本實用新型涉及一種太陽能熱水系統(tǒng)，具體涉及一種帶遠程監(jiān)控和能量計量功能的太陽能熱水系統(tǒng)。

背景技術：

當今世界，能源已經成為制約世界各國經濟社會發(fā)展的主要因素之一。我國是能源消費大國，由于能源過度消耗以及結構不合理已引起嚴重的環(huán)境污染。

太陽能作為無污染的綠色能源是實現(xiàn)“節(jié)能減排”的有效手段。太陽能光熱利用在我國的新能源領域中貢獻最大、影響最廣、實用性最強、普及率最高、自有技術含量最高，其中太陽能熱水器的發(fā)展最為迅速，產業(yè)規(guī)模巨大，一直保持快速增長態(tài)勢。隨著城市化進程的推進，鼓勵太陽能熱利用發(fā)展的政策相繼出臺，太陽能熱利用正向建筑一體化、工程化方向發(fā)展。目前太陽能熱水工程已在在醫(yī)院、游泳館以及工農業(yè)上得到迅速應用。幾年來，我國太陽能熱水系統(tǒng)工程市場以每年40％以上速度增長。但是常規(guī)的太陽能熱水系統(tǒng)受季節(jié)和天氣影響較大、熱流密度低，加熱周期長，無法全天候供熱水，在冬季和陰雨天氣下需要輔助熱源加熱，導致各種形式的太陽能直接熱利用系統(tǒng)在應用上都受到一定的限制。熱泵熱水技術是基于熱泵技術之上的一種熱水供應方式，應用少量的電能作為驅動力，并以制冷劑作為主要的載體，可以不斷的吸收到空氣當中難以利用的熱能，從而轉化為可利用的熱能再把熱能全面釋放到水當中，以制取到生活熱水，從而達到生活熱水的需要。這種方式水電分離，無廢煙廢熱排出，能效比高，具有安全環(huán)保，節(jié)約能源、不受陽光輻照度影響等優(yōu)點。將空氣源熱泵機組和太陽能集熱系統(tǒng)兩者有機組合，既可充分利用太陽能，又可節(jié)約輔助能源，最大限度降低運行成本，節(jié)省費用。然而，太陽能-熱泵熱水工程遠比家用太陽能熱水器復雜，對系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性、可靠性提出更高要求，需要遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，并及時進行維護和處理。我國幅員遼闊，氣候多樣，太陽能熱利用系統(tǒng)形式多樣，系統(tǒng)復雜，管理難度大。使用傳統(tǒng)的人工定期巡檢、管理顯得費時又費力，迫切需要太陽能熱水工程具備遠程監(jiān)控和故障診斷功能。另外，現(xiàn)有太陽能熱水工程由于缺乏節(jié)能減排權威、準確的計量數(shù)據(jù)，無法讓用戶直觀地認識到太陽能利用效益，也無法得到政府的認同和節(jié)能補貼。合同能源管理和碳交易項目由于缺乏可信的計量系統(tǒng)，導致實際節(jié)能指標不明確，容易對節(jié)能效果產生爭議，最終導致項目失敗的實例屢有發(fā)生。

因此，實現(xiàn)太陽能熱水工程遠程監(jiān)控和能耗計量管理已成為了太陽能熱利用行業(yè)亟待 需要解決的問題。針對太陽能-熱泵熱水工程地域分布范圍廣、管理難度大、節(jié)能指標不明確等問題，開發(fā)了基于物聯(lián)網多維信息通訊，能耗計量分析和實時智能監(jiān)控為一體的“一種帶遠程監(jiān)控和能量計量功能的太陽能熱水系統(tǒng)”。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種帶遠程監(jiān)控和能量計量功能的太陽能熱水系統(tǒng)，是基于物聯(lián)網多維信息通訊，能耗計量分析和實時智能監(jiān)控為一體的基于物聯(lián)網能量優(yōu)化控制的太陽能熱水系統(tǒng)。

