多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠程監測系統

田志宏，任立鵬，董 智（天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222）

多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠程監測系統

田志宏，任立鵬，董 智
（天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222）

在對太陽能供熱水系統特點及空氣源熱泵工作原理進行研究的基礎上，設計了以空氣源熱泵和電加熱器為輔助熱源的太陽能集中供熱水遠程監測系統，不僅解決了太陽能供熱水系統單一熱源的局限性問題，同時也實現了遠程實時監測.以天津某高校培訓中心采用的太陽能供熱系統為例，結合當地氣候，計算了工程需要的集熱器面積和空氣源熱泵機組數量，詳細介紹了采用模塊化設計方法開發遠程監測系統的過程，并與原天然氣供熱水系統的水、電和天然氣實測消耗量進行了對比.結果表明，多方式輔助加熱太陽能集中供熱水系統的綜合運行費用明顯降低，具有較高的應用價值.

空氣源；集中供熱；遠程；實時監測；Web

太陽能是一種資源豐富、清潔、可再生、免費使用的能源，利用太陽能進行集中供熱水的運行成本低［1］. 在我國新能源和可再生能源利用中，太陽能熱水器是發展最為迅速的項目并且已形成了產業化規模［2］，但在實際的應用中逐漸顯示出一些不足.目前，國內對太陽能熱水系統的研究還存在單一熱源局限性問題，如在陰雨天氣及日照條件不足時水溫達不到使用要求［3］，不能做到全天候提供熱水；另外，缺少有效的遠程監測手段，不能長時間保存數據.

太陽能熱水系統作為當前我國城市中較常見的供熱形式，它的智能化是未來的發展趨勢.計算機技術和網絡技術的發展為設備運行狀態遠程監測的實現提供了技術基礎和保障.借助網絡遠程監測系統，用戶和管理人員可在遠離工業現場時，通過網絡授權，對監測平臺進行瀏覽和實時管理［4］.空氣源熱泵技術是一種低溫余熱利用的節能技術，其作用是從低位熱源中吸收熱量，并把它傳遞給高位熱源，以達到用戶所需的溫度水平［5］，可考慮作為一種輔助熱源.

本文設計了基于Web的多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠程監測系統，其使用超低溫型循環式熱泵熱水系統以及電加熱設備作為輔助熱源，可實現全年、全天候供應熱水，并可為能耗統計提供可靠的數據支撐.

1 集中供熱水系統的工藝及工作原理

多方式輔助加熱太陽能集中供熱水系統主要包括太陽能、空氣源和電加熱子系統等，系統工藝簡圖見圖1.太陽能子系統主要由集熱器和供熱水箱構成，空氣源子系統主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器構成，太陽能子系統和空氣源子系統通過供熱水箱進行耦合.電加熱子系統主要由電加熱棒構成，安裝在供熱水箱底部.

圖1 多方式輔助加熱太陽能集中供熱水系統工藝簡圖Fig. 1 Diagram of multi-mode auxiliary solar hot water heating system

系統中的太陽能子系統、空氣源子系統及電加熱子系統構成并聯系統，當太陽輻射足夠強時，不啟動空氣源和電加熱子系統，太陽能子系統的集熱量可以滿足熱水負荷要求；當輻射不足或無太陽能可利用時，啟動空氣源和電加熱子系統，對水箱中的水進行加熱.

2 集中供熱水系統主要參數的確定

2.1 太陽能集熱器面積計算

天津的太陽能資源較為富足，是我國二等太陽能輻照地區，位于東經117.10°，北緯39.06°，年照時長為2，600～2，800，h，輻射量為5，400～6，700，MJ/m2.參照《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊》，天津地區2013年太陽輻射量見表1，年總輻射量為6，128，MJ/m2.

表1 天津地區2013年太陽輻射量匯總表Tab. 1Summary of the amount of solar radiation in 2013 in Tianjin

太陽能集熱器的面積主要由系統用戶日用水量、太陽能保證率、當地太陽輻照量等參數確定.根據春秋季節為平均值，可以計算每噸水需要的集熱面積，計算公式為

式中：AC為集熱器采光面積，m2；Qw為單位用水量，kg；tend為儲水箱內水的用水溫度，℃；cp為水的比定壓熱容，kJ/（kg·℃）；ti為水的初始溫度，℃；JT為太陽能集熱器受熱面上的年均日輻照量，kJ/㎡；f為太陽能保證率；ηcd為太陽能集熱器年平均集熱效率；ηL為管路及儲水箱的熱損失率.

天津某高校培訓中心共有220個標準房間，最多入住人數為440人，按照人均日用水量60，L計算，選取Qw＝1，000，kg，ρ＝1.0×103，kg/m3，tend＝55，℃，cp＝4.186，8，kJ/（kg·℃），ti＝10，℃，JT＝16，789，kJ/m2，f＝0.6，ηcd＝0.5，ηL＝0.2.代入式（1）得：AC＝16.83，m2.根據培訓中心最大日用水量為26.4，m3進行計算，得集熱面積為444.31，m2，實際安裝的集熱面積為450.2，m2.

