物聯網太陽能采暖系統的研究與設計

劉濟寧 曹銀生 趙斌

摘 要：本文主要研發了一款太陽能采暖智能控制系統，采用可編程控制器、工控機（組態軟件）、手機（APP）組成的物聯網系統可以實現機組的數據采集和遠程傳輸，不僅可以實現電腦的遠程監控，還可以實現手機遠程監測。該系統主要包括兩個部分：太陽能采暖裝置子項和物聯網子項。利用該系統可以便捷的實現冬季采暖，制取衛生熱水，同時設置傳感器、控制器將該系統接入局域網或互聯網，通過組態王軟件和組態手機APP實現人機智能化交互。

關鍵詞：太陽能采暖；智能控制系統；可編程控制器；物聯網；組態王；手機APP

Abstract：In this paper， a solar heating intelligent control system is developed，Using the programmable controller， industrial control computer（configuration software）， mobile phone（APP） composed of the Internet of things system can achieve data acquisition and remote transmission unit，Not only can realize the remote monitoring of the computer， but also can realize remote monitoring.The system mainly consists of two parts： the solar heating device， the sub item and the net item.Winter heating can achieve convenient use the system for water heating， at the same time， the system will set the sensor controller access the Internet or LAN， human-computer intelligent interaction through the realization of configuration software and configuration of APP mobile phone.

Key words：solar heating；Intelligent control system；PLC；Internet of things；Kingview；mobile APP

我國太陽能資源豐富，尤其是北方的太陽能受天氣影響較小，資源尤其豐富。我國絕大部分的建筑采暖仍然依靠化石類燃料或者電能，依靠太陽能的裝置很少。目前太陽能熱能的應用還是以太陽能熱水器為主，以水作為傳熱介質的太陽能熱水器，提溫慢、承壓能力差，不適合作為采暖熱源。[ 2 ]物聯網，顧名思義，就是物物相連的互聯網。它利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。[ 4 ]本文主要研發了一款太陽能采暖智能控制系統，該系統主要包括兩個部分：太陽能采暖裝置和物聯網智能控制系統。[ 1 ]利用該系統可以便捷的實現冬季采暖，制取衛生熱水，同時設置傳感器、控制器將該系統接入局域網或互聯網，通過組態王軟件和組態手機APP實現人機智能化交互。

1 太陽能采暖裝置研究與設計

在物聯網太陽能采暖系統的研究與設計中，初步將該項目分解為兩個子項目：太陽能采暖裝置和物聯網智能控制系統。兩個子項既相對獨立，又相互配合支持。

太陽能采暖裝置可以收集太陽能的熱量，并輸送至蓄熱水箱和室內的換熱器將水或其他液體從低溫加熱到高溫，將太陽能轉化為熱能，實現了室內采暖和制取衛生熱水。

太陽能采暖裝置主要包括傳熱介質、室內機、氣液分離器、儲液罐、液體泵、蓄熱水箱、太陽能集熱板以及電磁閥等。

該裝置可以實現冬天室內采暖和一年四季制取衛生熱水，其原理結構圖如圖1所示。

采暖模式時，傳熱介質以液體的形式經過液體泵送入太陽能集熱板。傳熱介質在太陽能集熱板內吸收熱量，由液體沸騰轉變為氣體。氣體形式的傳熱介質繼續前進通過氣液分離器，進入室內機。[ 5 ]在室內機里，傳熱介質放熱由氣體冷凝為液體，再次進入液體泵實現下一個循環。通過電磁閥的啟閉調節，該裝置可以制取衛生熱水和蓄熱水箱蓄熱。

該裝置采用高溫制冷劑作為傳熱介質，主要利用了介質的潛熱，系統充注量極低，熱惰性小，從太陽開始照射到室內機吹出熱風幾乎是“即時”的，同時高溫制冷劑的凝固點較低，完全避免了凍結的危險。

該裝置的室內機布置在室內，太陽能集熱板布置在室外的外墻或屋面，各部件采用銅管連接，安裝十分方便。

該裝置具有熱惰性小、升溫快、方便安裝、冬天防凍、四季通用、系統可靠等優點。傳統的太能采暖以水為傳熱介質，系統水容量大，從太陽開始照射到水溫達到40-50℃的可供暖溫度需要較長的時間，并且冬天存在凍結的危險。

2 物聯網智能控制系統設計

2.1 系統總體結構設計

物聯網智能控制系統包括現場控制部分、數據采集部分、數據遠程傳輸部分、移動終端部分。如圖2所示為太陽能采暖裝置的物聯網控制系統的基本結構圖。

該圖中的可編程控制器可以作為太陽能采暖裝置的現場級控制部分。可編程控制器收集并處理各個傳感器送來的模擬量信號，顯示在觸摸屏上，根據實時采集的信號控制泵和風機的啟停以及電磁閥的開啟閉合。

工控機作為數據采集遠傳部分。工控機或電腦上運行組態軟件，組態軟件通過物理有線連接和可編程控制器通訊。組態軟件讀取可編程控制器上采集的機組參數，并顯示在工控機或電腦的顯示屏上，同時可以控制機組的運行（設置分級密碼，不推薦遠程控制）。

移動終端部分作為遠程監測端。移動終端手機APP通過互聯網或局域網訪問工控機上的數據，并顯示在手機屏幕上。手機APP只設置機組開關的控制功能。

2.2 監控對象設計

太陽能采暖裝置可以收集太陽能的熱量并輸送至蓄熱水箱和室內的換熱器，實現室內采暖和制取衛生熱水。現擬為該裝置設置物聯網裝置，實現數據的采集、遠傳以及開關機控制，同時可以實現PC和手機APP監控。太陽能采暖裝置的原理結構圖如圖1所示。在該裝置中，需要檢測的物理量有12個：系統高壓、系統低壓、液泵進出口溫度、太陽能板出口溫度、蓄熱水箱氟路進出口溫度、蓄熱水箱水溫、室內機氟路進出口溫度以及室內機空氣進出口溫度等；[ 6 ]需要控制的物理量有5個：電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4和電磁閥5。[ 6 ]

2.3 控制邏輯設計

可編程控制器中電磁閥的開啟邏輯：

室內采暖時，閥1、閥4開啟，閥2、閥3關閉；

水箱蓄熱時，閥2、閥4開啟，閥1、閥3關閉；

水箱放熱時，閥1、閥3開啟，閥2、閥4關閉；

閥5為回液間歇電磁閥，間歇啟閉，具體時間可以設置，暫定10s開10s關。

2.4 實現功能

手機APP可以實現實時數據（實時圖表、實時報表、設置值）、歷史數據（趨勢曲線、歷史報表）、報警數據（實時報警、歷史報警）等功能，界面見下圖。

3 總結

該裝置制作完成，根據實際數據，可以考慮將該裝置作為熱源與溶液空調或吸收式空調組合使用，形成太陽能空調。太陽能空調具有先天的應用優勢，太陽能輻照強度越大，房間冷負荷越高，空調的制冷量越大，能夠較好的適應建筑空調負荷。太陽能空調是目前空調領域的研究前沿，具有巨大的社會效益和經濟效益。

太陽能采暖裝置子項若能持續改進，進而商品化，冬天可以進行采暖，夏天可以制取衛生熱水。該裝置可以廣泛應用于國內南方地區、廣大的農村地區以及其他工業加熱干燥場合，具有良好的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

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[6] 曲世琳，馬飛，吉玉寶，.陳彩霞.非直膨式太陽能水源熱泵地板輻射采暖實驗系統研究[J].南京理工大學學報（自然科學版），2010（1）：1005-9830.