本發(fā)明采用的方案如下：一種帶遠程監(jiān)控和能量計量功能的太陽能熱水系統(tǒng)，主要由太陽能制水系統(tǒng)和遠程監(jiān)控與能量計量模塊二大部分組成；太陽能制水系統(tǒng)包括太陽能集熱子系統(tǒng)，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)、熱水儲存裝置、熱水供應裝置；遠程監(jiān)控與能量計量模塊包括現(xiàn)場控制器、測量傳感器、測量溫度儀器表、信號采集器、數(shù)據(jù)中繼器、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成；太陽能集熱子系統(tǒng)通過供水管道和熱水儲存裝置連接，熱水儲存裝置通過供水管道分別和熱水供應裝置及其空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)連接，現(xiàn)場控制器分別和太陽能集熱子系統(tǒng)，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)、熱水儲存裝置、熱水供應裝置連接，測量傳感器分別和太陽能集熱子系統(tǒng)，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)、熱水儲存裝置、熱水供應裝置連接，測量溫度儀器表分別和太陽能集熱子系統(tǒng)，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)、熱水儲存裝置、熱水供應裝置連接；現(xiàn)場控制器和信號采集器連接，信號采集器和數(shù)據(jù)中繼器連接，數(shù)據(jù)中繼器和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)連接、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心連接。

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過路由器連接，路由器和手機APP、平板電腦APP、電腦APP無線連接。

本發(fā)明所述現(xiàn)場控制器為觸摸型智能控制器，該觸摸型控制器采用真彩觸摸屏構成，具有強大的功能，包括詳細的用戶參數(shù)設置、專家設置、系統(tǒng)參數(shù)設置、報警歷史查詢?？梢赃M行多時段。觸摸屏采用全中文的操作界面，簡單易用。在功能方面，用戶可以通過觸摸型控制器對系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各項指標數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并可以根據(jù)工程具體情況，配置工程模式，選擇合適的控制策略及控制參數(shù)，還可以對熱水系統(tǒng)中的泵、閥門進行實時控制，當系統(tǒng)出現(xiàn)工作異?；蚬收蠒r，觸摸屏能自動提示故障并報警。

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)中繼器(也叫數(shù)據(jù)采集器)承擔了電能表、熱量表、信號采集器以及其它數(shù)字儀表實時數(shù)據(jù)采集、處理，存儲、計算、加密、協(xié)議轉換、通訊管理等多項關鍵工作，是現(xiàn)場采集和監(jiān)控層的核心設備。該數(shù)據(jù)中繼器采用了ARM-CortexM3的系列32位單片機為核心，帶有2路全隔離的RS354通訊、1路標準以太網接口以及GPRS無線通信接口， 其主要功能如下：實時數(shù)據(jù)采集，實時數(shù)據(jù)標定，統(tǒng)計累計數(shù)據(jù)，節(jié)能指標計算系統(tǒng)，故障判斷，數(shù)據(jù)計算參數(shù)可配置，儀表通信地址可配置，SD卡數(shù)據(jù)存儲，XML格式封裝，AES數(shù)據(jù)加密，MD5身份驗證，以太網/GPRS遠程通信。

本發(fā)明還包括遠程監(jiān)控軟件和能量計量統(tǒng)計與分析軟件；遠程監(jiān)控軟件應能對太陽能熱水系統(tǒng)的實時運行信息和數(shù)據(jù)進行接收、處理、存儲、顯示、查詢和故障報警，并可生成統(tǒng)計報表，顯示內容至少包括：環(huán)境溫度、集熱器出口溫度、儲水箱溫度和儲水箱液位高度以及主要開關量狀態(tài)信息，能量計量統(tǒng)計與分析軟件應能對太陽能熱水系統(tǒng)的實時相關能耗數(shù)據(jù)進行自動接收，處理、存儲、顯示、查詢、統(tǒng)計和分析，并可生成統(tǒng)計報表。

本發(fā)明的優(yōu)點是：該系統(tǒng)具有能源利用率高、節(jié)能顯著、運行可靠、精確計量、監(jiān)控報警功能齊全、數(shù)據(jù)分析功能完備、可實現(xiàn)對系統(tǒng)運行參數(shù)和節(jié)能減排等指標全方位遠程監(jiān)測等特點，可廣泛適用于小區(qū)住宅供水、商業(yè)用水、建筑采暖以及工業(yè)、農業(yè)、畜牧業(yè)等熱水利用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖。

