太陽能熱水遠程監控與能耗計量系統開發

黃春濤+姜周曙+阮志鵬+黃國輝

摘 要： 闡述了太陽能熱水工程的研究發展及特點，提出了太陽能熱水遠程監控與能耗計量系統的設計與實現方案，并且依據技術經濟指標計算公式得到系統的節能減排數據。配備了具有GPRS/以太網模塊的數據采集裝置，開發了基于.Net平臺的數據中心軟件以及web發布平臺，具有數據接收、處理、分析、查詢等功能。應用結果表明，系統運行穩定，操作簡單，數據可靠性高。

關鍵詞： 太陽能； 遠程監控； 數據中心； 能耗計量

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0145?04

Development of remote monitoring and energy metrology

system for solar heating water project

HUANG Chun?tao， JIANG Zhou?shu， RUAN Zhi?peng， HUANG Guo?hui

（Automation College， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The development and characteristics of the solar heating water project are elaborated. The design scheme and realizing solution of the remote monitoring system of the solar heating water project were proposed. The energy conservation and emission reduction data were got depending on the design formulas about technological and economic indicators. GPRS/Ethernet transmitter module was equipped. The data center utility software based on .NET digital platform and Web issue platform with functions for data reception， display， analysis， query and so on. The application result indicates that the system is stable and easy to operate， and has high data reliability.

Keywords： solar energy； remote monitoring； data centre； energy metrology

0 引 言

太陽能作為一種可再生能源，分布廣泛，資源豐富，是理想的未來能源。廣泛利用太陽能是解決能源短缺、減少環境污染的有效途徑之一。近年來，太陽能行業在新能源行業內發展迅速，其中太陽能熱水器總集熱面積逐年上漲，目前總利用面積高達1.5億平方米[1]。近些年家用太陽能市場趨于飽和，增速緩慢，而太陽能熱水工程集熱面積的年增長率逐年上升，越來越多的工廠、學校、醫院、酒店開始建設太陽能集熱工程。

但我國在工程太陽能熱利用上存在的問題卻是顯而易見的[2]，太陽能工程項目大多不配備計量與監控系統，這使得太陽能系統的實時運行狀態、運行參數、能源節約指標、環境效益指標等無法得到真實可靠的數據支持。因此開發一種針對太陽能熱水工程的遠程監控與能耗計量系統具有較高的工程應用價值，可以為優化太陽能熱水系統控制、探索太陽能最大利用率等問題提供堅實的數據基礎。

1 系統整體架構設計

太陽能熱水遠程監控系統由分布在不同地區、不同氣候的現場監測系統與數據中心平臺構成。現場監測系統通過GPRS與數據中心平臺軟件進行數據交互，實現對現場的遠程監控，同時監測數據通過服務器以網頁的形式發布。

1.1 現場監測計量系統

現場監測計量系統（以總系統中某個單水箱?熱泵系統為例）主要由現場監測儀表和數據采集裝置構成。

現場監測計量儀表主要包括：環境溫度傳感器T4、集熱管道溫度傳感器T0、集熱器溫度傳感器T1、用戶側管道溫度傳感器T3、水箱溫度傳感器T2、熱能表、電能表、流量計、輻照表、風速儀、壓力計等構成。系統構成如圖1所示。

數據采集裝置采集現場工程運行狀態及相對應的能耗數據信息，如氣象信息、太陽能集熱器運行狀態、輔助能源供熱設備運行狀態、集熱器入出口水溫、集熱器循環水流量、設備功耗、系統總功耗等數據；數據中繼器接受采集器所采集的數據信息并將數據打包、加密，以標準網絡數據傳輸格式通過GPRS或以太網發送給遠程數據監控中心。

圖1 太陽能?熱泵系統

1.2 系統網絡架構

本文設計的太陽能熱水遠程監控與能耗計量系統采用三層網絡架構：第一層為現場設備層，該層由數據采集器、數據中繼器、GPRS通信模塊及各種傳感器組成，控制器用于控制現場執行機構的正常工作，協調數據采集器對各個傳感器的輸出參數進行采集，并將采集結果輸出到通信模塊完成數據的上傳；第二層為數據處理層，在監測中心服務端開發遠程數據通信與管理軟件，利用Socket通信技術實現監測中心與工程現場之間基于TCP/IP的數據通信；第三層為門戶應用層，采用ASP.NET技術開發了數據發布網站，該網站部署在監測中心IIS服務器內，通過瀏覽器訪問該網站，用戶可隨時隨地瀏覽工程數據。系統網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統網絡拓撲圖

