樓宇太陽能熱水工程集中化遠程管控系統

■ 付存謂李軍孫睿嚀左俊杰毛季靖沈夢佳郁棟

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國計量學院機電工程學院）

樓宇太陽能熱水工程集中化遠程管控系統

■ 付存謂1*李軍1孫睿嚀2左俊杰2毛季靖2沈夢佳2郁棟2

（1.浙江比華麗電子科技有限公司；2.中國計量學院機電工程學院）

針對傳統太陽能熱水工程控制系統控制器或控制柜的缺點，研制了運用物聯網技術進行監視和控制的太陽能熱水工程系統，并從項目簡介、總體框架、所需技術、項目創新點和技術路線幾方面介紹此系統。本項目產品屬于新能源及節能技術產品，克服了傳統控制器或控制柜的一系列缺點，具有很高的普及價值及未來進行技術升級的潛能，項目的成功開發及產業化將對新能源產業及物聯網產業的發展起到巨大的推動作用。

太陽能熱水器 ；遠程監控

0　引言

目前，太陽能熱水工程已憑借安全可靠、方便實用、節約能源、保護環境、有良好適應性等優點被廣泛應用于我國各個領域。控制柜在太陽能熱水控制領域占主導地位［1］，但存在監控工作煩瑣、傳感器技術落后、壽命短、無太陽能能量計算及統計模型、無法為行業內及國家提供數據基礎等缺點［2，3］。為了解決這些問題，我們研發了一種新型的樓宇太陽能熱水工程集中化遠程監控系統，在解決以上問題的同時，還具備遠程監控能力，可更加方便地控制太陽能熱水工程，并推動了新興能源產業和物聯網產業的發展。

1　系統簡介

本系統在嵌入式Internet技術的基礎上，以ARM微處理器為中心來實現系統功能，同時在太陽能熱水工程檢測與控制系統中加入一個以以太網接口芯片為基礎構建的嵌入式網絡系統，可在有網絡的情況下利用賬號和密碼登錄與系統建立連接，實現對太陽能熱水工程的實時監控，便于遠程操作人員對系統出現的問題及時進行改正，隨時對系統進行調整和維護。

項目及系統框架如圖1、圖2所示。

圖1　項目框架圖

2　項目技術

本項目的實現基于多項關鍵技術，基于水壓原理的水位傳感器技術，采用水壓0～0.05 Mpa，0～5000 mm水柱，溫度范圍為-40～150 ℃［4］。

在硬件方面，本項目為了解決以微控制器為核心的嵌入式系統接入Internet的問題，采用了嵌入式ARM微處理器結合通用的網絡接口芯片這一方法。系統內部采用防雷電路，相比以往由防雷管單一保護的產品，有更大的耐壓能力和更穩定的性能。本項目還應用了供水循環流量控制技術，換熱器以“熱水出水量=冷水補水量+回水泵循環流量”為基準，合理控制供水壓力及流量。

圖2　系統框圖

在軟件方面，本項目中系統選擇采用嵌入式Linux作為嵌入式的實時操作系統，支持不同廠家太陽能熱水工程設備的異構數據采集，并采用數據倉庫和數據挖掘技術。本系統結合B/S結構模型和嵌入式Web服務器于一體，最底層為B/S結構，采集系統數據；中間層為信息處理系統，將采集得到的實時參數寫入相應層的Web服務器中并進行參數處理，包括統計、分析等；第三層為客戶端，經中間層信息處理系統處理過的數據，會以網頁形式向第三層客戶端進行實時發送，客戶端可直接通過瀏覽器對系統進行實時監測與控制，對其產生的問題進行快速的判斷與解決。同時，處理過的數據會進入數據倉庫，系統對收到的數據會自動完成統計、分析和處理。在設計系統時對熱量表和流量計等積分時間間隔采樣周期應≤5 s［2］，因為太陽輻照在天氣多云時的變化比天氣晴朗時要快很多，設定小的采樣周期可減小誤差，提高精確度［5］。本系統還采用了Flash的方法，在Linux系統中利用網頁的實時刷新法使客戶端與系統之間進行信息交互。

