太阳能热水远程监控与能耗计量系统开发

2022-03-16 08:28:43 | 浏览次数：

摘要：阐述了太阳能热水工程的研究发展及特点，提出了太阳能热水远程监控与能耗计量系统的设计与实现方案，并且依据技术经济指标计算公式得到系统的节能减排数据。配备了具有GPRS/以太网模块的数据采集装置，开发了基于.Net平台的数据中心软件以及web发布平台，具有数据接收、处理、分析、查询等功能。应用结果表明，系统运行稳定，操作简单，数据可靠性高。

关键词：太阳能；远程监控；数据中心；能耗计量

中图分类号： TN911.7⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）21⁃0145⁃04

Development of remote monitoring and energy metrology

system for solar heating water project

HUANG Chun⁃tao， JIANG Zhou⁃shu， RUAN Zhi⁃peng， HUANG Guo⁃hui

（Automation College， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The development and characteristics of the solar heating water project are elaborated. The design scheme and realizing solution of the remote monitoring system of the solar heating water project were proposed. The energy conservation and emission reduction data were got depending on the design formulas about technological and economic indicators. GPRS/Ethernet transmitter module was equipped. The data center utility software based on .NET digital platform and Web issue platform with functions for data reception， display， analysis， query and so on. The application result indicates that the system is stable and easy to operate， and has high data reliability.

Keywords： solar energy； remote monitoring； data centre； energy metrology

0 引言

太阳能作为一种可再生能源，分布广泛，资源丰富，是理想的未来能源。广泛利用太阳能是解决能源短缺、减少环境污染的有效途径之一。近年来，太阳能行业在新能源行业内发展迅速，其中太阳能热水器总集热面积逐年上涨，目前总利用面积高达1.5亿平方米[1]。近些年家用太阳能市场趋于饱和，增速缓慢，而太阳能热水工程集热面积的年增长率逐年上升，越来越多的工厂、学校、医院、酒店开始建设太阳能集热工程。

但我国在工程太阳能热利用上存在的问题却是显而易见的[2]，太阳能工程项目大多不配备计量与监控系统，这使得太阳能系统的实时运行状态、运行参数、能源节约指标、环境效益指标等无法得到真实可靠的数据支持。因此开发一种针对太阳能热水工程的远程监控与能耗计量系统具有较高的工程应用价值，可以为优化太阳能热水系统控制、探索太阳能最大利用率等问题提供坚实的数据基础。

1 系统整体架构设计

太阳能热水远程监控系统由分布在不同地区、不同气候的现场监测系统与数据中心平台构成。现场监测系统通过GPRS与数据中心平台软件进行数据交互，实现对现场的远程监控，同时监测数据通过服务器以网页的形式发布。

1.1 现场监测计量系统

现场监测计量系统（以总系统中某个单水箱⁃热泵系统为例）主要由现场监测仪表和数据采集装置构成。

现场监测计量仪表主要包括：环境温度传感器T4、集热管道温度传感器T0、集热器温度传感器T1、用户侧管道温度传感器T3、水箱温度传感器T2、热能表、电能表、流量计、辐照表、风速仪、压力计等构成。系统构成如图1所示。

数据采集装置采集现场工程运行状态及相对应的能耗数据信息，如气象信息、太阳能集热器运行状态、辅助能源供热设备运行状态、集热器入出口水温、集热器循环水流量、设备功耗、系统总功耗等数据；数据中继器接受采集器所采集的数据信息并将数据打包、加密，以标准网络数据传输格式通过GPRS或以太网发送给远程数据监控中心。

图1 太阳能⁃热泵系统

1.2 系统网络架构

本文设计的太阳能热水远程监控与能耗计量系统采用三层网络架构：第一层为现场设备层，该层由数据采集器、数据中继器、GPRS通信模块及各种传感器组成，控制器用于控制现场执行机构的正常工作，协调数据采集器对各个传感器的输出参数进行采集，并将采集结果输出到通信模块完成数据的上传；第二层为数据处理层，在监测中心服务端开发远程数据通信与管理软件，利用Socket通信技术实现监测中心与工程现场之间基于TCP/IP的数据通信；第三层为门户应用层，采用ASP.NET技术开发了数据发布网站，该网站部署在监测中心IIS服务器内，通过浏览器访问该网站，用户可随时随地浏览工程数据。系统网络拓扑图如图2所示。

