太阳能热水远程监控与能耗计量系统开发

1、太阳能热水远程监控与能耗计量系统开发 Development of remote monitoring and energy metrology system for solar heating water project HUANGChun?tao，JIANG Zhou?shu，RUANZhi?peng ，HUANG Guo?hui (Automation College ， Hangzhou Dianzi University ， Hangzhou 310018， China ) ： The development and characteristics of the solar heat

2、ing water project are elaborated. The design schemeand 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/

3、Ethernet transmitter module was equipped. The data center utility software based on digital platform and Webissue 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 reli

4、ability. 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

5、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

6、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TO、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

7、传输格式通过GPR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、GPRSS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技术开发 了数据发布网站， 该

8、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WINDOW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

9、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GP

10、RS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入 装置即可 。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 TC

11、P/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

12、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

13、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 TCP10 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

14、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=GAct x 10-3 , G 50 W/m2( 1) Qc=cfmf (t1-12 ) t 3 600(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； t 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?C)； 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C。 3

15、.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 29.307GJ/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

16、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