物聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉濟(jì)寧 曹銀生 趙斌

摘 要：本文主要研發(fā)了一款太陽(yáng)能采暖智能控制系統(tǒng)，采用可編程控制器、工控機(jī)（組態(tài)軟件）、手機(jī)（APP）組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸，不僅可以實(shí)現(xiàn)電腦的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：太陽(yáng)能采暖裝置子項(xiàng)和物聯(lián)網(wǎng)子項(xiàng)。利用該系統(tǒng)可以便捷的實(shí)現(xiàn)冬季采暖，制取衛(wèi)生熱水，同時(shí)設(shè)置傳感器、控制器將該系統(tǒng)接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)組態(tài)王軟件和組態(tài)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能化交互。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能采暖；智能控制系統(tǒng)；可編程控制器；物聯(lián)網(wǎng)；組態(tài)王；手機(jī)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(guó)太陽(yáng)能資源豐富，尤其是北方的太陽(yáng)能受天氣影響較小，資源尤其豐富。我國(guó)絕大部分的建筑采暖仍然依靠化石類(lèi)燃料或者電能，依靠太陽(yáng)能的裝置很少。目前太陽(yáng)能熱能的應(yīng)用還是以太陽(yáng)能熱水器為主，以水作為傳熱介質(zhì)的太陽(yáng)能熱水器，提溫慢、承壓能力差，不適合作為采暖熱源。[ 2 ]物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過(guò)新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。[ 4 ]本文主要研發(fā)了一款太陽(yáng)能采暖智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：太陽(yáng)能采暖裝置和物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。[ 1 ]利用該系統(tǒng)可以便捷的實(shí)現(xiàn)冬季采暖，制取衛(wèi)生熱水，同時(shí)設(shè)置傳感器、控制器將該系統(tǒng)接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)組態(tài)王軟件和組態(tài)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能化交互。

1 太陽(yáng)能采暖裝置研究與設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，初步將該項(xiàng)目分解為兩個(gè)子項(xiàng)目：太陽(yáng)能采暖裝置和物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。兩個(gè)子項(xiàng)既相對(duì)獨(dú)立，又相互配合支持。

太陽(yáng)能采暖裝置可以收集太陽(yáng)能的熱量，并輸送至蓄熱水箱和室內(nèi)的換熱器將水或其他液體從低溫加熱到高溫，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)采暖和制取衛(wèi)生熱水。

太陽(yáng)能采暖裝置主要包括傳熱介質(zhì)、室內(nèi)機(jī)、氣液分離器、儲(chǔ)液罐、液體泵、蓄熱水箱、太陽(yáng)能集熱板以及電磁閥等。

該裝置可以實(shí)現(xiàn)冬天室內(nèi)采暖和一年四季制取衛(wèi)生熱水，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采暖模式時(shí)，傳熱介質(zhì)以液體的形式經(jīng)過(guò)液體泵送入太陽(yáng)能集熱板。傳熱介質(zhì)在太陽(yáng)能集熱板內(nèi)吸收熱量，由液體沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。氣體形式的傳熱介質(zhì)繼續(xù)前進(jìn)通過(guò)氣液分離器，進(jìn)入室內(nèi)機(jī)。[ 5 ]在室內(nèi)機(jī)里，傳熱介質(zhì)放熱由氣體冷凝為液體，再次進(jìn)入液體泵實(shí)現(xiàn)下一個(gè)循環(huán)。通過(guò)電磁閥的啟閉調(diào)節(jié)，該裝置可以制取衛(wèi)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(zhì)，主要利用了介質(zhì)的潛熱，系統(tǒng)充注量極低，熱惰性小，從太陽(yáng)開(kāi)始照射到室內(nèi)機(jī)吹出熱風(fēng)幾乎是“即時(shí)”的，同時(shí)高溫制冷劑的凝固點(diǎn)較低，完全避免了凍結(jié)的危險(xiǎn)。

該裝置的室內(nèi)機(jī)布置在室內(nèi)，太陽(yáng)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(tǒng)可靠等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的太能采暖以水為傳熱介質(zhì)，系統(tǒng)水容量大，從太陽(yáng)開(kāi)始照射到水溫達(dá)到40-50℃的可供暖溫度需要較長(zhǎng)的時(shí)間，并且冬天存在凍結(jié)的危險(xiǎn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)控制部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸部分、移動(dòng)終端部分。如圖2所示為太陽(yáng)能采暖裝置的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。

