田志宏，任立鵬，董 智（天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

田志宏，任立鵬，董 智
（天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

在對(duì)太陽能供熱水系統(tǒng)特點(diǎn)及空氣源熱泵工作原理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅解決了太陽能供熱水系統(tǒng)單一熱源的局限性問題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).以天津某高校培訓(xùn)中心采用的太陽能供熱系統(tǒng)為例，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?，?jì)算了工程需要的集熱器面積和空氣源熱泵機(jī)組數(shù)量，詳細(xì)介紹了采用模塊化設(shè)計(jì)方法開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過程，并與原天然氣供熱水系統(tǒng)的水、電和天然氣實(shí)測(cè)消耗量進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明，多方式輔助加熱太陽能集中供熱水系統(tǒng)的綜合運(yùn)行費(fèi)用明顯降低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值.

空氣源；集中供熱；遠(yuǎn)程；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；Web

太陽能是一種資源豐富、清潔、可再生、免費(fèi)使用的能源，利用太陽能進(jìn)行集中供熱水的運(yùn)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(fā)展最為迅速的項(xiàng)目并且已形成了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模［2］，但在實(shí)際的應(yīng)用中逐漸顯示出一些不足.目前，國內(nèi)對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)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(shí)水溫達(dá)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)手段，不能長時(shí)間保存數(shù)據(jù).

太陽能熱水系統(tǒng)作為當(dāng)前我國城市中較常見的供熱形式，它的智能化是未來的發(fā)展趨勢(shì).計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)和保障.借助網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用戶和管理人員可在遠(yuǎn)離工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)授權(quán)，對(duì)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行瀏覽和實(shí)時(shí)管理［4］.空氣源熱泵技術(shù)是一種低溫余熱利用的節(jié)能技術(shù)，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(dá)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(shè)計(jì)了基于Web的多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其使用超低溫型循環(huán)式熱泵熱水系統(tǒng)以及電加熱設(shè)備作為輔助熱源，可實(shí)現(xiàn)全年、全天候供應(yīng)熱水，并可為能耗統(tǒng)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐.

1 集中供熱水系統(tǒng)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(tǒng)主要包括太陽能、空氣源和電加熱子系統(tǒng)等，系統(tǒng)工藝簡圖見圖1.太陽能子系統(tǒng)主要由集熱器和供熱水箱構(gòu)成，空氣源子系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器構(gòu)成，太陽能子系統(tǒng)和空氣源子系統(tǒng)通過供熱水箱進(jìn)行耦合.電加熱子系統(tǒng)主要由電加熱棒構(gòu)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(tǒng)工藝簡圖Fig. 1 Diagram of multi-mode auxiliary solar hot water heating system

系統(tǒng)中的太陽能子系統(tǒng)、空氣源子系統(tǒng)及電加熱子系統(tǒng)構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，當(dāng)太陽輻射足夠強(qiáng)時(shí)，不啟動(dòng)空氣源和電加熱子系統(tǒng)，太陽能子系統(tǒng)的集熱量可以滿足熱水負(fù)荷要求；當(dāng)輻射不足或無太陽能可利用時(shí)，啟動(dòng)空氣源和電加熱子系統(tǒng)，對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱.

2 集中供熱水系統(tǒng)主要參數(shù)的確定

2.1 太陽能集熱器面積計(jì)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(qū)，位于東經(jīng)117.10°，北緯39.06°，年照時(shí)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(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)》，天津地區(qū)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(qū)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(tǒng)用戶日用水量、太陽能保證率、當(dāng)?shù)靥栞椪樟康葏?shù)確定.根據(jù)春秋季節(jié)為平均值，可以計(jì)算每噸水需要的集熱面積，計(jì)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(chǔ)水箱內(nèi)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(chǔ)水箱的熱損失率.

天津某高校培訓(xùn)中心共有220個(gè)標(biāo)準(zhǔn)房間，最多入住人數(shù)為440人，按照人均日用水量60，L計(jì)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(jù)培訓(xùn)中心最大日用水量為26.4，m3進(jìn)行計(jì)算，得集熱面積為444.31，m2，實(shí)際安裝的集熱面積為450.2，m2.

2.2 空氣源子系統(tǒng)的機(jī)組選型及數(shù)量確定

選型及數(shù)量的確定原則是用水足量且機(jī)組運(yùn)行不受影響.機(jī)組的臺(tái)數(shù)可根據(jù)式（2）計(jì)算.

