專利名稱:運行狀態下直接式太陽能集熱系統集熱性能測試方法
技術領域:
本發明涉及一種太陽能集熱性能的測試方法,具體為一種針對實際工程中處于運行工況下的直接式太陽能集熱系統集熱性能的測試方法。基于對廣州亞運城太陽能集熱系統運行狀態下集熱性能的實測,并與現有國家標準《民用建筑太陽能熱水系統評價標準》 (GB/T50604-2010)和《太陽熱水系統性能評定規范》(GB/T20095-2006)配合,以完善規范的不足,形成一個系統全面的太陽能集熱性能評價標準。本發明可應用于各種實際工程中, 針對運行狀態下的直接式太陽能集熱系統進行集熱性能測試,彌補了國內相關測試規范的空白,對今后太陽能集熱系統設計、施工以及運行、管理都具有重要意義。
背景技術:
我國太陽能的利用技術特別是太陽能光熱(制備熱水)利用技術日趨成熟,太陽熱水系統經過多年的發展,取得了大批科技成果,并形成了產業化生產。截至2006年我國太陽能熱水器集熱面積已經達到9000萬m2,占到世界太陽能熱水器集熱面積的60%左右。 根據國家發改委有關太陽能利用方案提出的中長期的發展目標,到2020年,太陽能熱水器總集熱面積將達到3億m2,替代約5000萬t標準煤。隨著太陽能熱水系統的廣泛應用,關于太陽能集熱系統集熱性能的測試與評價也逐漸被人們所關注。
隨著太陽能熱水產業的發展,合理地評價一個系統實際的集熱情況尤為重要,我國現有國家標準《民用建筑太陽能熱水系統評價標準》(GB/T50604-2010)和《太陽熱水系統性能評定規范》(GB/T20095-2006)對太陽能集熱系統的測試做出了相關規定。
然而,以上測試方式存在著以下幾點不足
1、《民用建筑太陽能熱水系統評價標準》(GB/T50604-2010)與《太陽熱水系統性能評定規范》(GB/T20095-2006)中雖然對太陽能集熱系統的監測做出了規定,但是規范中規定的測試方法都是針對太陽能熱水系統安裝完成后,投入使用之前對系統進行的靜態的、 試驗性質的測試,其顯著特點是試驗測試條件理想化。
2、太陽能集熱系統隨著使用年限的增加,集熱性能也會改變,規范中的測試方法并不適用于不同年限條件下的太陽能集熱系統的測試。
3、評定規范中對測試條件、內容及方法進行了較為嚴格的控制規定,這對運行中的太陽能集熱系統操作起來較難。在測試方法上,評定規范中的一些操作步驟在實際運行的系統中很難實現。如集熱水箱性能的測試,要求系統停止運行、關閉循環泵,還需要安裝混水泵等裝置混水后進行測試。然而,在實際工程中,需要保證及時供應熱水,所有的設備都必須正常運行,不能隨意改變其運行模式。而且,混水裝置的使用本身就帶來了能量的消耗,有悖于太陽能作為可再生能源利用,節約能源的初衷。
4、評定規范規定評價太陽能熱水系統集熱性能需測試系統日有用得熱量、溫升性能、集熱水箱保溫性能這3項內容。但是,要想綜合評價一個太陽能集熱系統的集熱性能, 上述3項監測內容還不夠。
隨著太陽能集熱系統的廣泛利用,不論是設計方、施工方還是監理方更關心的還是太陽能集熱系統在運行中的集熱情況。實際運行中影響太陽能集熱系統集熱性能的因素多種多樣,很難完全達到理想測試狀態。而在各種因素綜合影響之下的實際運行結果才能真實的體現太陽能熱水系統的節能環保效益,因此,實際運行狀態下真實的、動態的太陽能系統集熱性能測試,對設計、施工以及運行、管理都具有重要意義。發明內容
本發明的目的在于提供一種用于實際工程的,針對處于運行工況下的直接式太陽能集熱系統集熱性能的測試方法。使用該方法可以有效測試太陽能集熱系統真實的運行情況與集熱性能;與現有國家標準、規范相配合,形成一個更加全面系統的評價太陽能集熱系統集熱性能的監測方法,更好地保障太陽能集熱系統的運行,促進太陽能熱水系統產業更好更快地發展。