該圖中的可編程控制器可以作為太陽(yáng)能采暖裝置的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制部分?？删幊炭刂破魇占⑻幚砀鱾€(gè)傳感器送來(lái)的模擬量信號(hào)，顯示在觸摸屏上，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)控制泵和風(fēng)機(jī)的啟停以及電磁閥的開(kāi)啟閉合。

工控機(jī)作為數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳部分。工控機(jī)或電腦上運(yùn)行組態(tài)軟件，組態(tài)軟件通過(guò)物理有線連接和可編程控制器通訊。組態(tài)軟件讀取可編程控制器上采集的機(jī)組參數(shù)，并顯示在工控機(jī)或電腦的顯示屏上，同時(shí)可以控制機(jī)組的運(yùn)行（設(shè)置分級(jí)密碼，不推薦遠(yuǎn)程控制）。

移動(dòng)終端部分作為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端。移動(dòng)終端手機(jī)APP通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)訪問(wèn)工控機(jī)上的數(shù)據(jù)，并顯示在手機(jī)屏幕上。手機(jī)APP只設(shè)置機(jī)組開(kāi)關(guān)的控制功能。

2.2 監(jiān)控對(duì)象設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能采暖裝置可以收集太陽(yáng)能的熱量并輸送至蓄熱水箱和室內(nèi)的換熱器，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)采暖和制取衛(wèi)生熱水?，F(xiàn)擬為該裝置設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)傳以及開(kāi)關(guān)機(jī)控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)PC和手機(jī)APP監(jiān)控。太陽(yáng)能采暖裝置的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在該裝置中，需要檢測(cè)的物理量有12個(gè)：系統(tǒng)高壓、系統(tǒng)低壓、液泵進(jìn)出口溫度、太陽(yáng)能板出口溫度、蓄熱水箱氟路進(jìn)出口溫度、蓄熱水箱水溫、室內(nèi)機(jī)氟路進(jìn)出口溫度以及室內(nèi)機(jī)空氣進(jìn)出口溫度等；[ 6 ]需要控制的物理量有5個(gè)：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(shè)計(jì)

可編程控制器中電磁閥的開(kāi)啟邏輯：

室內(nèi)采暖時(shí)，閥1、閥4開(kāi)啟，閥2、閥3關(guān)閉；

水箱蓄熱時(shí)，閥2、閥4開(kāi)啟，閥1、閥3關(guān)閉；

水箱放熱時(shí)，閥1、閥3開(kāi)啟，閥2、閥4關(guān)閉；

閥5為回液間歇電磁閥，間歇啟閉，具體時(shí)間可以設(shè)置，暫定10s開(kāi)10s關(guān)。

2.4 實(shí)現(xiàn)功能

手機(jī)APP可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)圖表、實(shí)時(shí)報(bào)表、設(shè)置值）、歷史數(shù)據(jù)（趨勢(shì)曲線、歷史報(bào)表）、報(bào)警數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警）等功能，界面見(jiàn)下圖。

3 總結(jié)

該裝置制作完成，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)，可以考慮將該裝置作為熱源與溶液空調(diào)或吸收式空調(diào)組合使用，形成太陽(yáng)能空調(diào)。太陽(yáng)能空調(diào)具有先天的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度越大，房間冷負(fù)荷越高，空調(diào)的制冷量越大，能夠較好的適應(yīng)建筑空調(diào)負(fù)荷。太陽(yáng)能空調(diào)是目前空調(diào)領(lǐng)域的研究前沿，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

太陽(yáng)能采暖裝置子項(xiàng)若能持續(xù)改進(jìn)，進(jìn)而商品化，冬天可以進(jìn)行采暖，夏天可以制取衛(wèi)生熱水。該裝置可以廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)南方地區(qū)、廣大的農(nóng)村地區(qū)以及其他工業(yè)加熱干燥場(chǎng)合，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 強(qiáng)龍.嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)能水箱蓄熱供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015.（20）：1003-0417.

[2] 林棟.住宅建筑的太陽(yáng)能熱水器一體化設(shè)計(jì)策略初探——以南京地區(qū)為例[D].東南大學(xué)，2012.

[3] 周曉鳳.基于WMMP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)終端管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[4] 魏亞鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)的消防水源管理系統(tǒng)[J].中國(guó)科技縱橫，2015.（1）：1671-2064.

[5] 周希正，馬春元，張立強(qiáng)，王鵬.太陽(yáng)能水純化熱水一體化裝置性能分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014（20）：1002-6819.

[6] 曲世琳，馬飛，吉玉寶，.陳彩霞.非直膨式太陽(yáng)能水源熱泵地板輻射采暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（1）：1005-9830.