2 系統軟件設計

2.1 軟件設計

根據遠程數據監測中心軟件的總體設計，構建了.Net平臺下3層架構模式，分別為用戶界面表示層、業務邏輯層和數據訪問層。在WINDOWS操作系統下設計了一套基于面向對象思想、以Microsoft SQL2005為數據庫，并引入NI、MSChart和Flash等繪圖控件，使用TCP/IP為基本通信協議的數據中心計量監測軟件。

2.2 軟件功能

遠程數據監控系統軟件包含9個功能模塊：系統配置模塊實現對各個監測子項目的項目與采集點信息配置，界面顯示模塊實現對項目監測數據信息的多功能顯示，遠程網絡通信模塊實現數據中心與現場采集裝置GPRS/以太網連接，遠程設備控制模塊實現對各個工程項目中的采集裝置參數設置以及部分現場運行設備開關控制，故障報警模塊實現對工程項目現場設備非正常狀態信息的多方式通報提醒，數據查詢模塊實現對歷史數據的查詢以及報表打印，日志管理模塊實現對系統自身的監測管理，用戶管理模塊實現對操作人員權限的管理。具體功能框架圖如圖3所示。

圖3 遠程數據監控系統功能框架圖

2.3 關鍵技術實現

2.3.1 通信機制

數據中心與數據中繼器之間使用GPRS進行通信。GPRS無需通過外接線路接入網絡，只需在網絡覆蓋的區域安裝GPRS接入裝置即可[3]。GPRS網絡具有實時在線、傳輸速率高、傳輸時延小等特點[4]，很好地滿足了本文監控系統對數據傳輸的要求。

在網絡傳輸層上，選擇面向連接傳輸穩定的TCP/IP網絡傳輸協議。TCP的可靠機制允許設備處理丟失、延時、重復及讀錯的包，超時機制允許設備檢測丟失包并請求重發。此外，監控數據中心異步開啟TCP監聽后，可同時接受多個工程中繼器的連接請求，建立穩定連接后進行數據收發。

2.3.2 遠程設備控制

遠程設備控制操作使數據中心工作人員無需到現場即可對工程設備進行操作。

選用面向連接的TCP/IP作為通信協議，服務器可以使用Listen方法偵聽連接[5]。Accept方法處理任何傳入的連接請求，并返回可用于與遠程主機進行數據通信的Socket。基于套接字的TCP連接，理論上能夠自動偵測套接字是否斷開，但是如果遇到長時間無數據交互或者網線拔出等非正常情況下，系統可能無法偵測到套接字的斷開[6]，導致丟失客戶端上傳的數據。TCP異常情況如圖4所示。

圖4 TCP異常情況圖

針對以上問題，每次Socket收發數據時，服務端采用TCPClient.Client的Peek方法，試讀客戶端一個字節的數據，Peek參數指定讀取的字節不會從數據緩存區中移除，如果能夠讀到此一個字節的數據，表示Socket連接仍然完好；一旦沒有讀到此字節，表示Socket已處在非正常工作狀態，系統主動斷開Socket，下位機進行重連。同時中繼器定時向數據中心發送心跳包監測TCP連接是否正常，一旦發現服務端一段時間內未收到心跳包，則認為中繼器連接斷開，重新請求連接。這樣的通信機制，使得中繼器與數據中心始終保持正常連接，為設備遠程控制提供保障[9]。

在網絡連接保證穩定有效的基礎上，對中繼器發送控制指令，實時控制現場設備。控制過程中，中繼器將控制指令發送給控制器，控制器動作后，返回完成指令。如果指令返回時間在上位機延時等待的時間內，則控制成功；未收到完成指令，上位機重發控制指令。中繼器上傳一幀最新的狀態數據，以確認系統工作在最新的狀態。這樣的操作機制類似于TCP[10]三次握手，能夠保證控制的可靠性與實時性。

3 技術經濟評價指標

太陽能集熱工程能源管理系統的經濟評價指標主要有系統耗電量、太陽能熱水系統得熱量、常規能源替代量（噸標準煤）、二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、太陽能集熱系統效率、太陽能保證率、熱泵能效比等。文章基于以上指標進行分析計算。