本發明給出運行狀態下直接式太陽能集熱系統集熱性能測試的測試條件、測試內容、測試方法幾項測試要求,通過上述幾點綜合評價一個實際工程中太陽能集熱系統真實的集熱性能。
主要的測試步驟如下
測試時間與外界環境條件為保證測試數據的可靠性與穩定性,測試時間應持續一周,每日測試時間為當地太陽正午時前4h到太陽正午時后4h期間,共計8h。測試外界環境條件要求每日太陽累計輻照量滿足> 17MJ/m2。但是,考慮到太陽能集熱性能受太陽輻照影響較大,連續測試期間完全滿足輻照量> 17MJ/m2的要求有一定難度,但是要保證測試期間有至少3 4天累計太陽輻照量滿足> 17MJ/m2的輻照要求,有個別幾天輻照量不滿足的,可以通過輻照量換算,得到輻照量為17MJ/m2的標準狀態下的太陽能集熱系統的集熱性能。
綜合評價一個太陽能集熱系統的集熱性能,提出從日有用得熱量、系統集熱效率、 產水量、水箱溫升性能、集熱水箱保溫性能5個方面考慮。
記錄太陽能集熱系統集熱水箱運行狀態下每日每次的放水量,累加求和得到每日產熱水總量,同時可計算得到太陽能集熱系統每日產熱量E^
測試日有用得熱量,從空間與時間兩方面考慮,在空間上把集熱器和集熱水箱作為一個整體考慮。針對運行狀態下的太陽能集熱系統,提出通過采用能量守恒方法將整個集熱系統與外界換熱的過程求出。歸納出以下計算關系式ΔΕ^+Ε^+Ε^ζΕ,+Ε^式中 ΔΕΚ-集熱水箱在監測期間熱量的變化量,MJ5Eat-太陽能集熱系統供熱水時放掉的熱量, MJ ;Eii-太陽能熱水系通過管道、水箱向外界散失掉的熱量,MJ ;Ett-集熱水箱補水時,自來水帶入的熱量,MJ ;Ε太-太陽能集熱器集熱得到的熱量,MJ。E得=E太-Es= ΔΕΚ+Ε放-E補, 通過求出Δ E K、E& E #后計算得到日有用得熱量E得。
根據測試得到的日有用得熱量,測試太陽能集熱系統的集熱效率。為了更好地體現太陽能集熱系統實際運行中的集熱效率,選擇測試系統效率。
測試集熱水箱升溫性能,根據太陽能集熱系統每次集熱過程前后集熱水箱內水溫的變化,計算得到每次集熱水箱的升溫情況,通過換算可以得到標態下集熱水箱升溫性能 Δ tl7。對每日每次集熱的溫升情況取平均值,得到系統每日平均升溫性能,要求測試得到的標態下集熱水箱升溫性能Atl7彡25V。
測試集熱水箱保溫性能,測試時間根據太陽能集熱系統每日開始啟動集熱時間和每日停止集熱的時間確定,測試時間定為每日16:00至次日8:00,共計16個小時。測試16 小時內貯熱水箱的溫降情況。
本發明通過上述測試步驟,可以得到太陽能集熱系統日有用得熱量、集熱效率、產水量、水箱溫升性能和集熱水箱保溫性能,通過這5項測試結果可以較為全面地評價一個太陽能集熱系統在實際運行中的集熱性能,反映出真實的運行狀況。
圖1直接式太陽能集熱系統組成結構圖
圖中1、太陽能集熱器,2、接高質水補水管,3、太陽能集熱水箱,4、溢流管,5、泄水管,6、太陽能熱水供出,7、循環泵
圖2太陽能集熱系統能量守恒示意圖
圖中1、EA-太陽能集熱器集熱得到的熱量,2、集熱器,3、集熱水箱,4、ΔΕΚ-集熱水箱在監測期間熱量的變化量,5、Ett-集熱水箱補水時,自來水帶入的熱量,6、EK-太陽能熱水系通過管道、水箱向外界散失掉的熱量,7、Eat-太陽能集熱系統每次放水時熱水的熱量具體實施方式
結合附圖詳細說明本發明實施方式。本發明針對直接式太陽能集熱系統進行,圖1 中展示了直接式太陽能集熱系統的組成結構圖,直接式太陽能熱水系統一般由太陽能集熱器、集熱水箱、循環水泵和連接集熱器與集熱水箱的管道這幾部分組成。圖2中展示了本測試方法的測試原理,是基于能量守恒定律進行的測試方法的推導。主要的實施步驟如下