2.3 成本及投資回收期估算

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

表2 系統(tǒng)改造前后的綜合能耗對(duì)比Tab. 2 Comparison of the total energy consumption of the system before and after reconstruction

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及客戶訪問層.系統(tǒng)中的設(shè)備主要包括遠(yuǎn)傳儀器儀表、串口轉(zhuǎn)換器、工控機(jī)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和分析發(fā)布服務(wù)器等.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖見圖2.

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Structure of the monitoring and control system

數(shù)據(jù)采集層定義在整個(gè)系統(tǒng)的最前端.現(xiàn)場(chǎng)的原始數(shù)據(jù)，如溫度、流量、設(shè)備狀態(tài)等，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，需準(zhǔn)確采集.安裝在能源供應(yīng)通道上的前端數(shù)據(jù)采集儀表可以對(duì)外部模擬量（溫度、壓力、流量等）進(jìn)行采集、量化和存儲(chǔ).系統(tǒng)所選儀表內(nèi)置RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口，支持ModBus通信協(xié)議，能與工控機(jī)或PLC等連接，進(jìn)行串行通信.

數(shù)據(jù)傳輸層主要完成數(shù)據(jù)上傳功能.局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸軟件，除了能增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣戎?，還起到對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的保護(hù)作用，其運(yùn)行機(jī)理是將數(shù)據(jù)的服務(wù)端和客戶端定向合并，從而有效地避免了傳統(tǒng)共享數(shù)據(jù)帶來的潛在數(shù)據(jù)損害.軟件采用單向式傳輸模式，即使在傳輸中數(shù)據(jù)被破壞也不會(huì)損傷原數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及客戶訪問層定義在整個(gè)系統(tǒng)的頂層，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理以及提供滿足用戶需求的應(yīng)用.它由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、管理和應(yīng)用軟件組成，用戶利用瀏覽器對(duì)其進(jìn)行訪問，全部工作根據(jù)用戶在系統(tǒng)軟件界面上提出的要求進(jìn)行.

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

通過Web實(shí)時(shí)發(fā)布功能，可以真實(shí)準(zhǔn)確地反映出太陽能供熱水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，方便地實(shí)現(xiàn)技術(shù)管理人員對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，還能為評(píng)估系統(tǒng)的性能及應(yīng)用效果提供有力的數(shù)據(jù)支撐.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)、記錄和儲(chǔ)存及對(duì)各個(gè)加熱子系統(tǒng)的能耗分項(xiàng)計(jì)量和在線監(jiān)測(cè).按照模塊化功能開發(fā)系統(tǒng)軟件.

4.1 數(shù)據(jù)采集

基于MFC開發(fā)的串口通信組態(tài)軟件，作為整個(gè)系統(tǒng)的軟件采集端，目的是提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、格式處理以及數(shù)據(jù)庫操作.軟件開發(fā)平臺(tái)采用Microsoft Visual Studio 2008，采用C++語言進(jìn)行編程，可與MySQL 數(shù)據(jù)庫無縫連接.通信組態(tài)軟件采用以ModBus協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，通過RS-485通信總線定時(shí)向遠(yuǎn)傳儀表發(fā)送讀取指定數(shù)據(jù)的指令.遠(yuǎn)傳儀表將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給工控機(jī)，通過CRC16校驗(yàn)無誤后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式并存儲(chǔ)到本地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫.串口通信組態(tài)軟件的軟件流程見圖3.

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

4.2 數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

工控機(jī)通過局域網(wǎng)連接太陽能系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器.MySQL數(shù)據(jù)庫和Oracle數(shù)據(jù)庫分別安裝在系統(tǒng)的工控機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上，配合網(wǎng)絡(luò)傳輸客戶/服務(wù)器端程序工作.設(shè)置固定IP地址和端口號(hào)，應(yīng)用Java網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)中的Socket和ServerSocket類實(shí)現(xiàn)基于TCP協(xié)議的套接字.Socket類負(fù)責(zé)本地服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的建立連接、傳輸以及斷開連接.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫通過安裝在本地服務(wù)器的客戶端將數(shù)據(jù)逐條發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的服務(wù)器端.

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的表單主要包含分鐘表、小時(shí)表、天表、月表、年表，一段時(shí)間后將產(chǎn)生大量的記錄.為避免數(shù)據(jù)量過大影響系統(tǒng)以及應(yīng)用程序的正常運(yùn)行，需要適當(dāng)?shù)貏h除和備份表單.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫添加15天自動(dòng)清除功能.數(shù)據(jù)中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的分鐘表的備份和刪除間隔為1周，小時(shí)表為1個(gè)月，天表為1個(gè)月.月表和年表是數(shù)據(jù)分析中最有用的數(shù)據(jù)，而且需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并不多，所以月表和年表永久保存.