3.1 太陽能集熱量

在集熱的過程中涉及到的計量指標有太陽能輻射能以及太陽能集熱量。太陽能輻照能通過總輻射表并按公式（1）計算獲得，太陽能集熱量可以通過熱量表測量或者通過測量溫度和流量的方法并采用計算公式（2）獲得：

[Qs=GAcτ×10-3， G≥50 W/m2] （1）

[Qc=cfmf（t1-t2）τ3 600] （2）

式中：[Qs]表示太陽能輻射能，[Qc]表示太陽能集熱量，單位均為[kJ]；[G]代表太陽總輻照度，單位為[Wm2]；[Ac]表示熱水系統中的太陽集熱器的輪廓采光面積，單位為[m2；][τ]表示積分采集時間間隔，單位為s；[cf]表示工質平均溫度的傳熱比熱容，單位為[J/（kg?℃）；][mf]表示傳熱工質質量流量，單位為[th]；[t1，t2]分別表示熱量測量高溫點水溫與低溫點水溫，單位為℃。

3.2 常規能源替代量分析

常規能源替代量反映的是整個系統用戶真正節能的部分。所謂真正節能是指通過集熱將熱量吸收并且最終被用戶利用的熱量。常規能源替代量的定義如下：

[Qbm=（Qsh-Qaux）W] （3）

式中：[Qbm]表示常規能源替代量，單位為噸/標準煤；[Qsh]表示太陽能熱水系統供熱量，單位為[GJ；][Qaux]表示輔助熱源供熱量；[W]表示太陽能熱水系統耗電量，單位為[kW?h；][W]取值為29.307[GJ/tec。]

一周常規能源替代量走勢圖見圖5。

圖5 常規能源替代量

3.3 二氧化碳減排量、二氧化硫減排量分析

二氧化碳減排量[QCO2]（單位為t/a），二氧化硫減排量[QSO2]（單位為t/a）[7]是重要的環境效益指標，可按式（4），式（5）計算：

[QCO2=2.47Qbm] （4）

[QSO2=0.02Qbm] （5）

式中：[Qbm]為常規能源替代量，單位為t/a；2.47為標準煤的二氧化碳排放因子；0.02為標準煤的二氧化硫排放因子[8]。

一周二氧化碳減排量見圖6。

通過實驗（集熱面積為39 [m2，]水箱大小為2 t，實驗月份為8月），可以得出如表1所示的一周太陽能能耗評價指標。

圖6 二氧化碳減排量

表1 以日為單位的技術經濟指標

[日期＼&太陽能集

熱量/MJ＼&系統耗

電量/（kW·h）＼&常規能源替

代量/（kgce/t）＼&二氧化碳

減排量/kg＼&二氧化硫

減排量/kg＼&2013?08?06＼&136.5＼&0.6＼&7.2＼&17.8＼&0.144＼&2013?08?07＼&91.3＼&1.1＼&4.8＼&11.9＼&0.096＼&2013?08?08＼&219.7＼&1.2＼&11.5＼&28.4＼&0.23＼&2013?08?09＼&75.4＼&0.8＼&4＼&9.9＼&0.08＼&2013?08?10＼&80.6＼&1.0＼&4.3＼&10.6＼&0.086＼&2013?08?11＼&88.1＼&1.6＼&4.6＼&11.4＼&0.092＼&2013?08?12＼&171.6＼&1.1＼&15＼&37＼&0.3＼&]

4 結 論

本文研制的太陽能熱水遠程監控與能量計量系統通過TCP網絡編程，以穩定的數據傳輸、集中的數據監測、便于查看的B/S架構，有效解決了熱水工程地域分布廣、管理難度大等問題，為太陽能企業優化系統效率、深化認識提供了有效的數據支持，也為節能減排提供了可靠依據。

參考文獻

[1] 董瀟.太陽能行業新10年格局[N].中華工商時報，2010?12?24（7）.

[2] 顧博文，趙穎，胡曄，等.太陽能熱水器行業分析報告[R].[出版者不詳]，2011.

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[9] 朱志浩，樊留群，謝曉軒，等.設備遠程監控的研究[J].制造業自動化，2001（1）：47?50.

[10] 龔海燕.基于C/S模式的網絡遠程監控系統[D].南京：南京航空航天大學，2003.

