基于物联网的地温空调监测系统

林 斌，李文中，王建春，李生英，丰 鑫，陈德锋，黄楚然

（华南理工大学广州学院 工程研究院，广东 广州 510800）

0 引 言

浅层地温能是存在地下恒温带至200 m深地质中具有开发利用价值的低温、清洁可再生热能，不受太阳辐射和大气温度影响，浅层地温能通常以热泵技术进行采集利用，经过地源热泵机组将空调系统的蒸发器与冷凝器利用地埋管技术延伸至地下恒温带岩土中，通过输入少量的电能提取恒温能量，为建筑物供暖、制冷，实现提供生活热水的高效节能空调系统—浅层地温中央空调。二十世纪八九十年代，我国北方地区开始大规模应用“地源热泵”技术。2008年北京奥运会场馆、2010年上海世博会场馆先后采用地源热泵技术。近年来，受国家政策重点支持，地源热泵技术发展迅猛[1-2]。

通过对地温能空调的数据采集，利用物联网技术可以更好地降低能耗，更符合绿色环保理念。此外，本系统采用先进的云端服务器设计平台实现软件系统设计，对数据进行图形展示，方便用户信息组网并实现远程监控[3]。

1 地温空调系统结构及原理

浅层地温能中央空调利用地温能源，冬季采用热泵技术，通过换热器将地下水或土壤中的热量提取用于室内采暖；夏季利用温度较低的地下土壤或地下水带走热量，达到制冷效果。

地温中央空调系统运行示意图如图1所示。

2 监测系统硬件设计

监控集成箱安装有远传电表、温度表和热量表。通过在四口井里分别安装十处温度传感器监测地埋管的年温度变化及土壤的年温度变化；通过在地源侧和负荷侧供回水主管道上安装流量表监测地源侧和负荷侧的热能，计算进回水温差，此温差需在软件中进行后期计算处理，温差的大小能够指导机房操作维护人员调整水泵运行台数，实现较高的运行经济性；通过在各个热泵机组、负荷侧及地源侧循环泵安装远传电表监测机组运行消耗的热能，通过大数据传输处理后计算并显示能效比，根据能效比调整运行方案[4-6]。地温监测、能效、能耗监测系统如图2所示。

图1 地温中央空调系统运行示意图

3 监测系统软件设计

3.1 软件设计思路和编程方法

软件通过PLC和传感器收集空调运行数据、用户使用数据、能耗数据、环境数据、空调故障数据、维护数据，并存储、上传至云端服务器。云端服务器基于大数据的存储平台和计算平台对收集的具体数据进行分析处理。软件设计架构如图3所示。

图2 地温、能效、能耗监测系统图

图3 软件设计构架

结合该项目的实际需求与应用场景，为使得系统在较好满足需求的同时保障系统的稳定性，于是采用与传统关系型数据库有较大区别的“NoSQL”（非关系型数据库）—ElasticSearch。

ElasticSearch是一种分布式海量数据搜索与分析技术，被广泛应用于大数据分析、数据实时处理等领域，同时其采用的分布式存储模式具有一定的数据容灾性和稳定性保障。ElasticSearch与本系统的需求相契合，能够很好地满足系统需求，并保障系统后续扩展性。

数据索引模式简图如图4所示。

图4 数据索引模式简图

该index（索引）用于存储每一条来自房间温控器采集的数据，采用UDP Socket传输方式发送到服务器后经过处理存入数据库中。

3.2 软件实现流程

浅层地温能中央空调智能控制系统通过数据采集模块、智能网关7×24 h采集并发送热量/流量表数据、电表数据、地温数据、房间温度数据至服务器。服务器将数据进行整理与分析，实时推送到数据可视化平台，并将收集的历史数据通过数据处理引擎处理后准确无误地进行报表展示。软件流程如图5所示。

图5 软件流程

4 监测系统显示界面

主页界面如图6所示。

图6 主页界面

“主页”模块用于展示系统各项数据，包括低温监控温度趋势、近12个月制冷制热量/耗电量、近30天耗电趋势、楼层总热量表及机组、循环泵、风盘耗电占比等模块。

“电表”模块主要展示整套地温能智控系统运行流通的全过程，并可通过3D方式呈现，查看每个机组设备、水泵、负荷侧电表、地源侧电表等硬件的运行状态，及所有设备的详细数据。

“地温”模块用于展示地温在线监测系统数据。

“供回水主管道”用于展示地源侧电表与负荷侧电表的数据，可监测设备的流量、热量及设备状态，并展示设备近30日的流量与热量统计数据。

“大楼”模块用于监控并展示大楼内各楼层的温度、建筑耗冷耗热量、用电量、耗能趋势等数据。还可以监控楼层中具体房间的空调温度、能耗变化、温度变化趋势等。

“楼层”模块可展示该楼层平面图，如具体房间位置、温度及楼层的耗冷耗热量和实时流量等。点击房间可以进入该房间的数据详情页面。

“房间”模块可查看房间的具体数据。包括房间温度详情、近30天建筑耗能变化趋势、近30天温度变化趋势。

5 结 语

监测系统初步实现了温度等数据的采集，每个房间的采集数据通过总线形式传输至PLC，由PLC上传至网络云端。通过大数据处理，将分析结果和控制指令传输到PLC，从而实现控制效果。文中设计的基于物联网的地温空调监测系统具有较好的社会效益与经济效益[7-10]。