专利名称：楼宇太阳能热水器控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热水器领域，尤其是关于一种应用于楼宇的太阳能热水器控制系统及控制方法。
背景技术：
随着社会的发展和科技的进步，人类对能源的需求也逐渐趋向高水平和高质量化。但是，自然界赋予我们的一次性能源毕竟是非常有限的，况且，各种一次性能源所带来的污染问题摆在我们面前。这个问题已经得到了国家的高度重视。在2005年度温家宝总理的政府工作报告中，首次将环境保护从以往的“社会事业”部分抽取出来，列入“继续保持经济平稳快速增长”的大题目下。与此同时，核能、风能和太阳能等可再生能源越来越受到人们的关注，2004年，核能在法国占电力的72％，后两项在德国占发电量的50％。2005年的人大两会上，全国人大代表、太阳能专家黄鸣测算今后20年至30年内，中国具备开发利用条件的可再生能源，预计每年可相当于8亿吨标准煤。所以，人们很自然地把目光投向人类赖以生存的太阳。许多利用太阳能的产品应运而生，太阳能蓄电池、太阳灶、太阳能热水器等产品已在社会上广泛使用，太阳能热水器以其节约能源且对环境无污染的特点，自问世以来一直深受广大居民及使用单位的欢迎。但是，现有的太阳能热水器控制系统均采用比较陈旧的电气控制系统，并且由各种分工不同的元器件组装而成，如时间定时器、温度控制器、水位控制器及小型开关等。现有太阳能热水器的控制方式，不仅控制性能欠佳，还存在不同程度的能源浪费。由于控制系统采用各种不同的元器件，其线路连接交错复杂，而且还存在控制器件损耗快、更换频繁、控制不灵活、维护既不方便又浪费维修资金等现象，无法达到明显有效的控制效果，对于需要使用太阳能加热设备较多的单位，更是存在无法实现集中控制和管理的问题。
由于太阳能热水器的所有控制系统通常都安置在楼顶上，每次太阳能控制系统和辅助加热控制系统器件及设备出现问题时，管理人员都无法第一时间得到反馈信息，使管理人员不能及时进行维修。对此，管理人员又不能每天守候在楼顶上，等待处理突发问题，如果是多组太阳能控制系统和太阳能辅助加热控制系统，并属于连续供水的情况下，想确认所有控制系统连续工作状态时，就更加难以判断了，所以管理人员只能通过每天的用水情况来确认太阳能控制系统和辅助加热控制系统的运行情况。如果遇到冬季，或者非冬季里的阴天、连雨天等天气时，太阳能集热器预热效果较差，而且，又处于高峰期用水时间段的情况下发现水温异常时，这表示太阳能辅助加热系统没有正常工作，在这种情况下，即使能及时把系统设备维修好重新工作，辅助加热系统在设定时间内，也远远无法达到预热效果，如此一来，不但影响了正常用水，也导致了水的大量浪费。
同样，对于集热器热水强制循环设备的运行情况，管理员在楼下，是不能通过任何信息来判断的。管理员只能通过每次检修时才能知道。如果强制循环泵出故障，又没有及时地被发现，使集热器所加热的热水无法正常的循环，从而无法将其吸收的热能按设定传递给储热水箱，促使辅助加热系统加热时间延长，导致加热燃料或电能源及集热能源的大量浪费，如此长期下去，整个太阳能系统非但没有起到节省能源的作用，相反，由太阳能所节省的能源都随着控制及管理不当而流失和消耗掉。
另外，现有太阳能水箱水位控制系统的原理是将水位传感器分别放置于水箱和加热锅炉的高、中、低三个点，并由水位控制器进行控制。因每组传感器都安置在固定的位置，所以不能根据不同的用水量而及时地对水箱水量做出调整。
发明内容本发明的目的在于提供一种能实现远程控制的楼宇太阳能控制系统及控制方法。
