基于綠色生物能源的自熱式智能供暖健康家居系統(tǒng)

李錦良，張福鼎

(江蘇第二師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇南京，210013)

0 引言

目前我國在北方地區(qū)主要采取集體供暖，南方是由用戶自行解決供暖問題，造成很大的能耗以及環(huán)境污染[1]，比如工業(yè)鍋爐每年消耗4億多噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其能源消耗和污染排放均居全國工業(yè)行業(yè)第二。隨后供暖轉(zhuǎn)向使用天然氣，以其作為能源的燃?xì)鉄崴仩t裝置可以便于實現(xiàn)智能化控制，能夠更好的提高鍋爐的燃燒效率[2]。雖然天然氣是幾乎零污染的清潔型能源，但是屬于不可再生資源，過度的使用并不能達(dá)到環(huán)保要求。

為了實現(xiàn)保護(hù)環(huán)境和降低能耗，市場上供暖設(shè)備進(jìn)行了一些改進(jìn)，比如采用新型清潔能源，以太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉礊閯恿υ碵3]，用于減少不可再生資源的消耗及環(huán)境污染。在天津地區(qū)以及浙江地區(qū)采用地?zé)崮苓M(jìn)行供暖[1,4]，但是地?zé)崮艽嬖谝恍┏鞘袠欠棵芗牡貐^(qū)并不能使用的缺點；在京津翼地區(qū)因為具有豐富的風(fēng)能，出現(xiàn)采用風(fēng)力發(fā)電代替了燃燒發(fā)電[5]，但同樣風(fēng)能的使用也受到地域的限制；有的是對鍋爐或者供暖設(shè)備控制進(jìn)行改造[6]；還有的采用雙能源系統(tǒng)交替使用，用于更好的應(yīng)對突發(fā)狀況[4,7,8]。在生物質(zhì)能源方面，采用以沼氣為能源的空調(diào)，相比于普通的電力空調(diào)，以沼氣為能源在季節(jié)用能效率更加具有優(yōu)勢[9]，可以進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)；而沼氣的產(chǎn)生可以通過自熱式鍋爐裝置產(chǎn)生，其所使用的原材料則是分解秸稈、麥殼等生物能源[10-12]，來源廣泛且對于閉合能源循環(huán)具有更實際的意義。

隨著目前互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能化逐漸普及我們的生活，智能家居也步入我們的生活[13]。而智能供暖設(shè)備在智能家居設(shè)備之中在模式上智能，依據(jù)不同的受眾舒適度對不同的人群采用不同模式，所以不同的供暖模式可以讓用戶更好的享受供暖。另外將云計算與中央空調(diào)的運行控制系統(tǒng)相結(jié)合，來實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[14]。上述的智能供暖系統(tǒng)考慮到了用戶的舒適度還有對于資源的節(jié)約，但是在安全方面略顯不足。相比于傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)，綠色智能的供暖設(shè)備不僅僅解決了供暖、環(huán)境等問題，而且讓用戶得到了更加人性化的良好體驗感。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主要分為加熱模塊、控制模塊以及供暖模塊。加熱模塊主要是將生物質(zhì)燃料采用自熱式分解模塊進(jìn)行分解，產(chǎn)生生物油作為燃料進(jìn)行加熱，同時配備了溫度控制模塊以及報警模塊確保分解過程安全。其次就是控制模塊，為本系統(tǒng)的主體模塊，用于實現(xiàn)各種供暖策略，及保護(hù)措施，其可以對另外兩個模塊進(jìn)行實時控制，同時可以接收用戶遠(yuǎn)程控制信息，配以液晶顯示器便于實時觀察。最后一個是供暖模塊，對于供暖端采用遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊及報警模塊，可以實現(xiàn)防止兒童或者老人的誤觸，同時又可以讓用戶自行確認(rèn)供暖等功能是否正常實施。

圖1 整體框架模型

系統(tǒng)硬件中供給熱水方面的流程是通過供水到補水泵然后再由補水泵將水運于燃?xì)忮仩t進(jìn)行加熱。加熱完成之后通過蓄熱水泵將熱水送于蓄熱箱。最后由蓄熱箱再經(jīng)過變頻水泵、換熱器到達(dá)供熱水泵從而達(dá)到供暖效果。整個過程采用了燃?xì)忮仩t，同時采用蓄熱箱達(dá)到儲熱蓄熱，保證了用戶可以在用電高峰期依舊享受供暖。系統(tǒng)燃?xì)忮仩t模塊及加熱模塊以C52單片機作為控制模塊，在進(jìn)行運行工作時，通過比例閥來控制供氣的數(shù)量。另外采用了檢測、報警電路，監(jiān)測該裝置的安全性。溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測溫度的升高以及降低，然后通過數(shù)碼管顯示出來。同時如果當(dāng)溫度異常時，則會通過揚聲器發(fā)出警報進(jìn)行警示。而點火變壓器、安全電磁閥、壓力開關(guān)等裝置進(jìn)一步確保了操作的安全，同時具有人機交互裝置提高了該裝置的智能性。

系統(tǒng)運行流程如圖2所示，當(dāng)開機運行時首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，當(dāng)組件出現(xiàn)異常時，進(jìn)行報錯顯示，在屏幕上顯示相應(yīng)錯誤代碼；正常情況則進(jìn)入到運行狀態(tài)，開始讀取傳感器溫度值，通過程序設(shè)定閾值進(jìn)行判決，依據(jù)當(dāng)前室溫與屋外溫度等環(huán)境因素選擇相應(yīng)的供暖策略，并設(shè)定運行時間，實現(xiàn)最大程度供暖與節(jié)能的平衡。通過判決按鍵是否按下來進(jìn)行報警范圍設(shè)定，這里可以給用戶一定的自主選擇權(quán)。當(dāng)系統(tǒng)處于長時間運轉(zhuǎn)過程中，在屏幕上實時刷新當(dāng)時溫度值，假如處于超限狀態(tài)，則進(jìn)行聲光報警進(jìn)行提示，同時啟動恒溫設(shè)備來保證室溫與系統(tǒng)安全，在一定延時后，繼續(xù)讀取傳感器中的溫度數(shù)值。

圖2 流程圖

2 總結(jié)與展望

本文主要以基于綠色生物能源的自熱式智能供暖健康家居系統(tǒng)為研究對象，研究了如何收集并利用綠色生物能源，建立自熱式的智能供暖家居系統(tǒng)，為現(xiàn)代社會的健康家居生活提供有力依據(jù)，幫助提升用戶使用體驗，促進(jìn)智能家居與環(huán)境保護(hù)的健康發(fā)展。首先介紹了當(dāng)前供暖能源的發(fā)展概況，課題的研究意義，再分國內(nèi)和國外兩方面介紹了當(dāng)下前沿技術(shù)，然后介紹了本文所采用的生物質(zhì)能源技術(shù)，在智能家居系統(tǒng)中上通過算法控制獲取最大程度平衡，并把使用安全與預(yù)警數(shù)據(jù)提取出來，轉(zhuǎn)換成歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲。本文采用了單片機作為開發(fā)平臺，后續(xù)將準(zhǔn)備升級到FPGA，采用PYNQ開源硬件平臺進(jìn)行開發(fā)，對獲取的實時數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行更細(xì)致的分類與判決，同時提高系統(tǒng)運行速度。