图2 系统网络拓扑图

2 系统软件设计

2.1 软件设计

根据远程数据监测中心软件的总体设计，构建了.Net平台下3层架构模式，分别为用户界面表示层、业务逻辑层和数据访问层。在WINDOWS操作系统下设计了一套基于面向对象思想、以Microsoft SQL2005为数据库，并引入NI、MSChart和Flash等绘图控件，使用TCP/IP为基本通信协议的数据中心计量监测软件。

2.2 软件功能

远程数据监控系统软件包含9个功能模块：系统配置模块实现对各个监测子项目的项目与采集点信息配置，界面显示模块实现对项目监测数据信息的多功能显示，远程网络通信模块实现数据中心与现场采集装置GPRS/以太网连接，远程设备控制模块实现对各个工程项目中的采集装置参数设置以及部分现场运行设备开关控制，故障报警模块实现对工程项目现场设备非正常状态信息的多方式通报提醒，数据查询模块实现对历史数据的查询以及报表打印，日志管理模块实现对系统自身的监测管理，用户管理模块实现对操作人员权限的管理。具体功能框架图如图3所示。

图3 远程数据监控系统功能框架图

2.3 关键技术实现

2.3.1 通信机制

数据中心与数据中继器之间使用GPRS进行通信。GPRS无需通过外接线路接入网络，只需在网络覆盖的区域安装GPRS接入装置即可[3]。GPRS网络具有实时在线、传输速率高、传输时延小等特点[4]，很好地满足了本文监控系统对数据传输的要求。

在网络传输层上，选择面向连接传输稳定的TCP/IP网络传输协议。TCP的可靠机制允许设备处理丢失、延时、重复及读错的包，超时机制允许设备检测丢失包并请求重发。此外，监控数据中心异步开启TCP监听后，可同时接受多个工程中继器的连接请求，建立稳定连接后进行数据收发。

2.3.2 远程设备控制

远程设备控制操作使数据中心工作人员无需到现场即可对工程设备进行操作。

选用面向连接的TCP/IP作为通信协议，服务器可以使用Listen方法侦听连接[5]。Accept方法处理任何传入的连接请求，并返回可用于与远程主机进行数据通信的Socket。基于套接字的TCP连接，理论上能够自动侦测套接字是否断开，但是如果遇到长时间无数据交互或者网线拔出等非正常情况下，系统可能无法侦测到套接字的断开[6]，导致丢失客户端上传的数据。TCP异常情况如图4所示。

图4 TCP异常情况图

针对以上问题，每次Socket收发数据时，服务端采用TCPClient.Client的Peek方法，试读客户端一个字节的数据，Peek参数指定读取的字节不会从数据缓存区中移除，如果能够读到此一个字节的数据，表示Socket连接仍然完好；一旦没有读到此字节，表示Socket已处在非正常工作状态，系统主动断开Socket，下位机进行重连。同时中继器定时向数据中心发送心跳包监测TCP连接是否正常，一旦发现服务端一段时间内未收到心跳包，则认为中继器连接断开，重新请求连接。这样的通信机制，使得中继器与数据中心始终保持正常连接，为设备远程控制提供保障[9]。

在网络连接保证稳定有效的基础上，对中继器发送控制指令，实时控制现场设备。控制过程中，中继器将控制指令发送给控制器，控制器动作后，返回完成指令。如果指令返回时间在上位机延时等待的时间内，则控制成功；未收到完成指令，上位机重发控制指令。中继器上传一帧最新的状态数据，以确认系统工作在最新的状态。这样的操作机制类似于TCP[10]三次握手，能够保证控制的可靠性与实时性。

3 技术经济评价指标

太阳能集热工程能源管理系统的经济评价指标主要有系统耗电量、太阳能热水系统得热量、常规能源替代量（吨标准煤）、二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、太阳能集热系统效率、太阳能保证率、热泵能效比等。文章基于以上指标进行分析计算。

3.1 太阳能集热量

在集热的过程中涉及到的计量指标有太阳能辐射能以及太阳能集热量。太阳能辐照能通过总辐射表并按公式（1）计算获得，太阳能集热量可以通过热量表测量或者通过测量温度和流量的方法并采用计算公式（2）获得：