在圖中，太陽能集熱子系統(tǒng)1，熱水儲存裝置2、熱水供應裝置3，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)4，現(xiàn)場控制器5、測量傳感器6、測量溫度儀器表7、信號采集器8、數(shù)據(jù)中繼器9、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)10、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心11，路由器12，手機APP13、平板電腦APP14、電腦APP15。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明是這樣來工作和實施的，一種帶遠程監(jiān)控和能量計量功能的太陽能熱水系統(tǒng)，主要由太陽能制水系統(tǒng)和遠程監(jiān)控與能量計量模塊二大部分組成；太陽能制水系統(tǒng)包括太陽能集熱子系統(tǒng)1，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)4、熱水儲存裝置2、熱水供應裝置3；遠程監(jiān)控與能量計量模塊包括現(xiàn)場控制器5、測量傳感器6、測量溫度儀器表7、信號采集器8、數(shù)據(jù)中繼器9、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)10、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心11組成；太陽能集熱子系統(tǒng)1通過供水管道和熱水儲存裝置2連接，熱水儲存裝置2通過供水管道分別和熱水供應裝置3及其空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)4連接，現(xiàn)場控制器5分別和太陽能集熱子系統(tǒng)1，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)4、熱水儲存裝置2、熱水供應裝置3連接，測量傳感器5分別和太陽能集熱子系統(tǒng)1，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)4、熱水儲存裝置2、熱水供應裝置3連接，測量溫度儀器表7分別和太陽能集熱子系統(tǒng)1，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)4、熱水儲存裝置2、熱水供應裝置3連接；現(xiàn)場控制器5和信號采集器8連接，信號采集器8和數(shù)據(jù)中繼器9連接，數(shù)據(jù)中繼器9和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)10連接、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)10和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心11連接；所述數(shù)據(jù)監(jiān)控中心11通 過路由器12連接，路由器12和手機APP13、平板電腦APP14、電腦APP15無線連接。

本發(fā)明太陽能集熱量計量和統(tǒng)計精度的測量方法，其特征在于方法步驟如下：

(1)試驗用冷水應該采用該系統(tǒng)投入實際使用的用水；

(2)打開系統(tǒng)冷水閥門向儲水箱注水，至滿水時關閉系統(tǒng)冷水閥門，測量并計算出儲熱水箱的試驗水量Vtank；

(3)啟動儲水箱的混水裝置進行混水，使儲水箱上下部水溫差在1℃以內，并記錄初始儲水平均溫度ttank0；

(4)實驗開始時，將儲水箱上限溫度設為最高，打開太陽能集熱管道閥門與水泵，并關閉所有其它閥門與水泵；

(5)啟動遠程計算系統(tǒng)檢測軟件，對測試相關數(shù)據(jù)進行自動記錄，當運行時間達2小時時停止試驗；

(6)關閉集熱管道的閥門與水泵，啟動儲水箱的混水裝置進行混水，使混水箱上下部水溫溫差在1℃以內；

(7)記錄試驗結束時儲水箱平均溫度ttank1，讀取試驗期間由太陽能遠程計算系統(tǒng)記錄的各采集周期的太陽能集熱量，并統(tǒng)計其累計值∑Qc，并按(1)計算水箱的得熱量：

Q_tank＝∑c_fρ×V_tank×(t_tank1-t_tank0) (1)

(8)太陽能集熱量計量和統(tǒng)計精度用公式(2)進行計算；

${\mathrm{\ΔQ}}_c=\left|\frac{{\mathrm{\ΣQ}}_c-Q_{\tan k}}{Q_{\tan k}}\×100\%\right|---\left(2\right)$

空氣能源熱泵供熱量計量和統(tǒng)計精度、系統(tǒng)總耗電量和統(tǒng)計精度、空氣源熱泵耗電量計量和統(tǒng)計精度的測量，應進行如下步驟：

(1)試驗用冷水應該采用該系統(tǒng)投入實際使用的用水；

(2)打開系統(tǒng)冷水閥門向儲水箱注水，至滿水時關閉系統(tǒng)冷水閥門，測量并計算出儲熱水箱的試驗水量Vtank；

(3)啟動儲水箱的混水裝置進行混水，使儲水箱上下部水溫差在1℃以內，并記錄初始儲水平均溫度ttank0、系統(tǒng)總耗電累積初值AllE sys0和熱泵累積耗電初值hp0；

