專利名稱：運(yùn)行狀態(tài)下直接式太陽能集熱系統(tǒng)集熱性能測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(yùn)行工況下的直接式太陽能集熱系統(tǒng)集熱性能的測試方法?；趯V州亞運(yùn)城太陽能集熱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下集熱性能的實測，并與現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T50604-2010)和《太陽熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》(GB/T20095-2006)配合，以完善規(guī)范的不足，形成一個系統(tǒng)全面的太陽能集熱性能評價標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明可應(yīng)用于各種實際工程中， 針對運(yùn)行狀態(tài)下的直接式太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行集熱性能測試，彌補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)測試規(guī)范的空白，對今后太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計、施工以及運(yùn)行、管理都具有重要意義。
背景技術(shù)：
我國太陽能的利用技術(shù)特別是太陽能光熱(制備熱水)利用技術(shù)日趨成熟，太陽熱水系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了大批科技成果，并形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。截至2006年我國太陽能熱水器集熱面積已經(jīng)達(dá)到9000萬m2，占到世界太陽能熱水器集熱面積的60%左右。 根據(jù)國家發(fā)改委有關(guān)太陽能利用方案提出的中長期的發(fā)展目標(biāo)，到2020年，太陽能熱水器總集熱面積將達(dá)到3億m2，替代約5000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。隨著太陽能熱水系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，關(guān)于太陽能集熱系統(tǒng)集熱性能的測試與評價也逐漸被人們所關(guān)注。
隨著太陽能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，合理地評價一個系統(tǒng)實際的集熱情況尤為重要，我國現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50604-2010)和《太陽熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》(GB/T20095-2006)對太陽能集熱系統(tǒng)的測試做出了相關(guān)規(guī)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(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50604-2010)與《太陽熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》(GB/T20095-2006)中雖然對太陽能集熱系統(tǒng)的監(jiān)測做出了規(guī)定，但是規(guī)范中規(guī)定的測試方法都是針對太陽能熱水系統(tǒng)安裝完成后，投入使用之前對系統(tǒng)進(jìn)行的靜態(tài)的、 試驗性質(zhì)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(tǒng)隨著使用年限的增加，集熱性能也會改變，規(guī)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(tǒng)的測試。
3、評定規(guī)范中對測試條件、內(nèi)容及方法進(jìn)行了較為嚴(yán)格的控制規(guī)定，這對運(yùn)行中的太陽能集熱系統(tǒng)操作起來較難。在測試方法上，評定規(guī)范中的一些操作步驟在實際運(yùn)行的系統(tǒng)中很難實現(xiàn)。如集熱水箱性能的測試，要求系統(tǒng)停止運(yùn)行、關(guān)閉循環(huán)泵，還需要安裝混水泵等裝置混水后進(jìn)行測試。然而，在實際工程中，需要保證及時供應(yīng)熱水，所有的設(shè)備都必須正常運(yùn)行，不能隨意改變其運(yùn)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(jié)約能源的初衷。
4、評定規(guī)范規(guī)定評價太陽能熱水系統(tǒng)集熱性能需測試系統(tǒng)日有用得熱量、溫升性能、集熱水箱保溫性能這3項內(nèi)容。但是，要想綜合評價一個太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能， 上述3項監(jiān)測內(nèi)容還不夠。
隨著太陽能集熱系統(tǒng)的廣泛利用，不論是設(shè)計方、施工方還是監(jiān)理方更關(guān)心的還是太陽能集熱系統(tǒng)在運(yùn)行中的集熱情況。實際運(yùn)行中影響太陽能集熱系統(tǒng)集熱性能的因素多種多樣，很難完全達(dá)到理想測試狀態(tài)。而在各種因素綜合影響之下的實際運(yùn)行結(jié)果才能真實的體現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保效益，因此，實際運(yùn)行狀態(tài)下真實的、動態(tài)的太陽能系統(tǒng)集熱性能測試，對設(shè)計、施工以及運(yùn)行、管理都具有重要意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于實際工程的，針對處于運(yùn)行工況下的直接式太陽能集熱系統(tǒng)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(tǒng)真實的運(yùn)行情況與集熱性能；與現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范相配合，形成一個更加全面系統(tǒng)的評價太陽能集熱系統(tǒng)集熱性能的監(jiān)測方法，更好地保障太陽能集熱系統(tǒng)的運(yùn)行，促進(jìn)太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)更好更快地發(fā)展。
本發(fā)明給出運(yùn)行狀態(tài)下直接式太陽能集熱系統(tǒng)集熱性能測試的測試條件、測試內(nèi)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(tǒng)真實的集熱性能。