2.2 空氣源子系統的機組選型及數量確定

選型及數量的確定原則是用水足量且機組運行不受影響.機組的臺數可根據式（2）計算.

2.3 成本及投資回收期估算

根據以上計算，工程合計需投資約411 742元，其中太陽能供熱系統投資200，376元，屋頂供水及熱泵恒溫系統投資80，136元，綜合控制系統投資25，980元，水處理系統投資45，980元，其他費用59，270元.改造前后系統的水、電、天然氣能耗費用對比見表2.與原天然氣供熱水系統相比，多方式輔助加熱太陽能集中供熱水系統的年能耗費用減少124，668元，下降比例達88.28%，項目投資回收期約為4年.

表2 系統改造前后的綜合能耗對比Tab. 2 Comparison of the total energy consumption of the system before and after reconstruction

3 遠程監測系統整體結構設計

遠程實時監測系統采用三層體系結構，包括數據采集層、數據傳輸層、數據存儲及客戶訪問層.系統中的設備主要包括遠傳儀器儀表、串口轉換器、工控機、系統數據管理和分析發布服務器等.監測系統示意圖見圖2.

圖2 監測系統示意圖Fig. 2 Structure of the monitoring and control system

數據采集層定義在整個系統的最前端.現場的原始數據，如溫度、流量、設備狀態等，是系統的基礎和關鍵，需準確采集.安裝在能源供應通道上的前端數據采集儀表可以對外部模擬量（溫度、壓力、流量等）進行采集、量化和存儲.系統所選儀表內置RS-485標準接口，支持ModBus通信協議，能與工控機或PLC等連接，進行串行通信.

數據傳輸層主要完成數據上傳功能.局域網數據傳輸軟件，除了能增加數據傳輸的速度之外，還起到對傳輸數據的保護作用，其運行機理是將數據的服務端和客戶端定向合并，從而有效地避免了傳統共享數據帶來的潛在數據損害.軟件采用單向式傳輸模式，即使在傳輸中數據被破壞也不會損傷原數據.

數據存儲及客戶訪問層定義在整個系統的頂層，負責整個系統的數據管理以及提供滿足用戶需求的應用.它由數據中心服務器、管理和應用軟件組成，用戶利用瀏覽器對其進行訪問，全部工作根據用戶在系統軟件界面上提出的要求進行.

4 遠程監控系統軟件設計及功能實現

通過Web實時發布功能，可以真實準確地反映出太陽能供熱水系統的運行狀況，方便地實現技術管理人員對系統的監測，還能為評估系統的性能及應用效果提供有力的數據支撐.遠程監測系統可以實現對監測點數據的實時采集、監測、記錄和儲存及對各個加熱子系統的能耗分項計量和在線監測.按照模塊化功能開發系統軟件.

4.1 數據采集

基于MFC開發的串口通信組態軟件，作為整個系統的軟件采集端，目的是提供實時數據的采集、格式處理以及數據庫操作.軟件開發平臺采用Microsoft Visual Studio 2008，采用C++語言進行編程，可與MySQL 數據庫無縫連接.通信組態軟件采用以ModBus協議為標準的數據格式，通過RS-485通信總線定時向遠傳儀表發送讀取指定數據的指令.遠傳儀表將采集的實時數據反饋給工控機，通過CRC16校驗無誤后，將數據轉換成系統的標準格式并存儲到本地的基礎數據庫.串口通信組態軟件的軟件流程見圖3.

圖3 串口通信組態軟件的軟件流程Fig. 3 Software flow chart of the serial communication software

4.2 數據傳輸與數據存儲

工控機通過局域網連接太陽能系統數據中心服務器.MySQL數據庫和Oracle數據庫分別安裝在系統的工控機和數據中心服務器上，配合網絡傳輸客戶/服務器端程序工作.設置固定IP地址和端口號，應用Java網絡編程技術中的Socket和ServerSocket類實現基于TCP協議的套接字.Socket類負責本地服務器和數據中心服務器的建立連接、傳輸以及斷開連接.基礎數據庫通過安裝在本地服務器的客戶端將數據逐條發送到數據中心服務器的服務器端.

存儲數據的表單主要包含分鐘表、小時表、天表、月表、年表，一段時間后將產生大量的記錄.為避免數據量過大影響系統以及應用程序的正常運行，需要適當地刪除和備份表單.基礎數據庫添加15天自動清除功能.數據中心服務器數據庫的分鐘表的備份和刪除間隔為1周，小時表為1個月，天表為1個月.月表和年表是數據分析中最有用的數據，而且需要存儲的數據并不多，所以月表和年表永久保存.