4.3 Web發(fā)布功能實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的Web發(fā)布功能是通過JDBC（Java Data Base Connectivity）結(jié)合Servlet、JSP（Java Server Pages）實(shí)現(xiàn)的.JDBC作為持久層技術(shù)，需要和其他的表示層和業(yè)務(wù)邏輯層結(jié)合使用.用戶在瀏覽器中輸入一個(gè)網(wǎng)址并確認(rèn)后，瀏覽器會(huì)向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)HTTP請(qǐng)求.服務(wù)器端程序接受這個(gè)請(qǐng)求，并對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行處理，然后發(fā)送一個(gè)回應(yīng).瀏覽器收到回應(yīng)，再把回應(yīng)的內(nèi)容顯示出來.這種“請(qǐng)求—響應(yīng)”模式就是典型的Web應(yīng)用程序訪問過程.在Java Web應(yīng)用程序中，處理請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)的過程由Servlet程序完成.

Servlet是使用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口（API）以及相關(guān)類和方法的Java程序，是位于Web服務(wù)器內(nèi)部的服務(wù)器端的Java應(yīng)用程序.系統(tǒng)以MyEclipse為開發(fā)工具開發(fā)頁面，選用Tomcat服務(wù)器作為Web應(yīng)用服務(wù)器.

4.4 客戶訪問

Windows遠(yuǎn)程桌面功能為實(shí)現(xiàn)工控機(jī)遠(yuǎn)程訪問功能提供了技術(shù)基礎(chǔ)和保障.該功能應(yīng)用在系統(tǒng)的最頂層，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可操作性.通過遠(yuǎn)程桌面功能，可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)程操作計(jì)算機(jī)，在在系統(tǒng)中安裝軟件，運(yùn)行程序，所有的一切都好像直接在計(jì)算機(jī)上操作一樣［6］.

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)界面和功能界面，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面采用力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl V7.0開發(fā).該軟件可以將繪制好的圖形添加到圖庫，方便開發(fā)利用.通過監(jiān)測(cè)界面可以直觀地對(duì)太陽能、熱泵以及電加熱系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，明確系統(tǒng)各部分的運(yùn)行情況.通過查詢歷史數(shù)據(jù)功能界面也可查看各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)間段的工況.

Web頁面發(fā)布后，用戶通過PC及手機(jī)、iPad等移動(dòng)終端，在IE瀏覽器內(nèi)輸入服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址、用戶名和密碼，便可遠(yuǎn)程瀏覽系統(tǒng)運(yùn)行界面并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢.管理人員通過頁面顯示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài).系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行界面見圖4.

點(diǎn)擊頁面可以查看數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù).通過查看歷史數(shù)據(jù)，可以掌握整個(gè)系統(tǒng)在一段時(shí)間的整體工況.如果系統(tǒng)在無人值守的情況下出現(xiàn)短時(shí)間故障，工作人員可查看歷史數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地找出系統(tǒng)的故障點(diǎn)并及時(shí)地排除.歷史數(shù)據(jù)查詢界面見圖5.

圖4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行界面Fig. 4 Operating interface of the system

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢界面Fig. 5 Query interface of historical data

5 結(jié) 語

多方式輔助加熱太陽能集中供熱水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集能耗數(shù)據(jù)及通過Web發(fā)布系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，在提高綠色能源利用率的同時(shí)，也解決了單一太陽能熱源在全天候供水方面的不足.應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大大提高了太陽能供熱水系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低了維護(hù)管理人員工作量，還可記錄實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，為能耗分析和評(píng)價(jià)提供依據(jù).

［1］ 李秀忠，鐘造勝. 基于遠(yuǎn)程無線監(jiān)控的太陽能和熱泵集中供熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 節(jié)能，2015，34（4）：62-66.

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

［3］ 梁興華. 太陽能：熱泵熱水系統(tǒng)組成及應(yīng)用［J］. 價(jià)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(qū)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］. 計(jì)算機(jī)測(cè)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(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 建筑節(jié)能，2013，41（10）：45-48.

［6］ 耿慶安，劉娜，張鐳. 基于遠(yuǎn)程桌面連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制［J］. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2011，37（1）：117-119.

責(zé)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(jì)劃資助項(xiàng)目（2014GB2A100526）

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