太阳能热水管工程系测量方法透析论文

太阳能热水管工程系测量方法透析论文

　　热负荷测量热负荷

　　QL包括了用户得热量Quse和用户管路循环损失热量Qtc,热负荷已经将水箱的热损失对热量的减少考虑进去,以热负荷为指标,既满足了用户得热量计量的要求,又体现了系统本身整体的性能[11]。而用户得热量需根据系统的进出水是否为同时系统进行区分。进出水同时性系统用户用水供热量Quse可采用热量表进行测量,热量表的温度和流量传感器应安装在集热器阵列的主管道上。也可采用分别测量水温和流量的方法,采用式(1)计算得出,并将计算得出的热量Quse。热量测量的温度和流量传感器应安装在冷水进水和用户用水主管道上[12-13]。

　　热负荷用式(2)计算。(式略)(2)式中,QL为热负荷,即系统给用户提供的热量,GJ;Quse为用户得热量,GJ;Qtc为用户管路循环热量损失量,GJ;如果没有用户管路循环,则Qtc取0。进出水非同时性系统由于目前国内大量安装使用的非承压出水的太阳能热水工程系统,其用水时间和上水时间是非同时性的,用热量表直接测量入口和出口的温差进行热量计算是不合适的。考虑到实际系统的可操作性,本文提出分别测量冷水进水的温度和流量、用户用水的温度和流量、贮水箱的温度和水位来计算太阳能热水工程系统的热负荷。在图1所示的太阳能热水工程系统的典型进出水非同时性系统中(图中各符号含义见图注),整体系统热水的总能量(通过热水焓值表示)可以分解成2部分:一部分来自太阳能集热器所收集的热量,另一部分来自于进水的初始热量,而要知道热负荷,可以计算整体系统热水焓值,减去进水的初始焓值,得到用户得热量Quse。

　　分析整体热水系统的输入和输出,可以把这用户得热量Quse分解成4部分计算:QA:用户用掉的热水热量;QB:贮水箱内剩余热水的热量;QC:进水口新进水的初始热量;QD:测试开始时贮水箱中水的原始热量,各项单位均为GJ。如果没有用户管路循环,则式(5)中tcm和Qtc都取0。BHL太阳能热水工程系统的热能计量采用了该方法,为了精确计量太阳能热水工程的热负荷,贮水箱内至少布置一个温度传感器,其测量准确度为±0.2℃。温度测量点应不低于贮水箱与集热器管路接口最低处,同时也不低于贮水箱与辅助热源循环管路接口最低处和电辅助加热器。并确保正常情况下温度测量点置于水中。如果有多个温度测量点,则取这些温度测量值的算术平均值。贮水箱水位测量采用水位传感器测量水位的高度,测量准确度应为±2%。流量检测要求高温型,准确度±2%。

　　其他能量测量

　　耗电量测量耗电量的测量包括安装在贮水箱上的电辅助加热器、防冻伴热带、水泵、电磁阀、电动阀、控制器等所有用电设备的耗电量,不应该包括与贮水箱分离的辅助热源(如电热锅、热泵等)的耗电量。若系统不涉及与贮水箱分离的辅助热源。则只要求计算太阳能供热量和耗电量就是全部能源输入。采用远传电能表进行测量,采用2.0级电能表和不低于0.5级的互感器,电能表安装在太阳能热水系统的总供电回路上测量太阳能热水工程系统的总耗电量。

　　电能表的通讯接口,应该支持Modbus通讯协议或者CJ/T188、DL/T645通信规约[14-16]可以与数据采集器进行通讯。辅助热源供热量测量辅助热源供热量测量不包括贮水箱内的辅助加热设备的能量,只测量与贮水箱分离的辅助热源供热测量。若辅助热源与水箱之间的传热介质是水的太阳能热水系统。可采用热量表进行测量,也可以分别测量水温和流量的方法,采用太阳能供热量测量的方法,通过式(1)计算得出辅助热源的热量Qaux。若采用工业蒸汽直接进入水箱作为辅助热源的太阳能热水系统,应采用蒸汽热量计量表测量蒸汽的热量作为辅助热源供热量。蒸汽计量表或蒸汽流量、温度和压力表准确度等级要求应符合GB17167的要求[17]。4.3用户管路循环热量损失量测量用户管路循环热量损失量测量可采用热量表进行测量,也可采用分别测量水温和流量的方法,采用式(1)计算得出的热量Qtc。热量测量的高温点安装在贮水箱热水出口管路上,低温点和流量传感器应安装在管路循环回水管路上。