本发明的目的是这样实现的该楼宇太阳能热水器控制系统包括第一供水箱、辅助加热装置、太阳能集热器、信号采集器、水流控制装置及上位机，水流控制装置与信号采集器通过信号传输通道与上位机连接，第一供水箱分别与辅助加热装置和太阳能集热器构成水循环回路，水流控制装置至少设于其中一个水循环回路上，且该第一供水箱具有热水供水出口，信号采集器采集第一供水箱、辅助加热装置及太阳能集热器中至少之一的状态信息，并将该状态信息输出到上位机，上位机根据该状态信息输出相应的控制信号。
所述的第一供水箱连接有第二供水箱，该第二供水箱与太阳能集热器形成一水循环回路，该水循环回路上设有水流控制装置。
所述的太阳能集热器的出水口和第二供水箱的出水口均设有信号采集器，上位机比较该两出水口的水温并根据比较结果输出相应的控制信号。
所述的第一供水箱上设有信号采集器。
所述的一个上位机与至少一个下位机连接，该下位机与信号采集器和水流控制装置连接。
一种楼宇太阳能热水器的控制方法，包括如下步骤1)通过信号采集器采集供水箱、辅助加热装置及太阳能集热器中至少之一的状态信息；2)信号采集器通过数据传输通道将该状态信息输出到上位机；3)上位机接收状态信息并输出相应的控制信号。
所述的步骤3)包括步骤3a)上位机将接收的状态信息与预设的信息比较；3b)上位机根据比较结果输出相应的控制信号给水流控制装置。
所述的步骤3)中，上位机接收状态信息并输出控制信号到通讯设备。
所述的状态信息通过上位机的调制解调器或GSM通讯模块输出到固定电话或移动电话。
所述的状态信息选自如下信息供水箱的水温信息、供水箱的水位信息、辅助加热装置的故障信息及太阳能集热器的故障信息。
与现有技术相比，本发明具有如下优点1)通过设于楼顶的信号采集器和设于中心监控室的上位机，使信号采集器可及时的将控制系统的状态信息反馈到上位机，从而实现了控制系统的远程控制；2)通过多个下位机的设置，可以实现对多个楼宇的太阳能热水器进行远程集中控制；3)通过将故障信息及时通过上位机的通讯模块反馈到楼宇管理员，从而使系统管理员不必时时刻刻监测电脑屏幕，当系统出现故障的时刻，即使不在管理人员的工作时间之内，管理人员也能马上得到出错信息，及时处理故障，大大地减少由系统故障而导致的各方面的损失；4)通过上位机的管理，及信号采集器与供水箱、太阳能集热器及辅助加热装置之间的对应关系，可以很方便了寻找出故障的位置。
图1是本发明楼宇太阳能热水器控制系统的原理框图。
图2是本发明楼宇太阳能热水器控制系统的通讯系统的原理框图。
图3是本发明楼宇太阳能热水器的控制方法的流程框图。
具体实施方式请参阅图1至图3，本发明楼宇太阳能热水器控制系统包括副水箱1、第一供水箱3、第二供水箱2、辅助加热装置、太阳能集热器6、信号采集器、下位机及上位机，其中，副水箱1用以存储由楼宇的自来水管道输入的冷水；第一供水箱3用以向楼宇供应热水；第二供水箱2用以辅助第一供水箱3向楼宇供应热水；辅助加热装置用以辅助太阳能集热器6对第一供水箱3内的水进行加热，其包括加热机5和锅炉4，该加热机5如现有的柴油燃烧机和发热管，在本实施方式中，该加热机5为柴油燃烧机5，该柴油燃烧机5由一油罐52通过油管供油，该油罐52的顶部安装有检测油罐52油位的油位传感器53，该油位传感器53用于采集油罐52的油位信息，并由上位机根据该信息输出控制信号控制油罐52的进油电磁阀；太阳能集热器6用以收集太阳能及加热第一、第二供水箱3、2；信号采集器包括温度传感器及水位传感器，其分别用以采集供水箱的水温信息和水位信息；下位机安装在楼宇的楼顶上，其与信号采集器通过信号线连接，在本实施方式中，该下位机为单片机；上位机设置在楼宇的中心监控室，该上位机与下位机通过有线通信或无线通信方式进行通信，在本实施方式中，该上位机为固化有监控程序的PC终端，该PC终端与单片机之间通过串口RS232和RS485实现通讯，其中RS485起延长数据传输距离的作用，因为设于楼顶的单片机与设于楼下中心监控室的PC终端之间具有较长的数据传输距离。
