楼宇太阳能热水工程集中化远程管控系统

■ 付存谓李军孙睿咛左俊杰毛季靖沈梦佳郁栋

（1.浙江比华丽电子科技有限公司；2.中国计量学院机电工程学院）

楼宇太阳能热水工程集中化远程管控系统

■ 付存谓1*李军1孙睿咛2左俊杰2毛季靖2沈梦佳2郁栋2

（1.浙江比华丽电子科技有限公司；2.中国计量学院机电工程学院）

针对传统太阳能热水工程控制系统控制器或控制柜的缺点，研制了运用物联网技术进行监视和控制的太阳能热水工程系统，并从项目简介、总体框架、所需技术、项目创新点和技术路线几方面介绍此系统。本项目产品属于新能源及节能技术产品，克服了传统控制器或控制柜的一系列缺点，具有很高的普及价值及未来进行技术升级的潜能，项目的成功开发及产业化将对新能源产业及物联网产业的发展起到巨大的推动作用。

太阳能热水器 ；远程监控

0　引言

目前，太阳能热水工程已凭借安全可靠、方便实用、节约能源、保护环境、有良好适应性等优点被广泛应用于我国各个领域。控制柜在太阳能热水控制领域占主导地位［1］，但存在监控工作烦琐、传感器技术落后、寿命短、无太阳能能量计算及统计模型、无法为行业内及国家提供数据基础等缺点［2，3］。为了解决这些问题，我们研发了一种新型的楼宇太阳能热水工程集中化远程监控系统，在解决以上问题的同时，还具备远程监控能力，可更加方便地控制太阳能热水工程，并推动了新兴能源产业和物联网产业的发展。

1　系统简介

本系统在嵌入式Internet技术的基础上，以ARM微处理器为中心来实现系统功能，同时在太阳能热水工程检测与控制系统中加入一个以以太网接口芯片为基础构建的嵌入式网络系统，可在有网络的情况下利用账号和密码登录与系统建立连接，实现对太阳能热水工程的实时监控，便于远程操作人员对系统出现的问题及时进行改正，随时对系统进行调整和维护。

项目及系统框架如图1、图2所示。

图1　项目框架图

2　项目技术

本项目的实现基于多项关键技术，基于水压原理的水位传感器技术，采用水压0～0.05 Mpa，0～5000 mm水柱，温度范围为-40～150 ℃［4］。

在硬件方面，本项目为了解决以微控制器为核心的嵌入式系统接入Internet的问题，采用了嵌入式ARM微处理器结合通用的网络接口芯片这一方法。系统内部采用防雷电路，相比以往由防雷管单一保护的产品，有更大的耐压能力和更稳定的性能。本项目还应用了供水循环流量控制技术，换热器以“热水出水量=冷水补水量+回水泵循环流量”为基准，合理控制供水压力及流量。

图2　系统框图

在软件方面，本项目中系统选择采用嵌入式Linux作为嵌入式的实时操作系统，支持不同厂家太阳能热水工程设备的异构数据采集，并采用数据仓库和数据挖掘技术。本系统结合B/S结构模型和嵌入式Web服务器于一体，最底层为B/S结构，采集系统数据；中间层为信息处理系统，将采集得到的实时参数写入相应层的Web服务器中并进行参数处理，包括统计、分析等；第三层为客户端，经中间层信息处理系统处理过的数据，会以网页形式向第三层客户端进行实时发送，客户端可直接通过浏览器对系统进行实时监测与控制，对其产生的问题进行快速的判断与解决。同时，处理过的数据会进入数据仓库，系统对收到的数据会自动完成统计、分析和处理。在设计系统时对热量表和流量计等积分时间间隔采样周期应≤5 s［2］，因为太阳辐照在天气多云时的变化比天气晴朗时要快很多，设定小的采样周期可减小误差，提高精确度［5］。本系统还采用了Flash的方法，在Linux系统中利用网页的实时刷新法使客户端与系统之间进行信息交互。

本系统所使用的水温水位传感器为新型工艺制作，可有效防止结垢，且不易渗水，可承受较高温度，有抗腐蚀性。

通过流量传感器、温度传感器、水位传感器和ARM微处理器，能够计量所吸收太阳能的能量，并可换算成碳减排量，在技术上实现了公司正在参与起草的国家标准《太阳能热水系统热能计量与监测规范》的规定要求。

本项目能实现双热水工程同时监测与控制，并采用电力载波模式，可在用户家里86盒开关的地方接上电力载波模块，能通过电力线进行监测与控制，大幅节约了系统的布线成本。

3　项目创新点

3.1创新点一

针对传统电极式水位传感器易损坏、寿命短的问题［6］，自主研发了一种耐高温、耐腐蚀的二氧化硅多晶硅水位传感器，可把水压转换成电信号输出。采用耐温200 ℃硅胶管将太阳能热水器的水压传递出来，将不耐高温的电路部分放置在远离高温水箱处，利用硅胶管将空气压力信号传输到水箱外部的传感器主体，通过检测压力信号变化精确判定水位。此设计改变了传统传感器浸泡在高温热水中采集水位信号的方式，大幅增加传感器的使用寿命（10年），在降低传感器更换频率的同时，也提高了检测的灵敏度和检测精度。

