太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能作為一種清潔能源,越來(lái)越受到人類的重視。在我國(guó)，隨著2006年《可再生能源法》的實(shí)施，以及近30個(gè)各地主管部門所頒布的在公共建筑中或在一定層數(shù)的住宅中強(qiáng)制使用太陽(yáng)能熱水技術(shù)規(guī)定的執(zhí)行。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)以每年30%以上的增長(zhǎng)速率快速推廣應(yīng)用。目前，我國(guó)是世界太陽(yáng)能熱利用最大的生產(chǎn)基地和應(yīng)用市場(chǎng)。 　　本項(xiàng)目針對(duì)的是面對(duì)這種需求的集中式太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)。集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器、貯熱水箱均集中設(shè)置，構(gòu)成建筑熱源系統(tǒng)的一部分。通過(guò)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，將熱水輸送到各用水點(diǎn)，所以在住宅中須分戶計(jì)量。 　　1集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)存在的問(wèn)題 　　集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與分散式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能集熱器與貯熱水箱集中設(shè)置，可以提高設(shè)備的使用效率，減少初投資。太陽(yáng)能集熱器可集中或分區(qū)布置，與建筑相結(jié)合的適應(yīng)性高，集中輔助加熱對(duì)輔助熱源的選擇余地大，可以選擇電加熱、鍋爐加熱、空氣源等其他輔助加熱方式。冷熱水系統(tǒng)同源同區(qū)，恒溫定時(shí)供水會(huì)在適當(dāng)提高熱水供應(yīng)舒適性的同時(shí)，降低運(yùn)行能耗。在確定采用集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，太陽(yáng)能作為主要熱源系統(tǒng)，與常規(guī)熱源系統(tǒng)相比，可大大降低入住率較低時(shí)的熱水成本。這種系統(tǒng)目前在學(xué)校、賓館、公共浴室中得到廣泛應(yīng)用，充分體現(xiàn)了太陽(yáng)能優(yōu)越的性價(jià)比。 　　近年來(lái),太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)開(kāi)始從工廠、賓館等場(chǎng)合逐漸地應(yīng)用到了公寓式建筑、住宅小區(qū)樓房等不能單獨(dú)安裝家用太陽(yáng)能熱水器的場(chǎng)所。而這些場(chǎng)所的應(yīng)用將涉及太陽(yáng)能熱水用量、熱能計(jì)量、用水費(fèi)用的分配及物業(yè)或樓宇管理者對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的維護(hù)等問(wèn)題。在住宅中采用這種系統(tǒng)，入住率對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗和熱水供應(yīng)價(jià)格影響較大，而用戶對(duì)集中熱水系統(tǒng)的舒適度要求（如24h熱水供應(yīng)、恒定的熱水溫度）會(huì)更高。若系統(tǒng)不夠完善，就會(huì)造成“越不用越貴，越貴越不用”的尷尬局面。 　　2太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 　　太陽(yáng)能熱水工程檢測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。 　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括各種傳感器和測(cè)量?jī)x器、熱能計(jì)量?jī)x表、數(shù)據(jù)采集器、現(xiàn)場(chǎng)顯示器、操作人機(jī)界面和現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，采集并保存至現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)設(shè)備里?，F(xiàn)場(chǎng)操作員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行操作和觀察、讀取數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)情況。 　　數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)層之間的數(shù)據(jù)通信，由信源（發(fā)送端）、信宿（接收端）和信道組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由通信電纜線、互聯(lián)網(wǎng)等無(wú)線或者有線遠(yuǎn)程通信設(shè)備和線路構(gòu)成。 　　遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、嵌入式服務(wù)器和其他智能設(shè)備及軟件組成。采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示，包括人機(jī)操作界面和數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形圖表的顯示等，以達(dá)到人工在線監(jiān)測(cè)的目的。 　　系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示： 　　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)各個(gè)位置的溫度，各種管道的流量、水箱水位、熱量、輔助耗電電能等參數(shù)的測(cè)量。系統(tǒng)要在無(wú)人值守的時(shí)候自動(dòng)運(yùn)行，還要對(duì)各種用電設(shè)備如水泵、電磁閥等電動(dòng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制和狀態(tài)反饋。 　　2.1系統(tǒng)溫度測(cè)量的分析 　　傳感器對(duì)精度和溫度測(cè)量范圍有一定的要求，而傳感器的引線也有一定的長(zhǎng)度限制，因此必須采用鉑電阻溫度傳感器。而且必須采用3線或者4線制傳感器進(jìn)行測(cè)量，以抵消引線帶來(lái)的測(cè)量誤差。 　　3線制熱電阻感溫體的一端連接2根引線，另一端連接1根引線，此種引線形式稱為3線制，如圖2所示。當(dāng)熱電阻與電橋配套使用時(shí)，就能較好地消除引線電阻的影響，提高測(cè)量精度。 　　該電路的輸出經(jīng)過(guò)差分放大電路，將Uo的差分信號(hào)進(jìn)行放大，再提供給檢測(cè)系統(tǒng)的12位AD采樣，通過(guò)軟件對(duì)采樣值進(jìn)行修正，得到測(cè)量溫度的2次修正值，保證了溫度測(cè)量的精度。 　　2.2流量測(cè)量 　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可以考慮采用渦輪流量傳感器、渦街流量傳感器或者超聲波流量傳感器等進(jìn)行流量測(cè)量，輸出的脈沖信號(hào)可以直接供給單片機(jī)進(jìn)行頻率測(cè)量。再經(jīng)過(guò)軟件修正得到流量的測(cè)量值。 　　2.3熱量計(jì)量 　　在太陽(yáng)能集熱器的出入口、輔助熱源出入口安裝熱量表進(jìn)行熱量測(cè)量。