副水箱1的进水口连接冷水进水管，其出水口与第二供水箱2底端的第一进水口之间通过第一水管11连接，第二供水箱2顶端的第一出水口与第一供水箱3底端的第一进水口之间通过第二水管21连接，第一供水箱3底端的第一出水口与热水供水管31连接，该热水供水管31实现对楼宇内各住户的热水供应。太阳能集热器6顶端的出水口与第二供水箱2顶端的第二进水口之间通过集热器上循环管61连接，太阳能集热器6底端的进水口与第二供水箱2底端的第二出水口之间通过第一集热器下循环管62连接，第一供水箱3底端的第二出水口通过第二集热器下循环管63与第一集热器下循环管62连接。第一供水箱3还具有位于其顶端的第二进水口及位于其底端的第三出水口，该第二进水口与锅炉4顶端通过第三水管42连接，该第三出水口与锅炉4底端通过第四水管41连接。
第二供水箱2的第二出水口的位置设有第一温度传感器72，太阳能集热器6的出水口的位置设有第二温度传感器71。第一供水箱3的中上部和中下部分别安装有第三、第四温度传感器73、74。第一供水箱3的顶部和锅炉4的顶部分别设有第一、第二水位传感器81、82。另外，在第二水管21、热水供水管31、第一、第二集热器下循环管62、63上分别设有水流控制装置91、92、94、93，该水流控制装置91、92、94、93用以控制上述水管或循环管中的水流。上述的各个温度传感器、水位传感器及水流控制装置均通过信号线与下位机连接。另外，第一集热器下循环管62上还设有第一集热器循环泵64，第二集热器下循环管63上设有第二集热器循环泵65，当打开该第一或第二集热器循环泵时，可以实现水循环。在本实施方式中，水流控制装置包括电磁阀91、92、94、93和第一、第二集热器循环泵64、65，该电磁阀的打开和关闭、循环泵的启动和停止均由上位机或下位机发出的控制信号来控制。
本发明中，该太阳能热水器控制系统可以实现多种水循环。第一水循环是太阳能集热器6和第二供水箱2之间的水循环，此水循环过程中，第一集热器循环管62上的电磁阀94打开，第二水管21上的电磁阀91关闭，第二集热器循环管63上的电磁阀93也关闭，第一集热器循环泵64工作。第二水循环是太阳能集热器6、第一供水箱3和第二供水箱2之间的水循环，此水循环过程中，关闭第一集热器下循环管62上的电磁阀94，打开第二集热器下循环管63上的电磁阀93。第三水循环是辅助加热装置与第一供水箱3之间的水循环。当然，在太阳照射不强且用水量较大的时段内，可以通过水管将辅助加热装置与第二供水箱2连接，从而在第二供水箱2和辅助加热装置之间形成第四水循环。第一供水箱3的水温不低于第二供水箱2的水温，当第二供水箱2的水温高于第一供水箱3的水温时，则实现第二水循环。
该太阳能控制系统的辅助加热装置的工作原理如下第一供水箱3的第二温度传感器74采集第一供水箱3的水温信号，并通过信号线将该水温信号输出到下位机，下位机将该水温信号进行转换后输入到上位机，上位机的显示终端可形象显示出第一供水箱3内的水温情况。上位机中的比较单元对该接收的第一供水箱3的水温值和设定的水温值进行比较，当辅助加热装置还同时满足三个启动条件时，如果第一供水箱3的水温低于设定的水温，则上位机通过控制单元输出控制信号以使辅助加热装置启动，即实现第三水循环；如第一供水箱3的水温高于设定的温度，则上位机输出控制信号以使辅助加热装置停止加热。所述的辅助加热装置还需同时满足的三个启动条件为1)当前时刻为预设的启动时间段；2)通过第一水位传感器81检测到的第一供水箱3的水位满足条件，即第一供水箱3的水位达到上位机所预设的水位；3)通过油位传感器53检测到的油罐52的油位满足设定条件，即油罐52的油位达到上位机所预设的油位。另外，辅助加热装置的加热机5具有一个加热状态传感器，如果辅助加热装置的加热机5不能正常启动，则加热状态传感器输出故障信息到上位机，上位机则会在显示终端上显示报警信息，并可通过发短信或打电话的方式通知管理人员，则管理员就可根据该报警信息进行抢修，在本实施方式中，该加热状态传感器为一点火状态传感器。
