)良的小流量監(jiān)測能力，確保水量數(shù)據(jù)的準確性。

4.2 傳輸穩(wěn)定

相較采用人工手動抄表方式記錄水表值且不能做到每天定時上傳的缺陷，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸上采用移動SMS網(wǎng)絡(luò)，以短信的方式每天定時上報，節(jié)省了大量時間和人力成本，提高了工作效率。這種工作方式傳輸穩(wěn)定，達到每天統(tǒng)計的目的，為地源熱泵的長久監(jiān)測提供了完整的數(shù)據(jù)支持。

4.3 統(tǒng)計強大

較之回灌率、排水率需要人力手動計算且無法做到歷史同期數(shù)據(jù)對比的問題，本系統(tǒng)由中心站的監(jiān)測系統(tǒng)負責計算水量、回灌率、排水率等信息，并以餅圖、折線圖、表格的方式展示。管理人員每天只需登陸系統(tǒng)即可實時查詢每個單位的熱泵運行情況，隨時監(jiān)測其灌采情況，以便出現(xiàn)問題及時采取措施解決。

總之，地源熱泵遙測監(jiān)控系統(tǒng)通過對機組灌、采、排水量的采集和分析，可以及時發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏的發(fā)生，及時督促用水戶維護維修，達到節(jié)約用水的目的。管理人員也比較容易發(fā)現(xiàn)私自用水的現(xiàn)象，杜絕管理漏洞。特別是灌采平衡的分析，對地源熱泵的運行和管理提供了及時準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)的建成，為管理好地源熱泵的運行提供了翔實、具體的科學依據(jù)，促進了地下水的合理有效利用，進而促進地源熱泵這一節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用；同時，可以嚴格控制地下水開采量，避免地面沉降等現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]王華軍，齊承英，趙冰，等.地源熱泵數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)評價與應(yīng)用分析[J].暖通空調(diào)，2012（8）：68-71.

[2]張曉力，廉小親.地源熱泵遠程監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理與分析[J].可再生能源，2010（3）：126-129.

Research and Application of the Remote Sensing and Monitoring System of Ground Source Heat Pump in Tianjin

XUE Zeng-xiao，ZHAO Li-li
（The Survey and Management Center of Hydrology and Water Resources in Tianjin，Tianjin 300061，China）

In recent years，the technology of ground source heat pump has developed very rapidly，which facilitates a thorough understanding of the balance situation of ground source heat pump.The Survey and Management Center of Hydrology and Water Resource in Tianjin City has constructed the remote sensing and monitoring system of ground source heat pump. This paper first introduces the simple constitution of the remote sensing and monitoring system of ground source heat pump in Tianjin city.Secondly，it analyzes the working principle of this system and then gives a detailed description of the application situation of the system.Finally it draws a conclusion about the strengths of this system.

Tianjin；ground source heat pump；remote sensing and monitoring；research and application

P641.8；TP277.2

B

1004-7328（2017）02-0067-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.021

2016—11—12

薛增驍（1992—），男，助理工程師，主要從事水文水資源管理工作。