篩選測試條件為保證測試數據的可靠性與穩定性,測試時間最好持續一周,才能得到更準確的數據。每日測試時間為當地太陽正午時前4h到太陽正午時后4h期間,共計 8h。太陽能集熱性能受太陽輻照影響較大,但是考慮到實際測試時間上的特定性與局限性, 連續測試期間完全滿足輻照量> 17MJ/m2的要求有一定難度;但是要保證測試期間有至少 3 4天累計太陽輻照量滿足彡17MJ/m2的輻照要求,有幾天輻照量不滿足17MJ/m2,可以通過輻照量換算,得到輻照量為17MJ/m2的標準狀態下的太陽能集熱系統的集熱性能。
確定測試內容綜合評價一個太陽能集熱系統的集熱性能,主要應從日有用得熱量、系統集熱效率、產水量、水箱溫升性能、集熱水箱保溫性能這5方面考慮。
測試日產水量
運行狀態下直接式太陽能集熱系統的日產水量可以通過在水箱出水管道上安裝水表或流量計進行記錄得到。當沒有安裝測試水量儀表的情況下,可以通過集熱水箱液位監測數據計算,得到系統每日放出的熱水水量,即每日的總產水量V
V = ^j A(Hm-H1)(8)i=l
式中,A為集熱水箱面積,h為實時監測的水箱液位高度。考慮到< hi時,為水箱補入冷水過程,hi+1-hi ^ 0,不應計入所產熱水量,因此統計時若(hi+1-hi) ^ 0,不計入或按Ov1-Iii) = 0計入。
測試日有用得熱量
結合圖2與根據能量守恒定律,歸納出以下計算關系式
ΔΕΚ+Ε 放+E 散=E 補+E 太(1)
式中ΔΕΚ-集熱水箱在監測期間熱量的變化量,MJ -太陽能集熱系統每次放水時熱水的熱量,MJ ;Eii-太陽能熱水系通過管道、水箱向外界散失掉的熱量,MJ -集熱水箱補水時,自來水帶入的熱量,MJ ;Eic-太陽能集熱器集熱得到的熱量,MJ。
由于監測的是系統效率,需要排除管損、水箱熱損等無效損耗,而系統效率是通過日有用得熱量計算得到的,太陽能集熱系統日有用得熱量已經扣除了系統的管道損失、泵耗等所有無效損耗。因此,用太陽能集熱器集熱得到的熱量減去太陽能熱水系通過管道、水箱向外界散失掉的熱量,才是系統從太陽集熱得到的真正用來提升水箱內水溫的有用得熱量,因此有用得熱量Ei4根據(1)式可以表示為
E 得=E 太-E 散=ΔΕκ+Ε 放-E 補(2)
上述公式中各項熱量值可以通過測試系統循環流量、集熱水箱放水量、補水量、貯水量和集熱水箱內水溫等求得,但是考慮到測試期間,太陽能集熱系統時刻處于運行狀態, 進水流量、出水流量與循環水溫在測試期間變化較大。因此,可以通過將整個集熱過程分為若干時間段,利用累加求和的方法進行計算。具體時間段的劃分,需要根據不同數據采集系統的設置來選擇,亞運城數據采集系統設定數據采集頻率為1分鐘,保證了采集數據的準確性與精細度。能量可以通過焓值來表示,公式O)中各項能量值可表示如下
ηEm=C-Jnm-Tm=C-PYjVm1-Tm(3)1=1
η£ 補=C./77 補.Γ補=C.廠 I 廠補 i.T7^(4)1=1
ΔΕΚ= E末-Efe= c · ρ · V末· T末_c · P · V始· T始(5)
C-水的比熱容,kj/ (kg · °C ) ; P -水的密度,kg/m3 ;V-體積,m3 ;T-貯熱水箱內水溫,。C ;i-具體劃分的小時段;η-總時段。
公式(3)、(4)中,VauJtti分別為第i段時間內水箱的放水量與補水量;I^pTtt i分別為第i段時間內水箱的放水水溫與補水水溫。通過累加計算得到測試8小時期間,太陽能集熱系統熱水的總熱量與補入冷水的總熱量。公式(5)中,V. 分別為測試開始與結束時集熱水箱的貯水容積,Tfe、T#分別為測試開始與結束時集熱水箱內的水溫。其中T ^uJihiJfe、、分別為各點溫度傳感器實時監測數據,Vfe、、分別根據水箱液位監測數據計算。