本系統所使用的水溫水位傳感器為新型工藝制作，可有效防止結垢，且不易滲水，可承受較高溫度，有抗腐蝕性。

通過流量傳感器、溫度傳感器、水位傳感器和ARM微處理器，能夠計量所吸收太陽能的能量，并可換算成碳減排量，在技術上實現了公司正在參與起草的國家標準《太陽能熱水系統熱能計量與監測規范》的規定要求。

本項目能實現雙熱水工程同時監測與控制，并采用電力載波模式，可在用戶家里86盒開關的地方接上電力載波模塊，能通過電力線進行監測與控制，大幅節約了系統的布線成本。

3　項目創新點

3.1創新點一

針對傳統電極式水位傳感器易損壞、壽命短的問題［6］，自主研發了一種耐高溫、耐腐蝕的二氧化硅多晶硅水位傳感器，可把水壓轉換成電信號輸出。采用耐溫200 ℃硅膠管將太陽能熱水器的水壓傳遞出來，將不耐高溫的電路部分放置在遠離高溫水箱處，利用硅膠管將空氣壓力信號傳輸到水箱外部的傳感器主體，通過檢測壓力信號變化精確判定水位。此設計改變了傳統傳感器浸泡在高溫熱水中采集水位信號的方式，大幅增加傳感器的使用壽命（10年），在降低傳感器更換頻率的同時，也提高了檢測的靈敏度和檢測精度。

圖3　本項目水位傳感器示意圖

當熱水水位達到太陽能控制儀內置的預制水位高度時，太陽能熱水器水箱內連接的硅膠管將太陽能水箱內進水壓力通過硅膠管傳至壓力傳感器。由于硅膠管與壓力傳感器的連接是準密封狀態，開口端與太陽能熱水器內部連接，當太陽能熱水器進水時，硅膠管內平時常態的空氣隨著進水的增多、水位的增高而被壓縮，傳至壓力傳感器的壓力腔，使腔內的空氣壓力增高，控制電路將檢測到與其對應的電信號傳遞到太陽能控制儀上，感知太陽能熱水器內進水已經到達預置選定水位后，切斷進水電磁閥的電源。

技術優勢：延長使用壽命，提高檢測精度、靈敏度及產品壽命，解決了導電性差及山區水質不能使用智能化儀表的難題。

3.2創新點二

自主設計了以物聯網技術為基礎的太陽能熱水工程遠程監控系統，通過自主開發的遠程監控軟件，使采集到的水位、水壓、水溫、流量等重要指標能夠實時顯示在智能移動設備終端上，實現雙熱水工程遠程監控、主動預警功能。

本系統將嵌入式系統與Internet結合，以ARM微處理器為中心來實現系統功能，同時在太陽能熱水工程檢測與控制系統中加入一個以以太網接口芯片為基礎構建的嵌入式網絡系統。此外，自主設計了可在智能移動設備上運行的遠程監控軟件，一旦遇到太陽能熱水工程系統故障，軟件會主動發出預警信號讓管理人員及時發現，并通過軟件做緊急處理，然后安排工作人員按事故原因進行維修。具體解決方案如下：

1）系統硬件平臺。硬件平臺（見圖4）將傳統的CPU換成了功能更強大的ARM，并在外圍接入溫度流量水位監測、電壓電流功率因數監測、鍵盤輸入、網絡通信等模塊及輸出控制交流接觸器［4］。網絡通信模塊采用以太網控制芯片ENC28J60。

圖4　系統硬件結構圖

2）嵌入式操作系統。嵌入式系統的核心為嵌入式操作系統，該操作系統的精確性強、可靠性高、響應速度快，對系統的控制更精準、快速。本系統采用嵌入式Linux作為嵌入式實時操作系統，由Linux 2.0/2.4內核派生，并以標準的Linux為基礎進行了適當的裁剪和優化，在體積變小的同時保留了Linux穩定、移植性好、網絡功能強大等優點［7，8］，其內部還嵌有TCP/IP協議，便于在各類處理器中使用，性能穩定、使用方便［9］。