　　监测系统组成与运行结果

　　定制采用式(1)计算的热量表对太阳能供热量和管路循环热量损失量进行测量。用户用热量采用通用带Modbus通讯协议的热量表进行测量,可以方便的获得每个用户的热水用量并计算费用[19]。系统采用三相电辅助电加热来提供太阳能不足时的能量,系统定制了支持0.5级的互感器且支持Modbus通讯协议的远传三相电能表。该系统未安装除电加热以外的辅助热源供热。所以系统能量输入只有太阳能供热量Qs和三相电耗电量Qp。对该系统以上的检测参数进行了测试,由于太阳能辐照在多云天气变化较快,可以到达秒级的变化,为了减少误差,系统的积分时间间隔其采样周期为1s[20]。对温度和水位数据进行了线性影响的检验和稳定性检验,线性影响的检验是在模拟输入通道上进行,该通道可线性调节。

　　将一个恒定的直流信号(水位压力测量)或精密电阻(温度测量)加到输入端。数据采集系统测量的结果与输入信号值和比例系数乘积之间的差别应小于数据采集系统满量程的±1%。在输入信号为满量程的0、20%、40%、60%、80%和100%条件下进行测试。试验表明温度检测中A级铂电阻温度传感器的检测精度在±0.2℃以内,影响温度检测的因数有传感器引线电阻及环境干扰,需对检测量进行软件和硬件电路补偿。水位监测中的压力式水位传感器的检测精度在±2%以内。在稳定性检验中,采用100%满量程的恒定直流信号或精密电阻加到输入端长时间检测1h。这个信号测量值的波动保持在满量程的±1%以内。若由于外界干扰引起的波动,系统采用软件滤波将干扰信号滤除。实际测试系统的水温检测准确度±0.2℃,水位检测准确度±2%。对于流量检测和热能计量、电能计量检测,分别进行了积分法检验和积分零值检验[21]。积分法检验在输入通道上进行。在输入通道上,测量结果应用平均或积分运算来处理。输入幅值为Zm的直流信号加到通道上,其测量值在整个时间周期d内(最少1h)积分得到。每个通道的幅值Zm取预期从传感器上获得的最大输入电平。获得的结果偏差小于Zm×d的±1%。积分零值检验也输入通道上进行,在这个输入电路上,测量结果应用平均或积分运算来处理。该通道应短路(输入零值),它的测量值在最少1h的整个时间周期d内积分。其结果也小于Zm×d的±1%。实际测试系统的流量检测准确度为±1%,耗电量准确度为±2%,热能计量的准确度为±2%。该系统监测系统还包括现场监测和远程监测控制系统,现场监测控制系统采用基于物联网技术的嵌入式系统开发,能通过网络远程WEB访问该系统,对太阳能热水系统的实时状态进行监测和控制。并根据本文公式进行计算得到太阳能热水系统的热能计量参数。

　　并且具备数据收集、处理、存储、发送和输出等功能,可生成并存储月统计报表。系统寿命期按15a计,则15a内可节约能量5685GJ。这部分能量若改用电加热提供(电加热效率按95%计算),每年需增加消耗电能111705kW/h-1,电价按0.60元/(kW?h)考虑,每年可节约能源费用6.7万元,寿命期内共可节约能源费用100.5万元[22]。结合太阳能热水工程系统的长期监测计量和评价的实际需求,太阳能热水工程系统长期性能评价的参数与指标应该包括:日总太阳辐照量H;太阳能供热量Qs;系统总耗电量Qp,用户供水的得热量Quse,用户管路循环热量损失量Qtc。通过以上参数与指标的检测能更准确的获取从太阳能转换的能量、由辅助能源提供能量和实际得到的能量,以便计算太阳能保证率、常规能源替代量(节能)和减排量等指标。从而对太阳能热水系统的性能进行评价[23]。其中太阳能保证率f等于太阳能供热量除以太阳能热水系统的总负荷[24-25]计算式如式(式略)。

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