(4)實驗開始時，將空氣源熱泵啟動目標溫度設為最高值，打開空氣源熱泵管道的閥門和 水泵，并關閉所有其它閥門和水泵；

(5)試驗開始時，啟動遠程計算系統(tǒng)檢測軟件，對測試相關數(shù)據(jù)進行自動記錄，當運行時間達2小時時停止試驗；

(6)關閉空氣源熱泵管道的閥門和水泵，啟動儲水箱的混水裝置進行混水，使混水箱上下部水溫溫差在1℃以內；

(7)記錄試驗結束時儲水箱平均溫度ttank1、系統(tǒng)總耗電累積初值AllE sys0和熱泵累積耗電初值hp0，讀取試驗期間由太陽能遠程計算系統(tǒng)記錄的各采集周期的熱泵供熱量、系統(tǒng)總耗電量、熱泵耗電量，并分別計算其累計值∑Qhp、∑Esys、∑Ehp，同時按公式(1)計算水箱的得熱量Qtank；

(8)熱泵供熱量計量和統(tǒng)計精度用公式(3)計算；

${\mathrm{\ΔQ}}_{hp}=\left|\frac{{\mathrm{\ΣQ}}_{hp}-Q_{\tan k}}{Q_{\tan k}}\×100\%\right|---\left(3\right)$

(9)系統(tǒng)總耗電計量的統(tǒng)計精度公式(4)計算；

${\mathrm{\ΔE}}_{sys}=\left|\frac{{\mathrm{\ΣE}}_{sys}-({\mathrm{AllE}}_{sys1}-{\mathrm{AllE}}_{sys0})}{{\mathrm{AllE}}_{sys1}-{\mathrm{AllE}}_{sys0}}\×100\%\right|---\left(4\right)$

(10)空氣源熱泵耗電量計量的統(tǒng)計精度公式(5)計算；

${\mathrm{\ΔE}}_{hp}=\left|\frac{{\mathrm{\ΣE}}_{hp}-({\mathrm{AllE}}_{hp1}-{\mathrm{AllE}}_{hp0})}{{\mathrm{AllE}}_{hp1}-{\mathrm{AllE}}_{hp0}}\×100\%\right|---\left(5\right)$

熱水系統(tǒng)供熱量計量和統(tǒng)計精度的測量，應進行如下步驟：

(1)試驗用冷水應該采用該系統(tǒng)投入實際使用的用水；

(2)打開系統(tǒng)冷水閥門向儲水箱注水，至滿水時關閉系統(tǒng)冷水閥門，測量并計算出儲熱水箱的試驗水量Vtank0；

(3)啟動儲水箱的混水裝置進行混水，使儲水箱上下部水溫差在1℃以內，并記錄初始儲水平均溫度ttank；

(4)實驗開始時，打開太陽能用戶供水管道和用戶側所有供水龍頭，并關閉所有其它閥門和水泵；

(5)啟動遠程計算系統(tǒng)檢測軟件，對測試相關數(shù)據(jù)進行自動記錄，當儲水箱水位下降到高 度30％左右或試驗時間達2小時時停止試驗；

(6)關閉太陽能用戶供水管道的水泵、閥門和所有供水龍頭，測量并計算出試驗結束時的水量Vtank1；

(7)讀取試驗期間由太陽能遠程計量系統(tǒng)記錄的各采集周期的熱水系統(tǒng)供熱量，并計算其累積值∑Qsh，并按(6)計算水箱的損失熱量；

Q_tank＝∑c_fρ×(V_tank1-V_tank0)×t_tank1 (6)

(8)熱水系統(tǒng)供熱量計量和統(tǒng)計精度用公式(7)計算；

${\mathrm{\ΔQ}}_{sh}=\left|\frac{{\mathrm{\ΣQ}}_{sh}-Q_{\tan k}}{Q_{\tan k}}\×100\%\right|---\left(7\right).$