4.3 Web發布功能實現

遠程監測系統的Web發布功能是通過JDBC（Java Data Base Connectivity）結合Servlet、JSP（Java Server Pages）實現的.JDBC作為持久層技術，需要和其他的表示層和業務邏輯層結合使用.用戶在瀏覽器中輸入一個網址并確認后，瀏覽器會向服務器發送一個HTTP請求.服務器端程序接受這個請求，并對該請求進行處理，然后發送一個回應.瀏覽器收到回應，再把回應的內容顯示出來.這種“請求—響應”模式就是典型的Web應用程序訪問過程.在Java Web應用程序中，處理請求并發送響應的過程由Servlet程序完成.

Servlet是使用應用程序設計接口（API）以及相關類和方法的Java程序，是位于Web服務器內部的服務器端的Java應用程序.系統以MyEclipse為開發工具開發頁面，選用Tomcat服務器作為Web應用服務器.

4.4 客戶訪問

Windows遠程桌面功能為實現工控機遠程訪問功能提供了技術基礎和保障.該功能應用在系統的最頂層，提高了整個系統的可操作性.通過遠程桌面功能，可以實時地遠程操作計算機，在在系統中安裝軟件，運行程序，所有的一切都好像直接在計算機上操作一樣［6］.

遠程監測系統主要設計了監測界面和功能界面，系統監測畫面采用力控監控組態軟件ForceControl V7.0開發.該軟件可以將繪制好的圖形添加到圖庫，方便開發利用.通過監測界面可以直觀地對太陽能、熱泵以及電加熱系統的相關參數進行監測，明確系統各部分的運行情況.通過查詢歷史數據功能界面也可查看各個監測點在每個時間段的工況.

Web頁面發布后，用戶通過PC及手機、iPad等移動終端，在IE瀏覽器內輸入服務器的公網IP地址、用戶名和密碼，便可遠程瀏覽系統運行界面并進行相關數據的查詢.管理人員通過頁面顯示的系統結構和相應的監測點的實時數據可以判斷設備的運行狀態.系統的實時運行界面見圖4.

點擊頁面可以查看數據監測點的歷史數據.通過查看歷史數據，可以掌握整個系統在一段時間的整體工況.如果系統在無人值守的情況下出現短時間故障，工作人員可查看歷史數據準確地找出系統的故障點并及時地排除.歷史數據查詢界面見圖5.

圖4 系統實時運行界面Fig. 4 Operating interface of the system

圖5 歷史數據查詢界面Fig. 5 Query interface of historical data

5 結 語

多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠程監測系統可以實時采集能耗數據及通過Web發布系統的實時運行狀況，在提高綠色能源利用率的同時，也解決了單一太陽能熱源在全天候供水方面的不足.應用遠程監測系統大大提高了太陽能供熱水系統的自動化程度，降低了維護管理人員工作量，還可記錄實時性數據，為能耗分析和評價提供依據.

［1］ 李秀忠，鐘造勝. 基于遠程無線監控的太陽能和熱泵集中供熱水系統設計［J］. 節能，2015，34（4）：62-66.

［2］ 李志勇，饒理. 住宅建筑中太陽能熱水系統的整合設計［J］. 華中建筑，2007，25（12）：46-49.

［3］ 梁興華. 太陽能：熱泵熱水系統組成及應用［J］. 價值工程，2010，29（24）：83.

［4］ 周謙，劉志勤，王耀彬，等. 基于XMPP的智能小區遠程控制系統研究與設計［J］. 計算機測量與控制，2015，23（2）：481-484.

［5］ 佘乾仲，廖深瓶，朱惠英. 太陽能熱泵熱水系統遠程監控的設計與實現［J］. 建筑節能，2013，41（10）：45-48.

［6］ 耿慶安，劉娜，張鐳. 基于遠程桌面連接的現場設備遠程控制［J］. 計算機技術與應用，2011，37（1）：117-119.

責任編輯：常濤

Remote Multi-way Auxiliary Heating Monitoring System for Solar Central Heating

TIAN Zhihong，REN Lipeng，DONG Zhi
（College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

Based on the research of the characteristics of solar water heating systems and the working principle of air-source heating pump，a remote monitoring system for solar heating was designed，using air source heating pump and electric heater as the auxiliary heat source.It can not only solve the problem of the limitation of the solar heating system due to single heating source，but also realize the remote and real-time monitoring of the solar water heating system.Taking the solar energy project of a university training center in Tianjin as an example，the required collector area and air source heating pump units were calculated against the local climate.The process of developing a remote monitoring system with modular designs was described in detail，and the actual consumption of water，electricity and natural gas were measured and compared with the natural gas heating system.The results show that the total operation cost of the multi-way auxiliary heating system is obviously reduced，and the system is of higher value in application.

air source；central heating；remote；real-time monitoring；Web

TP277

A

1672-6510（2016）03-0069-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150089

2015-07-07；

2015-12-18

天津市科技支撐計劃資助項目（2014GB2A100526）

田志宏（1966—），男，天津人，教授，zhtian@tust.edu.cn.