主要的測試步驟如下
測試時間與外界環(huán)境條件為保證測試數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，測試時間應(yīng)持續(xù)一周，每日測試時間為當(dāng)?shù)靥栒鐣r前4h到太陽正午時后4h期間，共計8h。測試外界環(huán)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(xù)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能。
綜合評價一個太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能，提出從日有用得熱量、系統(tǒng)集熱效率、 產(chǎn)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(tǒng)集熱水箱運(yùn)行狀態(tài)下每日每次的放水量，累加求和得到每日產(chǎn)熱水總量，同時可計算得到太陽能集熱系統(tǒng)每日產(chǎn)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(yùn)行狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)，提出通過采用能量守恒方法將整個集熱系統(tǒng)與外界換熱的過程求出。歸納出以下計算關(guān)系式ΔΕ^+Ε^+Ε^ζΕ,+Ε^式中 ΔΕΚ-集熱水箱在監(jiān)測期間熱量的變化量，MJ5Eat-太陽能集熱系統(tǒng)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(bǔ)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(bǔ)， 通過求出Δ E K、E& E #后計算得到日有用得熱量E得。
根據(jù)測試得到的日有用得熱量，測試太陽能集熱系統(tǒng)的集熱效率。為了更好地體現(xiàn)太陽能集熱系統(tǒng)實際運(yùn)行中的集熱效率，選擇測試系統(tǒng)效率。
測試集熱水箱升溫性能，根據(jù)太陽能集熱系統(tǒng)每次集熱過程前后集熱水箱內(nèi)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(biāo)態(tài)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(tǒng)每日平均升溫性能，要求測試得到的標(biāo)態(tài)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(jù)太陽能集熱系統(tǒng)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(nèi)貯熱水箱的溫降情況。
本發(fā)明通過上述測試步驟，可以得到太陽能集熱系統(tǒng)日有用得熱量、集熱效率、產(chǎn)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(jié)果可以較為全面地評價一個太陽能集熱系統(tǒng)在實際運(yùn)行中的集熱性能，反映出真實的運(yùn)行狀況。


圖1直接式太陽能集熱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
圖中1、太陽能集熱器，2、接高質(zhì)水補(bǔ)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(huán)泵
圖2太陽能集熱系統(tǒng)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(jiān)測期間熱量的變化量，5、Ett-集熱水箱補(bǔ)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(tǒng)每次放水時熱水的熱量具體實施方式
結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實施方式。本發(fā)明針對直接式太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行，圖1 中展示了直接式太陽能集熱系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖，直接式太陽能熱水系統(tǒng)一般由太陽能集熱器、集熱水箱、循環(huán)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(jìn)行的測試方法的推導(dǎo)。主要的實施步驟如下
篩選測試條件為保證測試數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，測試時間最好持續(xù)一周，才能得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。每日測試時間為當(dāng)?shù)靥栒鐣r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(xù)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能。
確定測試內(nèi)容綜合評價一個太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能，主要應(yīng)從日有用得熱量、系統(tǒng)集熱效率、產(chǎn)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(chǎn)水量
運(yùn)行狀態(tài)下直接式太陽能集熱系統(tǒng)的日產(chǎn)水量可以通過在水箱出水管道上安裝水表或流量計進(jìn)行記錄得到。當(dāng)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(jiān)測數(shù)據(jù)計算，得到系統(tǒng)每日放出的熱水水量，即每日的總產(chǎn)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(jiān)測的水箱液位高度?？紤]到< hi時，為水箱補(bǔ)入冷水過程，hi+1-hi ^ 0，不應(yīng)計入所產(chǎn)熱水量，因此統(tǒng)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(jié)合圖2與根據(jù)能量守恒定律，歸納出以下計算關(guān)系式
ΔΕΚ+Ε 放+E 散=E 補(bǔ)+E 太(1)