熱量表帶有通信接口，能夠分別輸出測(cè)量到的溫度、流量和熱量值，測(cè)量系統(tǒng)可以直接通過(guò)通信接口讀取熱量參數(shù)。 　　由于非承壓式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的出水與進(jìn)水的非同時(shí)性，其熱量計(jì)量不能同時(shí)取用戶用水溫度和冷水溫度之差計(jì)算。由于一般來(lái)說(shuō)進(jìn)入的冷水溫度變化不會(huì)太大，因此采用最后一次冷水進(jìn)入水箱結(jié)束時(shí)的溫度及其熱焓值進(jìn)行計(jì)算：用戶得熱量等于用戶用水量與當(dāng)前用水溫度下的熱焓值乘積，減去用戶用水量與最后一次進(jìn)水結(jié)束的溫度下的熱焓值的乘積之差。 　　2.4電能計(jì)量 　　在太陽(yáng)能熱水工程檢測(cè)系統(tǒng)的總供電回路上安裝電能表進(jìn)行電量測(cè)量，采用珠海炬力生產(chǎn)的ATT7022B三相電能計(jì)量芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)三相電的電壓、電流、功率的測(cè)量。 　　ATT7022B是一款多功能防竊電三相電能計(jì)量專用芯片，該芯片適用于三相3線和三相4線的應(yīng)用。它集成了七路二階sigma-deatlADC，其中3路用于三相電壓采樣，3路用于電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣、輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路。能夠測(cè)量各相及合相，包括基波、諧波和全波的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測(cè)量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角等參數(shù)，提供2種視在能量(PQS，RMS)。 　　電能采集計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)是以電能計(jì)量芯片ATT7022B為核心，包括電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出、電源及SPI通信接口等電路的設(shè)計(jì)。 　　模擬輸入電路設(shè)計(jì)：該部分電路主要由電流、電壓互感器、抗混疊濾波器和參考電壓輸入電路組成。從互感器出來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理后，消除了干擾信號(hào)，再疊加上1個(gè)參考電壓信號(hào)，即可送入ATT022B的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。圖3為ATT7022B電能計(jì)量模塊框圖設(shè)計(jì)。 　　SPI通信接口電路設(shè)計(jì)：ATT7022B內(nèi)部集成了1個(gè)SPI串行通信接口，通過(guò)該接口可方便地實(shí)現(xiàn)與外部微處理器的通信。SPI口包含2條控制線和2條數(shù)據(jù)線，分別為CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B與外部MCU的SPI通信接口，如圖3所示。 　　2.5現(xiàn)場(chǎng)采集處理硬件平臺(tái) 　　現(xiàn)場(chǎng)采集處理硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet接入的基礎(chǔ)，本太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用ARM代替了傳統(tǒng)的MCU，同時(shí)在外圍接入多路溫度、水位、流量監(jiān)測(cè)模塊、電壓電流功率因數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、鍵盤輸入模塊、輸出控制交流接觸器以及網(wǎng)絡(luò)通信模塊，整個(gè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖4。 　　其中微處理器部分采用基于ARMCORTEX-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6，它擁有16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，32位定時(shí)器、16路12位ADC，并且擁有多個(gè)串行接口，包括3個(gè)UART、高速IIC接口和2個(gè)SPI接口，通過(guò)配置總線，STM32F103VCT6最多可提供76個(gè)GPIO。由于STM32F103VCT6內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，因此在通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)以及其他各種類型的應(yīng)用中非常適合。 　　網(wǎng)絡(luò)通信模塊是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet互聯(lián)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是通用的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60。在此之前，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可選獨(dú)立以太網(wǎng)控制器都是為個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C111等。這些器件不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且價(jià)格比較昂貴。目前市場(chǎng)上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過(guò)80引腳，而符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既能提供相應(yīng)的功能，又可以大大簡(jiǎn)化相關(guān)設(shè)計(jì)，減小空間。 　　ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)連接，有利于在小型系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能。對(duì)于沒(méi)有SPI接口的芯片通過(guò)模擬SPI接口的方式亦十分方便。通過(guò)該芯片可實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)。 　　2.6遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái) 　　本系統(tǒng)基于近年來(lái)新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合，采用ARM微處理器作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心，同時(shí)利用以太網(wǎng)接口芯片構(gòu)建一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并將其運(yùn)用到太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中?？