该太阳能控制系统的太阳能集热器6的工作原理如下第一、第二温度传感器72、71分别采集第二供水箱2的第二出水口的水温和太阳能集热器6出水口的水温，并通过信号线将上述两处的水温信息输出到下位机，下位机将该两水温信息转换后输出到上位机，上位机的比较单元对集热器出水口的水温和第二供水水箱水温进行比较，如两者之间的差值高于设定的温差时，则上位机输出启动信号给下位机，下位机输出启动信号并通过继电器导通第一集热器循环泵64的电源，实现强制启动第一集热器循环泵64，使太阳能集热器6内的水和第二供水箱2里的水相互循环，进而将太阳能集热器6内的热能传给第二供水箱2的水，即实现第一水循环。如果因第一集热器循环泵64没有正常工作或设备损坏，则上位机会通过显示终端直观显示出故障信息，从而管理人员根据故障信息即可实现设备检修，并且可以根据不同的情况和环境的需要，修改温差参数，以提高太阳能控制系统供应热水的质量。上述对第一集热器循环泵64故障的判断是由太阳能集热器6出水口的温度变化来实现，即当上位机接收到第一集热器循环泵64的启动信号后，如果在设定的时间内，太阳能集热器6出水口的第二温度传感器71采集的水温的变化值小于设定值，则判断第一集热器循环泵64没有正常工作。
第二水循环的工作原理如下第四温度传感器74和第二温度传感器71分别采集第一供水箱3出水口和太阳能集热器6的出水口的水温，并通过上位机的比较单元比较该两水温值，并通过判断其差值与设定的温差的大小来控制是否启动第二集热器循环泵65。第二集热器循环泵65的故障判断的原理同第一集热器循环泵64的故障判断。
该太阳能热水器控制系统还可以进行水位监控，通过第一水位传感器81采集第一供水箱3的水位信息，确保第一供水箱3内有足够的水，以保证锅炉4里面具有足够的水而能正常工作，而不会对锅炉4及加热循环泵51造成损坏。在加水过程中，当第一供水箱3的水位上升到最大允许高度时，关闭第二水管21上的电磁阀91而停止加水；在第一供水箱3供应热水时，如第一供水箱3的水位下降到最低允许高度时，则上位机打开第二水管21上的电磁阀91来加水，如果此时辅助加热装置为加热或集热器循环泵出于工作状态，则上位机强制关闭辅助加热装置和集热器循环泵65，直至第一供水箱3的水位恢复到所设定的水位高度，即只有在第一供水箱3的水位在允许的范围内且满足加热条件时，辅助加热装置和集热器循环泵才能正常启动，所述的加热条件包括第一供水箱3的水位达到设定高度及温度满足设定温度等条件。此外，在加水和停止加水的过程中，如果电磁阀不能正常打开或关闭，则上位机会在显示终端显示该报警信息并通知系统管理员。
该太阳能控制系统还可进行油位监控，其通过设置在油罐52上的油位传感器53实现，该油位传感器53把油位信息经下位机传给上位机。在给油罐52加油的过程中，当油罐52油位上升到最大设定高度时，上位机输出控制信号以使设于油罐52入口处的加油设备(如进油电磁阀)关闭，停止加油；当油位下降到最低设定高度时，上位机则给出打开加油设备信号。如果上位机或下位机检测到无法正常打开或关闭加油设备，则上位机会将该故障信号通知给系统管理人员。所述的故障检测是通过判断自加油时刻起，在一定时间内若油位传感器53采集的油罐的油位无明显变化，如无明显变化则表明加油设备出现故障。
第一供水箱3的第一出水口的位置设有一个数字水表，该数字水表输出用水信息到上位机，从而便于每天统计一次用水量，并可以按年度、按月份输出统计报表。这样一来，管理人员就可以非常方便地在一台PC上了解每栋楼不同时段的用水量情况。