3）遠程監測系統。在太陽能熱水工程監測與控制系統中，遠程控制軟件有效提高了系統運行維護的主動性，提高了系統管理水平。本系統結合B/S結構模型和嵌入式Web服務器于一體。

圖5　系統操作頁面圖

4）系統使用流程。通過遠程監測系統對樓宇太陽能熱水工程集中化遠程管控系統完全實現了監測功能，在客戶端中可通過用戶名和密碼進入系統操作頁面，可實現對系統的實時監測和控制，便于在系統出現問題時做出及時修改和調整［7］。

本系統使用方式簡便易學且有較為完善的智能性，改進后使系統的使用更加安全，對系統的實時監測與控制使系統更加精準。

3.3創新點三

為響應國家“建立一個全國性的太陽能節能信息數據庫”的號召，基于本公司正在參與起草的國家標準《太陽能熱水工程熱能計量與遠程監測》，本項目建立了熱能計量采集、計算模塊和數據庫。首先通過水位、溫度等傳感器采集系統數據；然后通過熱能計量模塊換算出節能信息，架構出節能信息數據庫；通過數據分析和數據挖掘，對熱水器工程系統運行數據進行分析處理，為國家太陽能節能信息數據中心提供了基礎數據和技術支持。其中，熱能計量方法是至關重要的技術創新點。

太陽能熱水工程系統熱能輸入由太陽能集熱器回路、輔助熱源和耗電量組成［2］。為了準確地對三者進行區分和測量，應對不同部分的熱量分別進行熱能測量，使計算研究所需的各項指標在使用時更為方便，也使計算結果更為精確。分別測量用戶得熱量（Quse）、太陽能集熱器（Qs）、用戶管路循環損失熱量（Qtc）、輔助熱源（Qaux）和耗電量（Qp），以實現系統整體熱能計量［2］。

圖6　太陽能熱水工程系統能量輸入輸出轉換圖

當系統的集熱回路和水箱之間以水為傳熱介質時，有兩種方法可以測量太陽能供熱量。

方法一：用熱量表對太陽能供熱量進行測量。應在集熱器陣列主管道上安裝熱量表溫度傳感器和熱量表流量傳感器。

方法二：對集熱器高溫點和低溫點分別進行流量測量，應注意，選擇的高溫點t1測量點應位于集熱器出水管道上，低溫點t2測量點應位于集熱器進水管道上；然后根據式（1）計算得出太陽能供熱量Qs：

式中，cf為對應于平均溫度的比熱容，J/ （kg·℃）；τ為積分采集時間間隔，s；mf為質量流量，t/h。

4　項目主要技術指標（含檢測依據）及產品技術路線

依據國家標準GB 14536.1-2008《家用和類似用途電自動控制器 第1部分：通用要求》，本項目完成時應達到的技術指標見表1。產品技術路線如圖7所示。

表1　技術指標

圖7　工作路線

5　結論

本文詳細介紹了一種新型的樓宇太陽能熱水工程集中化遠程控制系統，并提出其優點、創新點及技術路線。該系統可克服傳統控制柜控制系統監控工作煩瑣、傳感器技術落后、壽命短、無太陽能能量計算及統計模型、無法為

行業內及國家提供數據基礎等缺點，并可實現對樓宇太陽能工程的遠程監控，使工作人員能及時發現系統中的問題并快速解決，提高了系統的安全性和工作效率，適用于各個公共場所，普及可能性較改進前有較大提高，對我國新能源產業及物聯網產業的發展有很大地推動作用。

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2015-12-23

付存謂（1972—），男，碩士，主要從事新能源利用與智能控制系統的設計與開發方面的研究。122132098@qq.com