物联网太阳能采暖系统的研究与设计

刘济宁 曹银生 赵斌

摘 要：本文主要研发了一款太阳能采暖智能控制系统，采用可编程控制器、工控机（组态软件）、手机（APP）组成的物联网系统可以实现机组的数据采集和远程传输，不仅可以实现电脑的远程监控，还可以实现手机远程监测。该系统主要包括两个部分：太阳能采暖装置子项和物联网子项。利用该系统可以便捷的实现冬季采暖，制取卫生热水，同时设置传感器、控制器将该系统接入局域网或互联网，通过组态王软件和组态手机APP实现人机智能化交互。

关键词：太阳能采暖；智能控制系统；可编程控制器；物联网；组态王；手机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

我國太阳能资源丰富，尤其是北方的太阳能受天气影响较小，资源尤其丰富。我国绝大部分的建筑采暖仍然依靠化石类燃料或者电能，依靠太阳能的装置很少。目前太阳能热能的应用还是以太阳能热水器为主，以水作为传热介质的太阳能热水器，提温慢、承压能力差，不适合作为采暖热源。[ 2 ]物联网，顾名思义，就是物物相连的互联网。它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。[ 4 ]本文主要研发了一款太阳能采暖智能控制系统，该系统主要包括两个部分：太阳能采暖装置和物联网智能控制系统。[ 1 ]利用该系统可以便捷的实现冬季采暖，制取卫生热水，同时设置传感器、控制器将该系统接入局域网或互联网，通过组态王软件和组态手机APP实现人机智能化交互。

1 太阳能采暖装置研究与设计

在物联网太阳能采暖系统的研究与设计中，初步将该项目分解为两个子项目：太阳能采暖装置和物联网智能控制系统。两个子项既相对独立，又相互配合支持。

太阳能采暖装置可以收集太阳能的热量，并输送至蓄热水箱和室内的换热器将水或其他液体从低温加热到高温，将太阳能转化为热能，实现了室内采暖和制取卫生热水。

太阳能采暖装置主要包括传热介质、室内机、气液分离器、储液罐、液体泵、蓄热水箱、太阳能集热板以及电磁阀等。

该装置可以实现冬天室内采暖和一年四季制取卫生热水，其原理结构图如图1所示。

采暖模式时，传热介质以液体的形式经过液体泵送入太阳能集热板。传热介质在太阳能集热板内吸收热量，由液体沸腾转变为气体。气体形式的传热介质继续前进通过气液分离器，进入室内机。[ 5 ]在室内机里，传热介质放热由气体冷凝为液体，再次进入液体泵实现下一个循环。通过电磁阀的启闭调节，该装置可以制取卫生热水和蓄热水箱蓄热。

该装置采用高温制冷剂作为传热介质，主要利用了介质的潜热，系统充注量极低，热惰性小，从太阳开始照射到室内机吹出热风几乎是“即时”的，同时高温制冷剂的凝固点较低，完全避免了冻结的危险。

该装置的室内机布置在室内，太阳能集热板布置在室外的外墙或屋面，各部件采用铜管连接，安装十分方便。

该装置具有热惰性小、升温快、方便安装、冬天防冻、四季通用、系统可靠等优点。传统的太能采暖以水为传热介质，系统水容量大，从太阳开始照射到水温达到40-50℃的可供暖温度需要较长的时间，并且冬天存在冻结的危险。

2 物联网智能控制系统设计

2.1 系统总体结构设计

物联网智能控制系统包括现场控制部分、数据采集部分、数据远程传输部分、移动终端部分。如图2所示为太阳能采暖装置的物联网控制系统的基本结构图。

该图中的可编程控制器可以作为太阳能采暖装置的现场级控制部分。可编程控制器收集并处理各个传感器送来的模拟量信号，显示在触摸屏上，根据实时采集的信号控制泵和风机的启停以及电磁阀的开启闭合。

工控机作为数据采集远传部分。工控机或电脑上运行组态软件，组态软件通过物理有线连接和可编程控制器通讯。组态软件读取可编程控制器上采集的机组参数，并显示在工控机或电脑的显示屏上，同时可以控制机组的运行（设置分级密码，不推荐远程控制）。

移动终端部分作为远程监测端。移动终端手机APP通过互联网或局域网访问工控机上的数据，并显示在手机屏幕上。手机APP只设置机组开关的控制功能。

2.2 监控对象设计

太阳能采暖装置可以收集太阳能的热量并输送至蓄热水箱和室内的换热器，实现室内采暖和制取卫生热水。现拟为该装置设置物联网装置，实现数据的采集、远传以及开关机控制，同时可以实现PC和手机APP监控。太阳能采暖装置的原理结构图如图1所示。在该装置中，需要检测的物理量有12个：系统高压、系统低压、液泵进出口温度、太阳能板出口温度、蓄热水箱氟路进出口温度、蓄热水箱水温、室内机氟路进出口温度以及室内机空气进出口温度等；[ 6 ]需要控制的物理量有5个：电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4和电磁阀5。[ 6 ]

2.3 控制逻辑设计

可编程控制器中电磁阀的开启逻辑：

室内采暖时，阀1、阀4开启，阀2、阀3关闭；

水箱蓄热时，阀2、阀4开启，阀1、阀3关闭；

水箱放热时，阀1、阀3开启，阀2、阀4关闭；

阀5为回液间歇电磁阀，间歇启闭，具体时间可以设置，暂定10s开10s关。

2.4 实现功能

手机APP可以实现实时数据（实时图表、实时报表、设置值）、历史数据（趋势曲线、历史报表）、报警数据（实时报警、历史报警）等功能，界面见下图。

3 总结

该装置制作完成，根据实际数据，可以考虑将该装置作为热源与溶液空调或吸收式空调组合使用，形成太阳能空调。太阳能空调具有先天的应用优势，太阳能辐照强度越大，房間冷负荷越高，空调的制冷量越大，能够较好的适应建筑空调负荷。太阳能空调是目前空调领域的研究前沿，具有巨大的社会效益和经济效益。

太阳能采暖装置子项若能持续改进，进而商品化，冬天可以进行采暖，夏天可以制取卫生热水。该装置可以广泛应用于国内南方地区、广大的农村地区以及其他工业加热干燥场合，具有良好的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1] 强龙.严寒地区太阳能水箱蓄热供暖系统设计节能探讨[J].建筑工程技术与设计，2015.（20）：1003-0417.

[2] 林栋.住宅建筑的太阳能热水器一体化设计策略初探——以南京地区为例[D].东南大学，2012.

[3] 周晓凤.基于WMMP协议的物联网终端管理平台的设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2011.

[4] 魏亚鹏.基于物联网的消防水源管理系统[J].中国科技纵横，2015.（1）：1671-2064.

[5] 周希正，马春元，张立强，王鹏.太阳能水纯化热水一体化装置性能分析与试验[J].农业工程学报，2014（20）：1002-6819.

[6] 曲世琳，马飞，吉玉宝，.陈彩霞.非直膨式太阳能水源热泵地板辐射采暖实验系统研究[J].南京理工大学学报（自然科学版），2010（1）：1005-9830.