柴油燃烧机5的进油处安置一个数字油表，该数字油表输出供油信息到上位机，从而便于每天统计一次加油数量，并可以按年度、按月份输出统计报表。使管理人员可以及时掌握系统耗油情况，以及为其分析油路是否有漏油情况做一个参考依据。
当然，本发明可以采用一个上位机和若干下位机通过串口相互通讯的控制方式，上位机设置在中心监控室，各个下位机则设置在不同的楼宇上，从而实现对各楼宇太阳能热水器的集中控制。当上位机的监控程序启动后，首先从系统数据库中读取当前共有多少栋楼宇安装了下位机，并分析各个下位机的工作状况(启动或关闭)。统计需要通讯的下位机的数目，并按顺序在内存中构建一个存有各个下位机控制参数信息的链表。系统开始通讯时，上位机端首先被设置为发送地址状态，并发送第一台下位机的地址，此时所有下位机都判断是否是给自己发的。如是给自己发的，则该下位机发送回应信号并准备接收上位机端发送的数据，上位机收到回应信号后转为发送数据状态。逐个发送各个控制参数并检测从各下位机回应的校验信息，当上位机端正确无误地将控制参数发送给该下位机后，上位机马上进入接收状态，逐个接收各个温度值及系统状态参数，并回应校验信息。当与一台下位机通讯完毕后，上位机自动从参数链表中读取下一台下位机的控制参数并与之通讯，通讯过程同上。当上位机和链表中的最后一台下位机通讯后，又将指针移向第一台下位机。如此周而复始地循环，实现对整个系统实时监控的功能。
在系统通讯的过程中，当上位机端检测到通讯错误或设备工作异常等情况时，上位机的显示终端上会显示相应的提示信息。此外，用户还可以选择通过如下两种方式来报警电话报警和短信息报警。电话报警要求上位机必须通过Modem(调制解调器)与开通的电话线相连。当系统出现异常情况后，上位机向Modem发送AT控制信号，拨通存储在上位机系统数据库中的报警电话号码，管理员接到报警电话后，知道系统出现了问题，则可马上直观的在显示终端上查看并进行故障处理。与之相比，短信息报警则不要求上位机连接电话线，即所谓的无线报警方式，用户只需购买一个手机SIM卡放在上位机的GSM模块中，管理员事先将自己的手机号码输入故障报警系统。为确保故障信息能够及时准确地发送给管理员，系统允许用户最多输入三组手机号码。这样，就可以降低一些由于外界因素引起的用户不能及时看到故障信息的情况。当系统出现异常情况后，上位机向GSM模块发送AT控制信号，将当前的出错信息根据存储在系统数据库中的手机号码发送到该手机中。系统管理员收到该信息后可以根据内容直接奔赴出错现场检修，从而使系统管理员不必时时刻刻监测电脑屏幕，当系统出现故障的时刻，即使不在管理人员的工作时间之内，管理人员也能马上得到出错信息，及时处理故障，大大地减少由系统故障而导致的各方面的损失。
本发明楼宇太阳能热水器的控制方法包括如下进程1)通过信号采集器采集供水箱、辅助加热装置及太阳能集热器中至少之一的状态信息；2)信号采集器通过数据传输通道将该状态信息输出到上位机；3)上位机接收状态信息并输出相应的控制信号。所述的信号采集器包括温度传感器、水位传感器、油位传感器及状态传感器，该温度传感器如前述设于第一供水箱上的第三、第四温度传感器，该水位传感器如设于第一供水箱和锅炉顶部的第一、第二水位传感器，该状态传感器为柴油燃烧机的点火状态传感器。所述的状态信息选自如下信息供水箱的水温信息、供水箱的水位信息、油罐的油位信息、辅助加热装置的故障信息及太阳能集热器的故障信息。当该太阳能控制系统正常工作时，步骤3)包括步骤3a)上位机将接收的状态信息与预设的信息比较；3b)上位机根据比较结果输出相应的控制信号给水流控制装置。当该太阳能控制系统出现故障时，步骤3)为上位机接收状态信息并输出该信息到通讯设备，其中，该状态信息即为故障信息，通讯设备为固定电话或移动电话，该状态信息通过集成在上位机中的调制解调器或GSM模块输出到固定电话或以短信息方式输出到移动电话。当一个上位机与至少一个下位机连接时，步骤2)包括如下步骤2a)信号采集器通过数据传输通道将状态信息输出到下位机；2b)下位机将状态信息转换后输出到上位机。当然，本发明中，控制信号也可由下位机直接发出。