朔藗鹘y(tǒng)模式監(jiān)測(cè)方式的局限性，以其優(yōu)異的性能應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝與布線更加簡(jiǎn)單可靠，具有長(zhǎng)時(shí)間的停電記憶功能，無(wú)需專人管理，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。 　　本控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能集熱工程的重要組成部分，它采用高集成度單片機(jī)控制、大屏幕顯示、人性化設(shè)計(jì)、基于Internet遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與操作等設(shè)計(jì)構(gòu)成一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，只要用戶有賬號(hào)和密碼就可以在任何能上網(wǎng)的地方登入嵌入式Web服務(wù)器對(duì)太陽(yáng)能熱水工程的實(shí)際情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。 　　同時(shí)，將嵌入式Web服務(wù)器與B/S結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合。其中B/S結(jié)構(gòu)中最底層為數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)從采集數(shù)據(jù)；中間層為信息處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)參數(shù)寫入掛接在這一層的Web服務(wù)器中，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析等處理，最后將處理過(guò)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)送到第3層客戶端，客戶端可以通過(guò)瀏覽器直接監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能熱水工程的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水工程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的的結(jié)合。另外，本系統(tǒng)采用了網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)刷新法，得到實(shí)時(shí)熱水工程監(jiān)測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)客戶端與熱水工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的交互。 　　本系統(tǒng)還可以通過(guò)Internet對(duì)多個(gè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。 　　2.7軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件主要功能設(shè)計(jì)包括： 　　2.7.1遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能，能夠定時(shí)自動(dòng)和隨時(shí)手動(dòng)采集各子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備工作狀態(tài)等參數(shù)。 　　2.7.2控制現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行功能，能夠通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，自動(dòng)處理運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題。保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。 　　2.7.3數(shù)據(jù)處理、分析、顯示功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，評(píng)定是否合格，并計(jì)算導(dǎo)出需要參數(shù)，通過(guò)示意圖、圖形曲線、表格等多種方式顯示出采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。 　　2.7.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，自動(dòng)生成并存儲(chǔ)通用數(shù)據(jù)文件，按不同項(xiàng)目存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以便查詢和調(diào)用。 　　2.7.5可以生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括日?qǐng)?bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表、季度報(bào)表和年報(bào)表等。 　　3系統(tǒng)運(yùn)行效果 　　本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容是如何實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)的能量計(jì)量。包括集熱系統(tǒng)得熱量、輔助加熱耗能、水循環(huán)能量損失、用戶用熱量的計(jì)量。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，能夠通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)太陽(yáng)能熱水工程系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，可以在取得權(quán)限的情況下，在任何能上網(wǎng)的地方對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并獲得每個(gè)用戶的熱水用量和費(fèi)用，每個(gè)用戶也可以登錄到系統(tǒng)，對(duì)熱水工程的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，web登錄與監(jiān)控界面如圖6所示。 　　4總結(jié) 　　該項(xiàng)目市場(chǎng)需求前景：隨著國(guó)家大力扶持新能源產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽(yáng)能熱水器作為人們必不可少的生活用品將全面進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，所以本項(xiàng)目產(chǎn)品的市場(chǎng)前景非常廣闊。 　　推廣應(yīng)用領(lǐng)域：本項(xiàng)目產(chǎn)品屬于新能源及節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，主要運(yùn)用在賓館、學(xué)校、公寓式建筑、住宅小區(qū)樓房、體育館、別墅等場(chǎng)所。 　　在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱能計(jì)量及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在太陽(yáng)能熱水工程的運(yùn)用將深刻改變?nèi)藗儗?duì)太陽(yáng)能熱水器的使用習(xí)慣，使我們?nèi)粘Ｉ畹闹悄芑酱蟠筇岣?，在?jié)省人力操作的同時(shí)也有利于節(jié)約能源，改善環(huán)境。摘編：韋一笑