基于物聯網的地溫空調監測系統

林 斌，李文中，王建春，李生英，豐 鑫，陳德鋒，黃楚然

（華南理工大學廣州學院 工程研究院，廣東 廣州 510800）

0 引 言

淺層地溫能是存在地下恒溫帶至200 m深地質中具有開發利用價值的低溫、清潔可再生熱能，不受太陽輻射和大氣溫度影響，淺層地溫能通常以熱泵技術進行采集利用，經過地源熱泵機組將空調系統的蒸發器與冷凝器利用地埋管技術延伸至地下恒溫帶巖土中，通過輸入少量的電能提取恒溫能量，為建筑物供暖、制冷，實現提供生活熱水的高效節能空調系統—淺層地溫中央空調。二十世紀八九十年代，我國北方地區開始大規模應用“地源熱泵”技術。2008年北京奧運會場館、2010年上海世博會場館先后采用地源熱泵技術。近年來，受國家政策重點支持，地源熱泵技術發展迅猛[1-2]。

通過對地溫能空調的數據采集，利用物聯網技術可以更好地降低能耗，更符合綠色環保理念。此外，本系統采用先進的云端服務器設計平臺實現軟件系統設計，對數據進行圖形展示，方便用戶信息組網并實現遠程監控[3]。

1 地溫空調系統結構及原理

淺層地溫能中央空調利用地溫能源，冬季采用熱泵技術，通過換熱器將地下水或土壤中的熱量提取用于室內采暖；夏季利用溫度較低的地下土壤或地下水帶走熱量，達到制冷效果。

地溫中央空調系統運行示意圖如圖1所示。

2 監測系統硬件設計

監控集成箱安裝有遠傳電表、溫度表和熱量表。通過在四口井里分別安裝十處溫度傳感器監測地埋管的年溫度變化及土壤的年溫度變化；通過在地源側和負荷側供回水主管道上安裝流量表監測地源側和負荷側的熱能，計算進回水溫差，此溫差需在軟件中進行后期計算處理，溫差的大小能夠指導機房操作維護人員調整水泵運行臺數，實現較高的運行經濟性；通過在各個熱泵機組、負荷側及地源側循環泵安裝遠傳電表監測機組運行消耗的熱能，通過大數據傳輸處理后計算并顯示能效比，根據能效比調整運行方案[4-6]。地溫監測、能效、能耗監測系統如圖2所示。

圖1 地溫中央空調系統運行示意圖

3 監測系統軟件設計

3.1 軟件設計思路和編程方法

軟件通過PLC和傳感器收集空調運行數據、用戶使用數據、能耗數據、環境數據、空調故障數據、維護數據，并存儲、上傳至云端服務器。云端服務器基于大數據的存儲平臺和計算平臺對收集的具體數據進行分析處理。軟件設計架構如圖3所示。

圖2 地溫、能效、能耗監測系統圖

圖3 軟件設計構架

結合該項目的實際需求與應用場景，為使得系統在較好滿足需求的同時保障系統的穩定性，于是采用與傳統關系型數據庫有較大區別的“NoSQL”（非關系型數據庫）—ElasticSearch。

ElasticSearch是一種分布式海量數據搜索與分析技術，被廣泛應用于大數據分析、數據實時處理等領域，同時其采用的分布式存儲模式具有一定的數據容災性和穩定性保障。ElasticSearch與本系統的需求相契合，能夠很好地滿足系統需求，并保障系統后續擴展性。

數據索引模式簡圖如圖4所示。

圖4 數據索引模式簡圖

該index（索引）用于存儲每一條來自房間溫控器采集的數據，采用UDP Socket傳輸方式發送到服務器后經過處理存入數據庫中。

3.2 軟件實現流程

淺層地溫能中央空調智能控制系統通過數據采集模塊、智能網關7×24 h采集并發送熱量/流量表數據、電表數據、地溫數據、房間溫度數據至服務器。服務器將數據進行整理與分析，實時推送到數據可視化平臺，并將收集的歷史數據通過數據處理引擎處理后準確無誤地進行報表展示。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

4 監測系統顯示界面

主頁界面如圖6所示。

圖6 主頁界面

“主頁”模塊用于展示系統各項數據，包括低溫監控溫度趨勢、近12個月制冷制熱量/耗電量、近30天耗電趨勢、樓層總熱量表及機組、循環泵、風盤耗電占比等模塊。

“電表”模塊主要展示整套地溫能智控系統運行流通的全過程，并可通過3D方式呈現，查看每個機組設備、水泵、負荷側電表、地源側電表等硬件的運行狀態，及所有設備的詳細數據。

“地溫”模塊用于展示地溫在線監測系統數據。

“供回水主管道”用于展示地源側電表與負荷側電表的數據，可監測設備的流量、熱量及設備狀態，并展示設備近30日的流量與熱量統計數據。

“大樓”模塊用于監控并展示大樓內各樓層的溫度、建筑耗冷耗熱量、用電量、耗能趨勢等數據。還可以監控樓層中具體房間的空調溫度、能耗變化、溫度變化趨勢等。

“樓層”模塊可展示該樓層平面圖，如具體房間位置、溫度及樓層的耗冷耗熱量和實時流量等。點擊房間可以進入該房間的數據詳情頁面。

“房間”模塊可查看房間的具體數據。包括房間溫度詳情、近30天建筑耗能變化趨勢、近30天溫度變化趨勢。

5 結 語

監測系統初步實現了溫度等數據的采集，每個房間的采集數據通過總線形式傳輸至PLC，由PLC上傳至網絡云端。通過大數據處理，將分析結果和控制指令傳輸到PLC，從而實現控制效果。文中設計的基于物聯網的地溫空調監測系統具有較好的社會效益與經濟效益[7-10]。