权利要求
1.一种楼宇太阳能热水器控制系统，其特征在于包括第一供水箱、辅助加热装置、太阳能集热器、信号采集器、水流控制装置及上位机，水流控制装置与信号采集器通过信号传输通道与上位机连接，第一供水箱分别与辅助加热装置和太阳能集热器构成水循环回路，水流控制装置至少设于其中一个水循环回路上，且该第一供水箱具有热水供水出口，信号采集器采集第一供水箱、辅助加热装置及太阳能集热器中至少之一的状态信息，并将该状态信息输出到上位机，上位机根据该状态信息输出相应的控制信号。
2.如权利要求1所述的楼宇太阳能热水器控制系统，其特征在于所述的第一供水箱连接有第二供水箱，该第二供水箱与太阳能集热器形成一水循环回路，该水循环回路上设有水流控制装置。
3.如权利要求2所述的楼宇太阳能热水器控制系统，其特征在于所述的太阳能集热器的出水口和第二供水箱的出水口均设有信号采集器，上位机比较该两出水口的水温并根据比较结果输出相应的控制信号。
4.如权利要求1所述的楼宇太阳能热水器控制系统，其特征在于所述的第一供水箱上设有信号采集器。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的楼宇太阳能热水器控制系统，其特征在于所述的一个上位机与至少一个下位机连接，该下位机与信号采集器和水流控制装置连接。
6.一种楼宇太阳能热水器的控制方法，其特征在于它包括如下步骤1)通过信号采集器采集供水箱、辅助加热装置及太阳能集热器中至少之一的状态信息；2)信号采集器通过数据传输通道将该状态信息输出到上位机；3)上位机接收状态信息并输出相应的控制信号。
7.如权利要求6所述的楼宇太阳能热水器的控制方法，其特征在于所述的步骤3)包括步骤3a)上位机将接收的状态信息与预设的信息比较；3b)上位机根据比较结果输出相应的控制信号给水流控制装置。
8.如权利要求6所述的楼宇太阳能热水器的控制方法，其特征在于所述的步骤3)中，上位机接收状态信息并输出控制信号到通讯设备。
9.如权利要求8所述的楼宇太阳能热水器的控制方法，其特征在于所述的状态信息通过上位机的调制解调器或GSM通讯模块输出到固定电话或移动电话。
10.如权利要求6-9中任意一项所述的楼宇太阳能热水器的控制方法，其特征在于所述的状态信息选自如下信息供水箱的水温信息、供水箱的水位信息、油罐的油位信息、辅助加热装置的故障信息及太阳能集热器的故障信息。
全文摘要
本发明楼宇太阳能热水器控制系统包括第一供水箱、辅助加热装置、太阳能集热器、信号采集器、水流控制装置及下位机、上位机，水流控制装置与信号采集器通过信号传输通道与上位机连接，第一供水箱分别与辅助加热装置和太阳能集热器构成水循环回路，水流控制装置至少设于其中一个水循环回路上，且该第一供水箱具有热水供水出口，信号采集器采集第一供水箱、辅助加热装置及太阳能集热器中至少之一的状态信息，并将该状态信息输出到上位机，上位机根据该状态信息输出相应的控制信息。通过信号采集器和上位机的设置，使下位机可及时的将控制系统的状态信息反馈到上位机，并且在出现故障时能第一时间通知管理员，实现了控制系统的远程控制。
文档编号F24J2/40GK1687670SQ200510020809
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月23日 优先权日2005年4月23日
发明者朱冬范, 李秀昌, 陈志 申请人:朱冬范, 李秀昌, 陈志