[Qs=GAcτ×10-3， G≥50 W/m2] （1）

[Qc=cfmf（t1-t2）τ3 600] （2）

式中：[Qs]表示太阳能辐射能，[Qc]表示太阳能集热量，单位均为[kJ]；[G]代表太阳总辐照度，单位为[Wm2]；[Ac]表示热水系统中的太阳集热器的轮廓采光面积，单位为[m2；][τ]表示积分采集时间间隔，单位为s；[cf]表示工质平均温度的传热比热容，单位为[J/（kg⋅℃）；][mf]表示传热工质质量流量，单位为[th]；[t1，t2]分别表示热量测量高温点水温与低温点水温，单位为℃。

3.2 常规能源替代量分析

常规能源替代量反映的是整个系统用户真正节能的部分。所谓真正节能是指通过集热将热量吸收并且最终被用户利用的热量。常规能源替代量的定义如下：

[Qbm=（Qsh-Qaux）W] （3）

式中：[Qbm]表示常规能源替代量，单位为吨/标准煤；[Qsh]表示太阳能热水系统供热量，单位为[GJ；][Qaux]表示辅助热源供热量；[W]表示太阳能热水系统耗电量，单位为[kW⋅h；][W]取值为29.307[GJ/tec。]

一周常规能源替代量走势图见图5。

图5 常规能源替代量

3.3 二氧化碳减排量、二氧化硫减排量分析

二氧化碳减排量[QCO2]（单位为t/a），二氧化硫减排量[QSO2]（单位为t/a）[7]是重要的环境效益指标，可按式（4），式（5）计算：

[QCO2=2.47Qbm] （4）

[QSO2=0.02Qbm] （5）

式中：[Qbm]为常规能源替代量，单位为t/a；2.47为标准煤的二氧化碳排放因子；0.02为标准煤的二氧化硫排放因子[8]。

一周二氧化碳减排量见图6。

通过实验（集热面积为39 [m2，]水箱大小为2 t，实验月份为8月），可以得出如表1所示的一周太阳能能耗评价指标。

图6 二氧化碳减排量

表1 以日为单位的技术经济指标

[日期＼&太阳能集

热量/MJ＼&系统耗

电量/（kW·h）＼&常规能源替

代量/（kgce/t）＼&二氧化碳

减排量/kg＼&二氧化硫

减排量/kg＼&2013⁃08⁃06＼&136.5＼&0.6＼&7.2＼&17.8＼&0.144＼&2013⁃08⁃07＼&91.3＼&1.1＼&4.8＼&11.9＼&0.096＼&2013⁃08⁃08＼&219.7＼&1.2＼&11.5＼&28.4＼&0.23＼&2013⁃08⁃09＼&75.4＼&0.8＼&4＼&9.9＼&0.08＼&2013⁃08⁃10＼&80.6＼&1.0＼&4.3＼&10.6＼&0.086＼&2013⁃08⁃11＼&88.1＼&1.6＼&4.6＼&11.4＼&0.092＼&2013⁃08⁃12＼&171.6＼&1.1＼&15＼&37＼&0.3＼&]

4 结论

本文研制的太阳能热水远程监控与能量计量系统通过TCP网络编程，以稳定的数据传输、集中的数据监测、便于查看的B/S架构，有效解决了热水工程地域分布广、管理难度大等问题，为太阳能企业优化系统效率、深化认识提供了有效的数据支持，也为节能减排提供了可靠依据。

参考文献

[1] 董潇.太阳能行业新10年格局[N].中华工商时报，2010⁃12⁃24（7）.

[2] 顾博文，赵颖，胡晔，等.太阳能热水器行业分析报告[R].[出版者不详]，2011.

[3] 文志成.GPRS网络技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[4] 吕捷编.GPRS技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[5] 王艳平.Windows网络与通信程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[6] STEVENS W R.TCP/IP详解卷1：协议[M].范建华，译.北京：机械工业出版社，2008.

[7] 郝斌，姚春妮，刘幼农，等.可再生能源建筑应用示范项目检测与监测技术要点[J].建设科技，2009（16）：34⁃36.

[8] 徐伟，孙峙峰，何涛，等.《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》解读·检测程序·测评标准·测试方法[J].建设科技，2009（16）：40⁃45.

[9] 朱志浩，樊留群，谢晓轩，等.设备远程监控的研究[J].制造业自动化，2001（1）：47⁃50.