式中ΔΕΚ-集熱水箱在監(jiān)測期間熱量的變化量，MJ -太陽能集熱系統(tǒng)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(bǔ)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(jiān)測的是系統(tǒng)效率，需要排除管損、水箱熱損等無效損耗，而系統(tǒng)效率是通過日有用得熱量計算得到的，太陽能集熱系統(tǒng)日有用得熱量已經(jīng)扣除了系統(tǒng)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(tǒng)從太陽集熱得到的真正用來提升水箱內(nèi)水溫的有用得熱量，因此有用得熱量Ei4根據(jù)(1)式可以表示為
E 得=E 太-E 散=ΔΕκ+Ε 放-E 補(bǔ)(2)
上述公式中各項熱量值可以通過測試系統(tǒng)循環(huán)流量、集熱水箱放水量、補(bǔ)水量、貯水量和集熱水箱內(nèi)水溫等求得，但是考慮到測試期間，太陽能集熱系統(tǒng)時刻處于運(yùn)行狀態(tài)， 進(jìn)水流量、出水流量與循環(huán)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(jìn)行計算。具體時間段的劃分，需要根據(jù)不同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)置來選擇，亞運(yùn)城數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率為1分鐘，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與精細(xì)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(bǔ)=C./77 補(bǔ).Γ補(bǔ)=C.廠 I 廠補(bǔ) 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(nèi)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(nèi)水箱的放水量與補(bǔ)水量；I^pTtt i分別為第i段時間內(nèi)水箱的放水水溫與補(bǔ)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(tǒng)熱水的總熱量與補(bǔ)入冷水的總熱量。公式(5)中，V. 分別為測試開始與結(jié)束時集熱水箱的貯水容積，Tfe、T#分別為測試開始與結(jié)束時集熱水箱內(nèi)的水溫。其中T ^uJihiJfe、、分別為各點溫度傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，Vfe、、分別根據(jù)水箱液位監(jiān)測數(shù)據(jù)計算。
通過公式(3) (5)計算得到運(yùn)行狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)的在測試始末熱量的變化量和運(yùn)行中的熱量變化量，帶入公式( 得到整個系統(tǒng)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(yùn)行狀態(tài)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(xiàn)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(quán)利要求
1. 一種運(yùn)行狀態(tài)下直接式太陽能系統(tǒng)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(huán)境條件測試時間應(yīng)持續(xù)至少一周，每日測試時間為當(dāng)?shù)靥栒鐣r前4h到太陽正午時后4h期間，共計他；測試外界環(huán)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能；綜合評價一個太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能，提出從日有用得熱量、系統(tǒng)集熱效率、產(chǎn)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(tǒng)集熱水箱運(yùn)行狀態(tài)下每日每次的放水量，累加求和得到每日產(chǎn)熱水總量，同時可計算得到太陽能集熱系統(tǒng)每日產(chǎn)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(yùn)行狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)，提出通過采用能量守恒方法將整個集熱系統(tǒng)與外界換熱的過程求出；歸納出以下計算關(guān)系式ΔΕΚ+Ε放+Ek= E補(bǔ)+E太，式中ΔΕΚ-集熱水箱在監(jiān)測期間熱量的變化量，MJ5Eat-太陽能集熱系統(tǒng)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(bǔ)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(bǔ)，通過求出Δ EK、E放、E補(bǔ)后計算得到日有用得熱量Ε#;根據(jù)測試得到的日有用得熱量，測試太陽能集熱系統(tǒng)的集熱效率；為了更好地體現(xiàn)太陽能集熱系統(tǒng)實際運(yùn)行中的集熱效率，選擇測試系統(tǒng)效率；測試集熱水箱升溫性能，根據(jù)太陽能集熱系統(tǒng)每次集熱過程前后集熱水箱內(nèi)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(biāo)態(tài)下集熱水箱升溫性能 Atl7 ；要求測試得到的標(biāo)態(tài)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(yùn)行狀態(tài)下直接式太陽能系統(tǒng)集熱性能測試方法屬于太陽能集熱性能測試領(lǐng)域。本發(fā)明測試時間與外界環(huán)境條件測試時間應(yīng)持續(xù)至少一周，每日測試時間為當(dāng)?shù)靥栒鐣r前4h到太陽正午時后4h期間，共計8h；測試外界環(huán)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能；綜合評價一個太陽能集熱系統(tǒng)的集熱性能，從日有用得熱量、系統(tǒng)集熱效率、產(chǎn)水量、水箱溫升性能、集熱水箱保溫性能5個方面考慮。本發(fā)明可應(yīng)用于各種實際工程中，針對運(yùn)行狀態(tài)下的直接式太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行集熱性能測試，彌補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)測試規(guī)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(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者何媛媛, 卜曉明, 司琦, 呂鑑, 張英, 李濟(jì)源, 湯瀟, 甄帥, 馬曉虹 申請人:北京工業(yè)大學(xué)