一周常規能源替代量走勢圖見圖5。

圖5 常規能源替代量

3.3 二氧化碳減排量、二氧化硫減排量分析

二氧化碳減排量[QCO2]（單位為t/a），二氧化硫減排量[QSO2]（單位為t/a）[7]是重要的環境效益指標，可按式（4），式（5）計算：

[QCO2=2.47Qbm] （4）

[QSO2=0.02Qbm] （5）

式中：[Qbm]為常規能源替代量，單位為t/a；2.47為標準煤的二氧化碳排放因子；0.02為標準煤的二氧化硫排放因子[8]。

一周二氧化碳減排量見圖6。

通過實驗（集熱面積為39 [m2，]水箱大小為2 t，實驗月份為8月），可以得出如表1所示的一周太陽能能耗評價指標。

圖6 二氧化碳減排量

表1 以日為單位的技術經濟指標

[日期＼&太陽能集

熱量/MJ＼&系統耗

電量/（kW·h）＼&常規能源替

代量/（kgce/t）＼&二氧化碳

減排量/kg＼&二氧化硫

減排量/kg＼&2013?08?06＼&136.5＼&0.6＼&7.2＼&17.8＼&0.144＼&2013?08?07＼&91.3＼&1.1＼&4.8＼&11.9＼&0.096＼&2013?08?08＼&219.7＼&1.2＼&11.5＼&28.4＼&0.23＼&2013?08?09＼&75.4＼&0.8＼&4＼&9.9＼&0.08＼&2013?08?10＼&80.6＼&1.0＼&4.3＼&10.6＼&0.086＼&2013?08?11＼&88.1＼&1.6＼&4.6＼&11.4＼&0.092＼&2013?08?12＼&171.6＼&1.1＼&15＼&37＼&0.3＼&]

4 結 論

本文研制的太陽能熱水遠程監控與能量計量系統通過TCP網絡編程，以穩定的數據傳輸、集中的數據監測、便于查看的B/S架構，有效解決了熱水工程地域分布廣、管理難度大等問題，為太陽能企業優化系統效率、深化認識提供了有效的數據支持，也為節能減排提供了可靠依據。

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[10] 龔海燕.基于C/S模式的網絡遠程監控系統[D].南京：南京航空航天大學，2003.

一周常規能源替代量走勢圖見圖5。

圖5 常規能源替代量

3.3 二氧化碳減排量、二氧化硫減排量分析

二氧化碳減排量[QCO2]（單位為t/a），二氧化硫減排量[QSO2]（單位為t/a）[7]是重要的環境效益指標，可按式（4），式（5）計算：

[QCO2=2.47Qbm] （4）

[QSO2=0.02Qbm] （5）

式中：[Qbm]為常規能源替代量，單位為t/a；2.47為標準煤的二氧化碳排放因子；0.02為標準煤的二氧化硫排放因子[8]。

一周二氧化碳減排量見圖6。

通過實驗（集熱面積為39 [m2，]水箱大小為2 t，實驗月份為8月），可以得出如表1所示的一周太陽能能耗評價指標。

圖6 二氧化碳減排量

表1 以日為單位的技術經濟指標

[日期＼&太陽能集

熱量/MJ＼&系統耗

電量/（kW·h）＼&常規能源替

代量/（kgce/t）＼&二氧化碳

減排量/kg＼&二氧化硫

減排量/kg＼&2013?08?06＼&136.5＼&0.6＼&7.2＼&17.8＼&0.144＼&2013?08?07＼&91.3＼&1.1＼&4.8＼&11.9＼&0.096＼&2013?08?08＼&219.7＼&1.2＼&11.5＼&28.4＼&0.23＼&2013?08?09＼&75.4＼&0.8＼&4＼&9.9＼&0.08＼&2013?08?10＼&80.6＼&1.0＼&4.3＼&10.6＼&0.086＼&2013?08?11＼&88.1＼&1.6＼&4.6＼&11.4＼&0.092＼&2013?08?12＼&171.6＼&1.1＼&15＼&37＼&0.3＼&]

4 結 論

本文研制的太陽能熱水遠程監控與能量計量系統通過TCP網絡編程，以穩定的數據傳輸、集中的數據監測、便于查看的B/S架構，有效解決了熱水工程地域分布廣、管理難度大等問題，為太陽能企業優化系統效率、深化認識提供了有效的數據支持，也為節能減排提供了可靠依據。

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