图3　本项目水位传感器示意图

当热水水位达到太阳能控制仪内置的预制水位高度时，太阳能热水器水箱内连接的硅胶管将太阳能水箱内进水压力通过硅胶管传至压力传感器。由于硅胶管与压力传感器的连接是准密封状态，开口端与太阳能热水器内部连接，当太阳能热水器进水时，硅胶管内平时常态的空气随着进水的增多、水位的增高而被压缩，传至压力传感器的压力腔，使腔内的空气压力增高，控制电路将检测到与其对应的电信号传递到太阳能控制仪上，感知太阳能热水器内进水已经到达预置选定水位后，切断进水电磁阀的电源。

技术优势：延长使用寿命，提高检测精度、灵敏度及产品寿命，解决了导电性差及山区水质不能使用智能化仪表的难题。

3.2创新点二

自主设计了以物联网技术为基础的太阳能热水工程远程监控系统，通过自主开发的远程监控软件，使采集到的水位、水压、水温、流量等重要指标能够实时显示在智能移动设备终端上，实现双热水工程远程监控、主动预警功能。

本系统将嵌入式系统与Internet结合，以ARM微处理器为中心来实现系统功能，同时在太阳能热水工程检测与控制系统中加入一个以以太网接口芯片为基础构建的嵌入式网络系统。此外，自主设计了可在智能移动设备上运行的远程监控软件，一旦遇到太阳能热水工程系统故障，软件会主动发出预警信号让管理人员及时发现，并通过软件做紧急处理，然后安排工作人员按事故原因进行维修。具体解决方案如下：

1）系统硬件平台。硬件平台（见图4）将传统的CPU换成了功能更强大的ARM，并在外围接入温度流量水位监测、电压电流功率因数监测、键盘输入、网络通信等模块及输出控制交流接触器［4］。网络通信模块采用以太网控制芯片ENC28J60。

图4　系统硬件结构图

2）嵌入式操作系统。嵌入式系统的核心为嵌入式操作系统，该操作系统的精确性强、可靠性高、响应速度快，对系统的控制更精准、快速。本系统采用嵌入式Linux作为嵌入式实时操作系统，由Linux 2.0/2.4内核派生，并以标准的Linux为基础进行了适当的裁剪和优化，在体积变小的同时保留了Linux稳定、移植性好、网络功能强大等优点［7，8］，其内部还嵌有TCP/IP协议，便于在各类处理器中使用，性能稳定、使用方便［9］。

3）远程监测系统。在太阳能热水工程监测与控制系统中，远程控制软件有效提高了系统运行维护的主动性，提高了系统管理水平。本系统结合B/S结构模型和嵌入式Web服务器于一体。

图5　系统操作页面图

4）系统使用流程。通过远程监测系统对楼宇太阳能热水工程集中化远程管控系统完全实现了监测功能，在客户端中可通过用户名和密码进入系统操作页面，可实现对系统的实时监测和控制，便于在系统出现问题时做出及时修改和调整［7］。

本系统使用方式简便易学且有较为完善的智能性，改进后使系统的使用更加安全，对系统的实时监测与控制使系统更加精准。

3.3创新点三

为响应国家“建立一个全国性的太阳能节能信息数据库”的号召，基于本公司正在参与起草的国家标准《太阳能热水工程热能计量与远程监测》，本项目建立了热能计量采集、计算模块和数据库。首先通过水位、温度等传感器采集系统数据；然后通过热能计量模块换算出节能信息，架构出节能信息数据库；通过数据分析和数据挖掘，对热水器工程系统运行数据进行分析处理，为国家太阳能节能信息数据中心提供了基础数据和技术支持。其中，热能计量方法是至关重要的技术创新点。

太阳能热水工程系统热能输入由太阳能集热器回路、辅助热源和耗电量组成［2］。为了准确地对三者进行区分和测量，应对不同部分的热量分别进行热能测量，使计算研究所需的各项指标在使用时更为方便，也使计算结果更为精确。分别测量用户得热量（Quse）、太阳能集热器（Qs）、用户管路循环损失热量（Qtc）、辅助热源（Qaux）和耗电量（Qp），以实现系统整体热能计量［2］。

图6　太阳能热水工程系统能量输入输出转换图

当系统的集热回路和水箱之间以水为传热介质时，有两种方法可以测量太阳能供热量。

方法一：用热量表对太阳能供热量进行测量。应在集热器阵列主管道上安装热量表温度传感器和热量表流量传感器。

方法二：对集热器高温点和低温点分别进行流量测量，应注意，选择的高温点t1测量点应位于集热器出水管道上，低温点t2测量点应位于集热器进水管道上；然后根据式（1）计算得出太阳能供热量Qs：

式中，cf为对应于平均温度的比热容，J/ （kg·℃）；τ为积分采集时间间隔，s；mf为质量流量，t/h。

4　项目主要技术指标（含检测依据）及产品技术路线

依据国家标准GB 14536.1-2008《家用和类似用途电自动控制器 第1部分：通用要求》，本项目完成时应达到的技术指标见表1。产品技术路线如图7所示。

表1　技术指标

图7　工作路线

5　结论

本文详细介绍了一种新型的楼宇太阳能热水工程集中化远程控制系统，并提出其优点、创新点及技术路线。该系统可克服传统控制柜控制系统监控工作烦琐、传感器技术落后、寿命短、无太阳能能量计算及统计模型、无法为

行业内及国家提供数据基础等缺点，并可实现对楼宇太阳能工程的远程监控，使工作人员能及时发现系统中的问题并快速解决，提高了系统的安全性和工作效率，适用于各个公共场所，普及可能性较改进前有较大提高，对我国新能源产业及物联网产业的发展有很大地推动作用。

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2015-12-23

付存谓（1972—），男，硕士，主要从事新能源利用与智能控制系统的设计与开发方面的研究。122132098@qq.com