通過公式(3) (5)計算得到運行狀態下的太陽能集熱系統的在測試始末熱量的變化量和運行中的熱量變化量,帶入公式( 得到整個系統一天的總得熱量。
ηηEn^c-p-iV^-T^-V^-T^+YVm-Tm-YV^-T^d1=1 1=1
前文已述,針對運行狀態下的太陽能集熱性能的測試,測試時間以一周為宜,考慮到測試期間可能會出現輻照量不滿足> 17MJ/m2的情況,可以按照下式換算成太陽輻照為17MJ/m2時的日有用得熱量E17。
權利要求
1. 一種運行狀態下直接式太陽能系統集熱性能測試方法,其特征在于包括以下步驟 測試時間與外界環境條件測試時間應持續至少一周,每日測試時間為當地太陽正午時前4h到太陽正午時后4h期間,共計他;測試外界環境條件要求保證測試期間有至少3 4天累計太陽輻照量滿足> 17MJ/m2的輻照要求,有個別幾天輻照量不滿足的,通過輻照量換算,得到輻照量為17MJ/m2的標準狀態下的太陽能集熱系統的集熱性能;綜合評價一個太陽能集熱系統的集熱性能,提出從日有用得熱量、系統集熱效率、產水量、水箱溫升性能、集熱水箱保溫性能5個方面考慮記錄太陽能集熱系統集熱水箱運行狀態下每日每次的放水量,累加求和得到每日產熱水總量,同時可計算得到太陽能集熱系統每日產熱量E放;測試日有用得熱量,在空間上把集熱器和集熱水箱作為一個整體考慮;針對運行狀態下的太陽能集熱系統,提出通過采用能量守恒方法將整個集熱系統與外界換熱的過程求出;歸納出以下計算關系式ΔΕΚ+Ε放+Ek= E補+E太,式中ΔΕΚ-集熱水箱在監測期間熱量的變化量,MJ5Eat-太陽能集熱系統供熱水時放掉的熱量,MJ5Eii-太陽能熱水系通過管道、水箱向外界散失掉的熱量,MJ -集熱水箱補水時,自來水帶入的熱量,MJ 太陽能集熱器集熱得到的熱量,MJ ;E得=E太-Eii= Δ Ee+E放-E補,通過求出Δ EK、E放、E補后計算得到日有用得熱量Ε#;根據測試得到的日有用得熱量,測試太陽能集熱系統的集熱效率;為了更好地體現太陽能集熱系統實際運行中的集熱效率,選擇測試系統效率;測試集熱水箱升溫性能,根據太陽能集熱系統每次集熱過程前后集熱水箱內水溫的變化,計算得到每次集熱水箱的升溫情況,通過換算可以得到標態下集熱水箱升溫性能 Atl7 ;要求測試得到的標態下集熱水箱升溫性能Atl7彡250C ;測試集熱水箱保溫性能,測試時間定為每日16:00至次日8:00,共計16個小時。
全文摘要
一種運行狀態下直接式太陽能系統集熱性能測試方法屬于太陽能集熱性能測試領域。本發明測試時間與外界環境條件測試時間應持續至少一周,每日測試時間為當地太陽正午時前4h到太陽正午時后4h期間,共計8h;測試外界環境條件要求測試期間有至少3~4天累計太陽輻照量滿足≥17MJ/m2的輻照要求,有個別幾天輻照量不滿足的,通過輻照量換算,得到輻照量為17MJ/m2的標準狀態下的太陽能集熱系統的集熱性能;綜合評價一個太陽能集熱系統的集熱性能,從日有用得熱量、系統集熱效率、產水量、水箱溫升性能、集熱水箱保溫性能5個方面考慮。本發明可應用于各種實際工程中,針對運行狀態下的直接式太陽能集熱系統進行集熱性能測試,彌補了國內相關測試規范的空白。
文檔編號G01M11/02GK102494870SQ20111035987
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者何媛媛, 卜曉明, 司琦, 呂鑑, 張英, 李濟源, 湯瀟, 甄帥, 馬曉虹 申請人:北京工業大學