CN102735371A - 太阳能热水系统热能计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水系统热能计量方法，首先判断当太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动，而水箱的上水电磁阀和用水电磁阀没有启动时，记录太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的以下参数的变化：太阳能集热器进口的温度、太阳能集热器出口的温度、水箱内的水位和水温；然后通过启动期间的水箱内的水温和水位的变化，能算出水箱内水的得热量；之后根据水箱内水的得热量除以启动前至停止后太阳能集热器进口与出口的平均温差、水的比热容和启动时间，能够得出水的平均流量；随后每次启动太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀时，均使用该平均流量和太阳能集热器的进口温度和出口温度来计算太阳能集热器的得热量，从而实现热能计量。

Description

太阳能热水系统热能计量方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能热利用技术，尤其涉及一种太阳能热水系统热能计量方法。

背景技术

太阳能热水系统，一般由太阳能集热器或集热器阵列（以下简称为集热器）、水箱、水泵、电磁阀、管路和控制器组成。

如图1所示，是一种比较典型的系统，由集热器1吸收太阳光转换为热能，加热集热器中的水，当集热器1顶部的水温T1升高到与水箱内水温T3的温差达到设定温差后（如7℃），水泵3就启动，将水箱内的冷水打入集热器1，把集热器1内的热水顶出来，回流到水箱2中，当集热器1顶部的水温T1降低到与水箱2内水温T3的温差小于设定温差后（如3℃），水泵3停止运行。这种运行方式称为温差循环方式。

如图2所示，是另一种典型的系统，与图1不同的是进入集热器1的冷水不是水箱2内的水，而是自来水。运行方式也略有差别，当集热器1顶部水温T1升高到某一设定温度后（如50℃），上水电磁阀4启动，自来水进入集热器，将集热器1内的热水顶出到水箱2中。当集热器1顶部的水温T1降低到设定温度时（如45℃），上水电磁阀4关闭，停止上水。这种运行方式称为定温出水方式。

目前，绝大多数太阳能热水系统都采用上述这两种运行方式，或这两种运行方式的组合，如水箱内水不满时定温出水，水满后转为温差循环方式。有的热水系统在集热器中采用防冻液运行，与水箱之间通过换热器来交换热量，但也采用同样的温差循环方式。

目前要计量太阳能热水系统集热器的得热量，只能采取在集热器进出口管路上安装热量计直接测量，或者安装流量计测出流量，再测量集热器进出口水温，采用公式（1）进行计算。

$Q=\mathrm{\Σc}\stackrel{\·}{m}(T1-T2)\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中：Q——集热器的得热量，J

c——水的比热容，J/(kg·℃)

——水的质量流量，kg/s

T1——集热器出口温度，℃

T2——集热器入口温度，℃

τ——采集时间间隔，s

但这种计量和计算方法的问题在于，必须安装一台热量计或流量计。热量计和流量计比较昂贵，尤其对面积较大的太阳能热水系统，由于主管道较粗，必须采用大管径的热量计或流量计，价格更是成倍上涨。而热量计或流量计在太阳能热水系统的运行控制中又不需要，安装后仅仅是个测量工具，不是运行必须使用的设备，这样一般用户就不愿意花更多的费用来安装它去进行计量。

由于太阳能系统主要用途是产热水，在温差循环方式中，集热器进水温度也可能会很高，这就要求必须安装高温型的热量计或流量计，成本更高。

另外由于水垢问题，会使采用接入管道式的热量计或流量计（如涡轮流量计、涡街流量计和热水表等）在使用一段时间后被水垢堵塞，无法使用，必须更换。如果采用的是超声波热量计或流量计，管道壁附上水垢后，将测量误差极大，甚至会因信号衰减而无法测量。而且几乎所有的流量计都会随时使用时间的延长误差越来越大，需要定期校准。而流量计的校准一般需要拆卸下来，对于正在使用的系统将非常麻烦。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要另行安装热量计或流量计，只根据太阳能热水系统控制器采集的信号来计算集热器的得热量的太阳能热水系统热能计量方法。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明的太阳能热水系统热能计量方法，包括步骤：

A、判断当太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动，而水箱的上水电磁阀和用水电磁阀没有启动时，记录所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的以下参数的变化：太阳能集热器进口的温度、太阳能集热器出口的温度、水箱内的水位和水温；

B、通过所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的水箱内的水温和水位的变化，能算出所述水箱内水的得热量；

C、根据计算出来的所述水箱内水的得热量除以启动前至停止后太阳能集热器进口与出口的平均温差、水的比热容和启动时间，能够得出水的平均流量；

D、随后每次启动所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀时，均使用所述平均流量和所述太阳能集热器的进口温度和出口温度来计算所述太阳能集热器的得热量，从而实现热能计量。

由上述本发明提供的技术方案可知，本发明的太阳能热水系统热能计量方法，由于可以不采用安装昂贵的热量计或流量计，仅采用太阳能系统控制器采集的必不可少的参数，就可以计算出太阳能集热器的得热量，降低了成本。也不存在由于水垢、泥沙等杂质堵塞流量计或造成流量计测量不准确的问题。并且由于可以不断的采用这种方法进行修正，因此即使由于各种原因，如水垢问题、管路堵塞问题造成流量发生变化，计算出来的结果都可以同时得到修正，计算会越来越准，而不像热量计或流量计一样随着使用的时间延长，误差会越来越大。采用这种方法，由于不需要对流量计或热量计的流量传感器进行校准，因此对传感器的校准也非常容易，只需要对温度和水位高度进行校准。

附图说明

图1为温差循环方式运行的太阳能热水系统示意图；

图2为定温出水方式运行的太阳能热水系统示意图。

图中，1.太阳能集热器，2.水箱，3.集热器回路循环水泵，4.上水电磁阀，5.管路，6－1、6－2、6－3.温度传感器，7.自来水上水管道，8.用水管道，9.水位传感器，10.用水电磁阀，T1、T2、T3.分别代表温度传感器6－1、6－2、6－3的检测温度。

具体实施方式

本发明的太阳能热水系统热能计量方法，其较佳的具体实施方式包括步骤：

A、判断当太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动，而水箱的上水电磁阀和用水电磁阀没有启动时，记录所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的以下参数的变化：太阳能集热器进口的温度、太阳能集热器出口的温度、水箱内的水位和水温；

B、通过所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的水箱内的水温和水位的变化，能算出所述水箱内水的得热量；

C、根据计算出来的所述水箱内水的得热量除以启动前至停止后太阳能集热器进口与出口的平均温差、水的比热容和启动时间，能够得出水的平均流量；

D、随后每次启动所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀时，均使用所述平均流量和所述太阳能集热器的进口温度和出口温度来计算所述太阳能集热器的得热量，从而实现热能计量。

下面对本发明进行详细的描述：

本发明的太阳能热水系统控制器为了实现对热水系统的控制，需要采集集热器顶部温度（或出口温度）T1，集热器底部温度（或进口温度）T2，水箱内水温T3，水箱水位高度H，另外控制器要控制水泵或电磁阀的开启停止，则有开关信号输出给水泵或电磁阀。所有这些参数值都在控制器内，或可以通过与控制器通讯取到，如远程监控的计算机、太阳能热水系统数据中心等与控制器通讯的设备。

流量计算的条件：太阳能热水系统控制器启动集热器回路的循环水泵3（温差循环方式）或上水电磁阀4（定温出水方式），而其他水泵和电磁阀都没有启动。

首先要判断是否满足这个条件，一般太阳能热水系统运行过程中出现满足条件的次数很多，当满足此条件时，集热器回路的得热量均输出到水箱中，集热器回路得热量就等于水箱得热量。因此只要计算出水箱得热量，就等于计算出了集热器得热量。

水箱计算公式如下：

温差循环方式，集热器循环加热水箱中的水，循环前后水箱中的水位不变：

$Q_{\tan k}={\mathrm{cm}}_{\tan k}\frac{H}{H_{\max }}({T3}_e-{T3}_b)---\left(2\right)$

其中：Q_tank——水箱得热量，J

c——水的比热容，J/(kg·℃)

m_tank——水箱最大水量，kg

H——水箱水位高度，m

H_max——水箱最大水位高度，m

T3_e——循环结束时水箱内水温，℃

T3_b——循环开始时水箱内水温，℃

定温出水方式，集热器将自来水加热后注入到水箱中，水箱水位发生变化：

$Q_{\tan k}={\mathrm{cm}}_{\tan k}\frac{H_b}{H_{\max }}({T3}_e-{T3}_b)+{\mathrm{cm}}_{\tan k}\frac{H_e-H_b}{H_{\max }}({T3}_e-{T2}_{\mathrm{ave}})---\left(3\right)$

其中：Q_tank——水箱得热量，J

c——水的比热容，J/(kg·℃)

m_tank——水箱最大水量，kg

H_b——集热器出水开始时水箱水位高度，m

H_e——集热器出水结束时水箱水位高度，m

H_max——水箱最大水位高度，m

T3_e——循环结束时水箱内水温，℃

T3_b——循环开始时水箱内水温，℃

T2_ave——集热器底部（进口）温度平均值，℃

由于水箱内水的得热量就等于集热器的得热量，因此可用公式（4）计算出循环期间或出水期间集热器回路的平均流量：

$\stackrel{\·}{m}=\frac{Q_{\tan k}}{c({T1}_{\mathrm{ave}}-{T2}_{\mathrm{ave}})\mathrm{\τ}}---\left(4\right)$

其中：

——水的平均流量，kg/s

Q_tank——水箱得热量，J

c——水的比热容，J/(kg·℃)

T1_ave——集热器顶部（出口）温度平均值，℃

T2_ave——集热器底部（进口）温度平均值，℃

τ——循环时间或出水时间，s

将公式（2）或公式（3）与公式（4）合并，可以直接得到流量计算公式如下：

温差循环方式：

$\stackrel{\·}{m}=m_{\tan k}\frac{H}{H_{\max }}\·\frac{{T3}_e-{T3}_b}{({T1}_{\mathrm{ave}}-{T2}_{\mathrm{ave}})\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

定温出水方式：

$\stackrel{\·}{m}=m_{\tan k}\frac{H_e({T3}_e-{T2}_{\mathrm{ave}})-H_b({T3}_b-{T2}_{\mathrm{ave}})}{H_{\max }({T1}_{\mathrm{ave}}-{T2}_{\mathrm{ave}})\mathrm{\τ}}---\left(6\right)$

其中：——水的平均流量，kg/s

m_tank——水箱最大水量，kg

H——水箱水位高度，m

H_b——集热器出水开始时水箱水位高度，m

H_e——集热器出水结束时水箱水位高度，m

H_max——水箱最大水位高度，m

T3_e——循环或上水结束时水箱内水温，℃

T3_b——循环或上水开始时水箱内水温，℃

T1_ave——集热器顶部（出口）温度平均值，℃

T2_ave——集热器底部（进口）温度平均值，℃

τ——循环时间或出水时间，s

由于水泵功率或自来水压力恒定，太阳能系统在较长时间内不会发生变化，每次温差循环启动时或集热器定温出水时，流量基本上不变，由公式（4）计算出来的流量，也就是以后温差循环启动时或集热器定温出水时的流量，此时，都可以采用公式（1）来计算集热器的得热量，而不用再另外安装流量计或热量计了。

并且，以后只要满足流量计算的条件，控制器或计算机都可以随时计算流量，用以修正因各种原因引起的系统流量变化。

采用以上述方法，可以不采用安装昂贵的热量计或流量计，仅采用太阳能系统控制器采集的必不可少的参数，就可以计算出太阳能集热器的得热量，降低了成本。也不存在由于水垢、泥沙等杂质堵塞流量计或造成流量计测量不准确的问题。并且由于可以不断的采用这种方法进行修正，因此即使由于各种原因，如水垢问题、管路堵塞问题造成流量发生变化，计算出来的结果都可以同时得到修正，计算会越来越准，而不像热量计或流量计一样随着使用的时间延长，误差会越来越大。

采用这种方法，由于不需要对流量计或热量计的流量传感器进行校准，因此对传感器的校准也非常容易，只需要对温度和水位高度进行校准。

具体实施方案1：

一个太阳能热水系统，集热器为12.5m²，水箱容积为1m³，水箱内高度为1.2m，采用温差循环运行方式。上午太阳较好，当时水箱水位为85%，即1.02米水位高度，水温为21.0℃。11:35:40时水泵循环启动，到11:41:48时水泵停止运行，共运行了368秒，此时水箱水温升到22.5℃，由于这个时间用户没有使用热水，也没有往水箱内补水（用水或补水时需要控制器输出控制），因此满足流量计算条件，此时集热器出口温度T1的平均值为26.8℃，入口温度T2的平均值为21.7℃，根据公式（5），可以计算出流量：

$\stackrel{\·}{m}=1000\×\frac{1.02}{1.2}\×\frac{22.5-21.0}{(26.8-21.7)\×368}=0.68\mathrm{kg}/s$

用超声波流量计进行测试，测到的流量瞬时值为2.56m³/h，相当于0.71kg/s，误差为4%，比较准确。

目前太阳能热水系统基本上都采用单片机、PLC或嵌入式系统做控制器CPU，将上述计算方法编成程序写入到控制器CPU中，或者安装在与控制器通讯的远程监控计算机上，就可以自动进行流量计算。控制器或与控制器通讯的计算机可以将计算出的结果记录下来，以后每次水泵一起动，即使正在上水或用水，控制器或与控制器通讯的计算机也可以根据测量的集热器顶部（出口）温度和集热器底部（进口）温度，采用公式（1）来计算集热器的得热量，而不受上水和用户用水的干扰，从而实现对太阳能热水系统的热能计量。

在以后的运行中，控制器或与控制器通讯的计算机一旦发现又满足流量计算条件时，在进行热能计量的同时，还可以采用以上方法重新计算流量，与已记录的流量结果进行对比和修正。

具体实施方案2：

一个太阳能热水系统，采用的是定温出水运行方式，集热器为25m²，水箱容积为2m³，水箱内高度为2.4m。当时水箱水位为25%，即0.6米水位高度，水温为35.2℃。9:16:56时电磁阀启动，到9:17:56时水泵停止运行，共运行了60秒，此时水箱水温升到36.5℃，由于这个时间用户没有使用热水，因此满足流量计算条件，此时集热器出口温度T1的平均值为47.5℃，入口温度T2的平均值为18.4℃，根据公式（6），可以计算出流量：

$\stackrel{\·}{m}=2000\×\frac{0.672\×(36.5-18.4)-0.6\×(35.2-18.4)}{2.4\×(47.5-18.4)\×60}=0.99\mathrm{kg}/s$

用超声波流量计进行测试，测到的流量瞬时值为3.63m³/h，相当于1.01kg/s，误差小于2%，比较准确。

具体实施方案3：

一个太阳能热水系统，集热器面积为1885m²，水箱容积为50m³，采用的是水箱未满时定温出水运行方式，水箱水满时改为温差循环方式，当水量用到低于50%时，再改为定温出水运行方式。集热器阵列分为了四个部分，每个部分有一个循环水泵和上水电磁阀。控制器为PLC控制器，分别测量了四个部分的集热器顶部温度和底部温度，分别控制四个部分的水泵和上水电磁阀。

因为不同运行方式，流量可能会不同，因此要根据运行方式，如果是温差循环方式，如满足流量计算条件，则按公式（5）计算出温差循环时的集热器流量；如果是定温出水方式，如满足流量计算条件，则按公式（6）计算出定温出水时的集热器流量。四个集热器部分分别计算，共可得出8个计算结果，记录计算结果，以后依次判断四个部分都处于哪种运行方式，然后再采用对应的计算结果来进行热能计算和计量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种太阳能热水系统热能计量方法，其特征在于，包括步骤：

A、判断当太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动，而水箱的上水电磁阀和用水电磁阀没有启动时，记录所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的以下参数的变化：太阳能集热器进口的温度、太阳能集热器出口的温度、水箱内的水位和水温；

B、通过所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀启动期间的水箱内的水温和水位的变化，能算出所述水箱内水的得热量；

C、根据计算出来的所述水箱内水的得热量除以启动前至停止后太阳能集热器进口与出口的平均温差、水的比热容和启动时间，能够得出水的平均流量；

D、随后每次启动所述太阳能集热器的循环水泵或上水电磁阀时，均使用所述平均流量和所述太阳能集热器的进口温度和出口温度来计算所述太阳能集热器的得热量，从而实现热能计量。

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