基于物聯(lián)網(wǎng)的地溫空調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)

林 斌，李文中，王建春，李生英，豐 鑫，陳德鋒，黃楚然

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 工程研究院，廣東 廣州 510800）

0 引 言

淺層地溫能是存在地下恒溫帶至200 m深地質(zhì)中具有開發(fā)利用價值的低溫、清潔可再生熱能，不受太陽輻射和大氣溫度影響，淺層地溫能通常以熱泵技術(shù)進(jìn)行采集利用，經(jīng)過地源熱泵機(jī)組將空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器與冷凝器利用地埋管技術(shù)延伸至地下恒溫帶巖土中，通過輸入少量的電能提取恒溫能量，為建筑物供暖、制冷，實(shí)現(xiàn)提供生活熱水的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)—淺層地溫中央空調(diào)。二十世紀(jì)八九十年代，我國北方地區(qū)開始大規(guī)模應(yīng)用“地源熱泵”技術(shù)。2008年北京奧運(yùn)會場館、2010年上海世博會場館先后采用地源熱泵技術(shù)。近年來，受國家政策重點(diǎn)支持，地源熱泵技術(shù)發(fā)展迅猛[1-2]。

通過對地溫能空調(diào)的數(shù)據(jù)采集，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以更好地降低能耗，更符合綠色環(huán)保理念。此外，本系統(tǒng)采用先進(jìn)的云端服務(wù)器設(shè)計平臺實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)設(shè)計，對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形展示，方便用戶信息組網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。

1 地溫空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

淺層地溫能中央空調(diào)利用地溫能源，冬季采用熱泵技術(shù)，通過換熱器將地下水或土壤中的熱量提取用于室內(nèi)采暖；夏季利用溫度較低的地下土壤或地下水帶走熱量，達(dá)到制冷效果。

地溫中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖1所示。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控集成箱安裝有遠(yuǎn)傳電表、溫度表和熱量表。通過在四口井里分別安裝十處溫度傳感器監(jiān)測地埋管的年溫度變化及土壤的年溫度變化；通過在地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)供回水主管道上安裝流量表監(jiān)測地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的熱能，計算進(jìn)回水溫差，此溫差需在軟件中進(jìn)行后期計算處理，溫差的大小能夠指導(dǎo)機(jī)房操作維護(hù)人員調(diào)整水泵運(yùn)行臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；通過在各個熱泵機(jī)組、負(fù)荷側(cè)及地源側(cè)循環(huán)泵安裝遠(yuǎn)傳電表監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行消耗的熱能，通過大數(shù)據(jù)傳輸處理后計算并顯示能效比，根據(jù)能效比調(diào)整運(yùn)行方案[4-6]。地溫監(jiān)測、能效、能耗監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 地溫中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計思路和編程方法

軟件通過PLC和傳感器收集空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)、用戶使用數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、空調(diào)故障數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)，并存儲、上傳至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器基于大數(shù)據(jù)的存儲平臺和計算平臺對收集的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。軟件設(shè)計架構(gòu)如圖3所示。

圖2 地溫、能效、能耗監(jiān)測系統(tǒng)圖

圖3 軟件設(shè)計構(gòu)架

結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際需求與應(yīng)用場景，為使得系統(tǒng)在較好滿足需求的同時保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，于是采用與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有較大區(qū)別的“NoSQL”（非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫）—ElasticSearch。

ElasticSearch是一種分布式海量數(shù)據(jù)搜索與分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)實(shí)時處理等領(lǐng)域，同時其采用的分布式存儲模式具有一定的數(shù)據(jù)容災(zāi)性和穩(wěn)定性保障。ElasticSearch與本系統(tǒng)的需求相契合，能夠很好地滿足系統(tǒng)需求，并保障系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展性。

數(shù)據(jù)索引模式簡圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)索引模式簡圖

該index（索引）用于存儲每一條來自房間溫控器采集的數(shù)據(jù)，采用UDP Socket傳輸方式發(fā)送到服務(wù)器后經(jīng)過處理存入數(shù)據(jù)庫中。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)流程

淺層地溫能中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊、智能網(wǎng)關(guān)7×24 h采集并發(fā)送熱量/流量表數(shù)據(jù)、電表數(shù)據(jù)、地溫數(shù)據(jù)、房間溫度數(shù)據(jù)至服務(wù)器。服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，實(shí)時推送到數(shù)據(jù)可視化平臺，并將收集的歷史數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理引擎處理后準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行報表展示。軟件流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

4 監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

主頁界面如圖6所示。

圖6 主頁界面

“主頁”模塊用于展示系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括低溫監(jiān)控溫度趨勢、近12個月制冷制熱量/耗電量、近30天耗電趨勢、樓層總熱量表及機(jī)組、循環(huán)泵、風(fēng)盤耗電占比等模塊。

“電表”模塊主要展示整套地溫能智控系統(tǒng)運(yùn)行流通的全過程，并可通過3D方式呈現(xiàn)，查看每個機(jī)組設(shè)備、水泵、負(fù)荷側(cè)電表、地源側(cè)電表等硬件的運(yùn)行狀態(tài)，及所有設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

“地溫”模塊用于展示地溫在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

“供回水主管道”用于展示地源側(cè)電表與負(fù)荷側(cè)電表的數(shù)據(jù)，可監(jiān)測設(shè)備的流量、熱量及設(shè)備狀態(tài)，并展示設(shè)備近30日的流量與熱量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

“大樓”模塊用于監(jiān)控并展示大樓內(nèi)各樓層的溫度、建筑耗冷耗熱量、用電量、耗能趨勢等數(shù)據(jù)。還可以監(jiān)控樓層中具體房間的空調(diào)溫度、能耗變化、溫度變化趨勢等。

“樓層”模塊可展示該樓層平面圖，如具體房間位置、溫度及樓層的耗冷耗熱量和實(shí)時流量等。點(diǎn)擊房間可以進(jìn)入該房間的數(shù)據(jù)詳情頁面。

“房間”模塊可查看房間的具體數(shù)據(jù)。包括房間溫度詳情、近30天建筑耗能變化趨勢、近30天溫度變化趨勢。

5 結(jié) 語

監(jiān)測系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了溫度等數(shù)據(jù)的采集，每個房間的采集數(shù)據(jù)通過總線形式傳輸至PLC，由PLC上傳至網(wǎng)絡(luò)云端。通過大數(shù)據(jù)處理，將分析結(jié)果和控制指令傳輸?shù)絇LC，從而實(shí)現(xiàn)控制效果。文中設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的地溫空調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益[7-10]。