哈尔滨工业大学(威海) 卢奇麟 李岸杨 吴皓清

1.引言

在我国北方，为居民供暖是城市规划建设的一项基本社会服务。目前，集中供暖是大多数城市选择的供暖方式。据《中国城市建设统计年报》统计，目前我国已经有360多个城市采用集中供暖的方式进行取暖[1]。随着城市规模的扩大和现代化步伐的加快，城市供热管网越来越庞大，越来越复杂，用户类型也越来越多，其管理和维护的要求也越来越高。由于供热管网分布区域广、敷设环境复杂、入户节点多，及时获取全管网运行的温度、流量等数据存在比较大的困难，导致管网泄漏、损坏等故障无法及时发现，极易造成人员财产的损失。此外，热力分配不均导致的供暖差异和部分用户偷排供热用水等问题，也会造成资源的严重浪费。因而，应用无线管道信息变送器来构建智能管道信息系统，帮助供暖企业及时获取管网信息，建立管网系统的故障预警机制，可大大降低供热管网的维护成本。

2.设计方案

2.1 总体结构

本装置将管网检测技术、无线传输技术以及温差发电技术相结合，打造智能管网检测。利用温差发电，无需再步电线、信号线，能降低安装成本，热能调控合理化，从而达到节能减排的目的，符合当代中国节能减排趋势和互联网+的发展趋势。用户可根据需要从PC端的上位机程序获取管网内的各种信息。

本装置由上位机监控、温差发电部分、通信控制部分以及传感器部分四块构成。温差发电部分利用管道内的废热发电，供给传感器部分，传感器部分将获取到的信号通过通信控制部分转发至基站，再由基站发至用户电脑。具体见图1。

2.2 设备选型

2.2.1 温差发电部分

采用TEC1-12706T200型半导体温差发电片，该元件工作温度范围较大，价格较为低廉。将温差发电片贴于吸热端，并将红黑两端分别接入电路正负极即可实现发电。输出电压经过一个5V的DCDC开关电源给单片机及传感器供电，电路连接如图2所示。

图1 系统结构组成

图2 温差发电部分电路连接示意图

2.2.2 传感器部分

温度传感器部分选用DS18B20芯片，与传统的热敏电阻不同，DSl8B20可直接将被测温度转换为串行数字信号，供单片机处理。通过编程, DSl8B20可以实现9～12位的温度读数。信息经过单线接口送入或送出DSl8B20，因此从单片机到DS18B20仅需连接一条信号线和地线。此外，每片DSl8B20都设有惟一的产品序列号，单片机通过简单的协议就能识别这个序列号。故多个DSl8B20可以挂接于同一条单线总线上, 特别适合构成多点温度测控系统[2]。

流速传感器部分采用YT-B2涡轮流量计，工作电压范围较大，工作时的精度较高，能达到1～25LMIN±3%。涡轮流量计输出为与流量成正比的脉冲数字信号。它具有在传输过程中准确度不降低、易于累积的优点[3]。

2.2.3 通信控制部分

通信及控制部分由数字控制器及无线收发装置两大部分组成。控制器部分采用ST公司的STM32F103C8T6单片机搭建,具有功能多性能强、功耗低价格廉等优点。无线收发装置由2.4G无线模块组成，实现管道检测装置与上位机的通讯功能。整个装置由温差发电部分供电，系统功耗低，可长期保持运行状态。可使用主从模式，主机未发送询问信号时，从机进入超低功耗模式工作，平均工作电流仅为10mA，当主机发送询问请求时，控制器重新恢复到正常工作模式，此时工作电流为低功耗模式工作电流的4～6倍。

2.3 上位机监控程序

开发的上位机程序名为TubeOb，即管道观察员。传感器检测到管道内的温度、流量后，通过串口NR24L01模块通信，向基站传送信号。程序界面上可以实时显示目前管道内部的温度、流量，数据变化曲线等。应用程序界面如图3所示。

图3 TubeOb应用程序截图

3.理论分析

3.1 节能计算分析

管道内流体热量为Q1，半导体温差发电片热端获取到的热量为Q2，热量传输过程效率为η，热量传输示意图如图4所示。

图4 热量传输示意图

以百万千瓦发电机组的转换效率42%为例，取煤的热值q=29271.6KJ/Kg，m为煤的质量，可产生相当于燃烧标准煤的电能。

3.2 安装成本分析

传统暗埋布线成本包括2个部分。 1.铜材的成本；2.人工埋设的成本。

（1）铜的成本

以BV1平方的铜线为例，假如铺设电线至基站的长度是500米，4线并行。那么这路电线中间铜丝的重量就是：

人工埋设成本埋设每米每平方电力线的价格根据铺设难度及实际情况不同，下表1为几种布线价格。

表1 布线成本

3.3 系统整体效率

基于以上的数据分析，采用温差发电的无线管道信息变送装置对供暖系统进行智能化运行监控，相比传统的管道温度、流量检测，能提高节能率5%-15%。

4.工作原理及性能分析

4.1 工作原理

该模型装置模拟部分供热管道系统，以三通管道模拟检测节点，水泵供水来模拟管道内的流体流动（包含模拟冷端和热端）。此外，该装置还有数字控制器、传感器以及通信模块等。温差发电片受到吸热端与散热端的温度差，由于塞贝克效应，形成电流，供系统工作。传感器采集信息，转换为电信号发送给数字控制器，经由2.4G无线模块发送到用户的电脑上。

图6 带载电压与温差关系

4.2 性能分析

为了验证模型的温度控制效果，进行了稳定性试验，并选取了一次实验的数据曲线。取温差在25度与45度中间的八个点，进行发电片实验，曲线如图6所示。

图7、图8分别为pc端接收到的温度、流速数据曲线。

图7 温度曲线

图8 流速曲线

4.3 实验结果分析

在温差达到30度以上时，温差发电片即可产生5V以上的带载电压，供给整个管道检测装置。由图7、图8可以看出，该装置可以在较大的范围内精准的检测出温度以及流量的变化。

该装置不改变原有管道结构，仅需在现有管道上加装温差发电片与传感器。若实现量产，可将电子控制器、传感器及2.4G无线模块进行整合，实现一体化、小型化，方便对原有管道进行，达到节能减排的目的。

5.结束语

本文设计一套基于温差发电的无线管道信息变送装置，该装置利用节点处供水与回水管的温差实现自发电，通过无线网络传送信号到基站，实现远程管网信息的获取，方便供暖企业对管网进行实时检测并对系统进行热力调控。因其安装时无需再布电力线、信号线，具有安装成本低，工作稳定可靠的特点。通过降低安装成本、自发电及提供管网信息达到节能减排的目的。

本设计获“神雾杯”第十届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖。