CN107860141B

CN107860141B - 太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法

Info

Publication number: CN107860141B
Application number: CN201710865066.0A
Authority: CN
Inventors: 高军; 杜博文; 王琼; 童乐琪; 曹昌盛; 于水利; 曹丽华
Original assignee: TIANJIN TANGGU XINYU ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co Ltd; Tongji University
Current assignee: TIANJIN TANGGU XINYU ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co Ltd; Tongji University
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: CN107860141A

Abstract

本发明涉及一种太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法，测试系统包括包括：太阳能集热器；蓄热水箱，与太阳能集热器的出水口连接；还包括：电加热器，用于加热蓄热水箱中的水；混水箱，输入端分别与蓄热水箱和补水管连接，输出端分别连接至太阳能集热器和蓄热水箱；第一温差控制阀组，由多个用电阀组成，设于混水箱输出端的管路上，用于根据太阳能集热器的出水口温度控制混水箱输出的回水流至太阳能集热器或电加热器。与现有技术相比，本发明采用电加热器代替辅助热源，由于电加热器可以通过采集其耗电量来获得其提供的能量，因此可以为计算能效比提供一个准确的数据，从而为恒定供热输出的太阳能复合热源系统的设计提供指导与借鉴。

Description

太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能复合能效测试系统，尤其是涉及一种太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法。

背景技术

太阳能作为一种清洁的可再生能源，目前已被广泛的开发和应用。目前，我国大力提倡环境保护和能源节约，对太阳能应用技术提出了更高的要求。由于形式简单，太阳能热水系统是目前实际应用最多的太阳能利用系统，其在供应生活热水和工业用热方面发挥了显著的作用。

然而，太阳能是一种辐射能，具有即时性、间歇性和不可靠性的特点，不仅随昼夜、季节、维度、海拔等因素的规律性变化，还受天气影响的随机性变化。另外，太阳能自身不易储存，必须即时转换成其他形式能量才易于应用。因此，太阳能常常需要与其他稳定的常规能源联合使用，在最大化发挥太阳能优势的同时，保证系统运行的稳定性。

目前的太阳能供热系统中，常使用燃气或地源热泵与太阳能互补。燃气获取容易、方便稳定且相对清洁；地源热泵与太阳能系统联合后，可大幅减少连续运行时间，利于土壤恢复以保证热泵运行效率。地热能在地质条件允许的情况下，也适宜与太阳能供热系统结合。

工业生产中，太阳能复合热源的用热末端由于工艺要求常常需要24小时连续运行，而目前对于24小时连续稳定提供热负荷的太阳能热源系统的研究较少，因此设计本实验对两种热源系统进行性能测试并进行对比，为工程应用提供指导。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法，

测试系统包括：

太阳能集热器；

蓄热水箱，与太阳能集热器的出水口连接；

还包括：

电加热器，用于加热蓄热水箱中的水；

混水箱，输入端分别与蓄热水箱和补水管连接，输出端分别连接至太阳能集热器和蓄热水箱；

第一温差控制阀组，由多个用电阀组成，设于混水箱输出端的管路上，用于根据太阳能集热器的出水口温度控制混水箱输出的回水流至太阳能集热器或电加热器。

所述蓄热水箱与补水管连接，且其上设有排水孔，所述测试系统还包括第二温差控制阀组，该第二温差控制阀组包括：

第五用电阀，设于蓄热水箱与补水管之间，

第六用电阀，设于连接于蓄热水箱排水孔的管路上；

所述蓄热水箱中的水温低于第一设定范围时所述电加热器开启，所述第二温差控制阀组在蓄热水箱中的水温超过第一设定范围时使蓄热水箱中多余热水通过排水孔排出并由补水管补入冷水，从而实现蓄热水箱为混水箱提供恒温热水。

所述蓄热水箱输出端和混水箱输入端之间的管路上设有流量计。

所述混水箱接收由蓄热水箱提供的恒温热水、与补水管提供的冷水混合后输出恒温的回水。

所述电加热器设于蓄热水箱中。

所述第一温差控制阀组包括：

第一用电阀，设于混水箱的输出端连接至蓄热水箱的管路上，

第二用电阀，设于混水箱的输出端连接至太阳能集热器的管路上；

当太阳能集热器的出水口温度低于第二设定范围时，第一用电阀开启，第二用电阀开启，回水自混水箱的输出端流入蓄热水箱，

当太阳能集热器的出水口温度高于第二设定范围时，第一用电阀关闭，第二用电阀开启，回水自混水箱的输出端流入太阳能集热器中。

所述电加热器的输出端与蓄热水箱连接，输入端分别与太阳能集热器的出水口和混水箱的输出端连接。

所述第一温差控制阀组包括：

第一用电阀，设于混水箱的输出端连接至电加热器的管路上，

第二用电阀，设于混水箱的输出端连接至太阳能集热器的管路上，

第三用电阀，设于太阳能集热器的出水口连接至蓄热水箱的管路上，

第四用电阀，设于太阳能集热器的出水口连接至电加热器的管路上；

当太阳能集热器的出水口温度低于第二设定范围、但高于第三设定范围时，第一用电阀关闭，第二用电阀开启，第三用电阀关闭，第四用电阀开启，回水自混水箱的输出依次经过太阳能集热器、电加热器流入蓄热水箱，

当太阳能集热器的出水口温度高于第二设定范围时，第一用电阀关闭，第二用电阀开启，第三用电阀开启，第四用电阀关闭，回水自混水箱的输出经过太阳能集热器流入蓄热水箱，

当太阳能集热器的出水口温度低于第三设定范围时，第一用电阀开启，第三用电阀关闭，第四用电阀关闭，回水自混水箱的输出经过电加热器流入蓄热水箱。

所述测试系统还包括第一用电采集装置，该第一用电采集装置与电加热器连接，用于采集电加热器的耗电信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)采用电加热器代替辅助热源，由于电加热器可以通过采集其耗电量来获得其提供的能量，因此可以为计算能效比提供一个准确的数据，从而为24小时连续稳定供热的太阳能复合热源系统的设计提供指导与借鉴，填补目前连续24小时使用太阳能复合热源恒定输出供热时能效评价的空缺，提高了推广该技术的可行性。

2)可以作为理论模型的验证。

3)通过优化热源系统的控制，在保证稳定负荷需求的前提下，能够充分利用太阳能，使系统在寿命期内取得最佳的经济效果。

4)蓄热水箱设有排水孔，与补水管配合，可以在太阳能集热器提供的热水温度过高时实现混水器接收到的热水为恒温水。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

其中：1、太阳能集热器，2、蓄热水箱，3、电加热器，4、混水箱，5、定流量泵，6、膨胀罐，7、膨胀罐，101、第一用电阀，102、第二用电阀，103、第三用电阀，104、第四用电阀，105、第五用电阀，106、第六用电阀，107、第七用电阀，108、第八用电阀，109、排气阀，201、第一温度测点，202、第二温度测点，203、第三温度测点，204、第四温度测点，205、第五温度测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

一种太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法，如图1所示，测试系统包括：

太阳能集热器1；

蓄热水箱2，与太阳能集热器1的出水口连接；

还包括：

电加热器3，用于加热蓄热水箱2中的水；

混水箱4，输入端分别与蓄热水箱2和补水管连接，输出端分别连接至太阳能集热器1和蓄热水箱2；

第一温差控制阀组，由多个用电阀组成，设于混水箱4输出端的管路上，用于根据太阳能集热器1的出水口温度控制混水箱4输出的回水流至太阳能集热器1或电加热器3。

蓄热水箱2与补水管连接，且其上设有排水孔，测试系统还包括第二温差控制阀组，该第二温差控制阀组包括：

第五用电阀105，设于蓄热水箱2与补水管之间，

第六用电阀106，设于连接于蓄热水箱2排水孔的管路上；

蓄热水箱2中的水温低于第一设定范围时电加热器3开启，第二温差控制阀组在蓄热水箱2中的水温超过第一设定范围时使蓄热水箱2中多余热水通过排水孔排出并由补水管补入冷水，从而实现蓄热水箱2为混水箱4提供恒温热水。

蓄热水箱2输出端和混水箱4输入端之间的管路上设有流量计。

混水箱4接收由蓄热水箱提供的恒温热水、与补水管提供的冷水混合后输出恒温的回水。

电加热器3设于蓄热水箱2中。

第一温差控制阀组包括：

第一用电阀101，设于混水箱4的输出端连接至蓄热水箱2的管路上，

第二用电阀102，设于混水箱4的输出端连接至太阳能集热器1的管路上，

第三用电阀103，设于太阳能集热器1的出水口连接至蓄热水箱2的管路上；

当太阳能集热器1的出水口温度低于第二设定范围时，亦即太阳能不足时，第一用电阀101开启，第二用电阀102开启，回水自混水箱4的输出端流入蓄热水箱2，

当太阳能集热器1的出水口温度高于第二设定范围时，亦即太阳能充足时，第一用电阀101关闭，第二用电阀102开启，回水自混水箱4的输出端流入太阳能集热器1中。

为了获取足够的数据，系统中共设有五个测温点，第一温度测点201，第二温度测点202，第三温度测点203，第四温度测点204，第五温度测点205，五个温度测点分别位于太阳能集热器1出口、内部、入口、蓄热水箱2供水口和混水箱4输出端。当第四温度测点204温度低于设定下限温度时，开启电加热，直到水温达到设定供水温度停止电加热。若第四温度测点204高于设定温度，则打开第五用电阀105，并调节入口流量，对蓄热水箱2补水，使蓄热水箱2出水口温度为设定温度，第五用电阀105与第六用电阀106联动。对回水系统调节补水量保持混水箱出口水温为设定值，第七用电阀107与第八用电阀108联动。

测试系统还包括第一用电采集装置，该第一用电采集装置与电加热器3连接，用于采集电加热器3的耗电信息。

太阳能集热器1采用真空管集热器，以免冬季在北方地区使用时发生冻结现象。由于回水温度较高，应做好集热器的保温工作，最大限度减少热损失。

对用热末端的耗热进行简化处理，将蓄热水箱上部的出水与自来水进行混合，控制混水箱出口水温为设定值。在计算热源系统COP时，回水系统泵的耗能不计算在内。

本实施例中，确定用热末端的热负荷并计算回水温度如下：

设定用热末端的稳定热负荷为Q，设定蓄热水箱出水温度T₀，选取合适的质量流量，回水温度T₁可按下式计算：

Q＝cm(T₀-T₁)

其中：Q为稳定热负荷，kJ；c为水的比热容，取4.19kJ/(kg·K)；m为质量流量，kg/s。

本实施例在应用时，需要设置各用电阀，保证系统运行过程中热源的自动切换。

对当地的太阳辐射量的得到，具体的：对不同工况分别连续进行一周实验，测量运行期间电加热的补热耗电量和各阀门的耗电量，并获取同时期的当地的太阳辐射量。

本申请可以实现太阳能集热器的效率的计算，具体可由下式计算：

其中：T₂为太阳能集热器出口水温度，由第一温度测点201测得，单位为℃；I为太阳能辐射量，单位为kJ。

最终，计算运行期间电加热系统的COP和整体热源系统的COP，并对两种控制系统进行能效对比。电加热系统的COP可由下式计算：

其中：Q_e为电加热耗电量，kJ；T₄、T₃分为电加热器3的出口和入口温度，T₄由温度测点204测得，T₃由第一温度测点201测得，单位为℃。

实施例二

本实施例相比于实施例一的显著区别在于，如图2所示，本实施例中电加热器3的输出端与蓄热水箱2连接，输入端分别与太阳能集热器1的出水口和混水箱4的输出端连接。

第一温差控制阀组包括：

第一用电阀101，设于混水箱4的输出端连接至电加热器3的管路上，

第三用电阀103，设于太阳能集热器1的出水口连接至蓄热水箱2的管路上，

第四用电阀104，设于太阳能集热器1的出水口连接至电加热器3的管路上；

当太阳能集热器1的出水口温度低于第二设定范围、但高于第三设定范围时，第一用电阀101关闭，第二用电阀102开启，第三用电阀103关闭，第四用电阀104开启，回水自混水箱4的输出依次经过太阳能集热器1、电加热器3流入蓄热水箱2，

当太阳能集热器1的出水口温度高于第二设定范围时，第一用电阀101关闭，第二用电阀102开启，第三用电阀103开启，第四用电阀104关闭，回水自混水箱4的输出经过太阳能集热器1流入蓄热水箱2，

当太阳能集热器1的出水口温度低于第三设定范围时，第一用电阀101开启，第三用电阀103关闭，第四用电阀104关闭，回水自混水箱4的输出经过电加热器3流入蓄热水箱2。

Claims

1.一种太阳能复合热源系统恒定输出能效测试系统的测试方法，

所述测试系统包括：

太阳能集热器(1)，

蓄热水箱(2)，与太阳能集热器(1)的出水口连接，

其特征在于，还包括：

电加热器(3)，用于加热蓄热水箱(2)中的水，

混水箱(4)，输入端分别与蓄热水箱(2)和补水管连接，输出端分别连接至太阳能集热器(1)和蓄热水箱(2)，

第一温差控制阀组，由多个用电阀组成，设于混水箱(4)输出端的管路上，用于根据太阳能集热器(1)的出水口温度控制混水箱(4)输出的回水流至太阳能集热器(1)或电加热器(3)；

所述蓄热水箱(2)与补水管连接，且其上设有排水孔，所述测试系统还包括第二温差控制阀组，该第二温差控制阀组包括：

第五用电阀(105)，设于蓄热水箱(2)与补水管之间，

第六用电阀(106)，设于连接于蓄热水箱(2)排水孔的管路上，

所述蓄热水箱(2)中的水温低于第一设定范围时所述电加热器(3)开启，所述第二温差控制阀组在蓄热水箱(2)中的水温超过第一设定范围时使蓄热水箱(2)中多余热水通过排水孔排出并由补水管补入冷水，从而实现蓄热水箱(2)为混水箱(4)提供恒温热水；

所述第一温差控制阀组包括：

第一用电阀(101)，设于混水箱(4)的输出端连接至蓄热水箱(2)的管路上，

第二用电阀(102)，设于混水箱(4)的输出端连接至太阳能集热器(1)的管路上，

当太阳能集热器(1)的出水口温度低于第二设定范围时，第一用电阀(101)开启，第二用电阀(102)开启，回水自混水箱(4)的输出端流入蓄热水箱(2)，

当太阳能集热器(1)的出水口温度高于第二设定范围时，第一用电阀(101)关闭，第二用电阀(102)开启，回水自混水箱(4)的输出端流入太阳能集热器(1) 中；

所述测试方法包括：

确定用热末端的热负荷并计算回水温度如下：

设定用热末端的稳定热负荷为Q，设定混水箱出水温度T₀，选取合适的质量流量，回水温度T₁可按下式计算：

Q＝cm(T₀-T₁)

其中：Q为用热末端的稳定热负荷，kJ；c为水的比热容，取4.19kJ/(kg·K)；m为质量流量，kg/s；

得到当地的太阳辐射量，具体的：对不同工况分别连续进行一周实验，测量运行期间电加热的补热耗电量和各阀门的耗电量，并获取同时期的当地的太阳辐射量；

实现太阳能集热器的效率的计算，具体可由下式计算：

其中：T₂为太阳能集热器出口水温度，I为太阳能辐射量，单位为kJ；

最终，计算运行期间电加热系统的COP₁和整体热源系统的COP₂，并对两种控制系统进行能效对比；电加热系统的COP₁可由下式计算：

其中：Q_e为电加热耗电量，kJ；T₄、T₃分别为电加热器(3)的出口和入口温度，T₄由第四温度测点(204) 测得，T₃由第三温度测点(203)测得，单位为℃，所述第三温度测点(203)位于太阳能集热器( 1) 的入口，所述第四温度测点 (204)位于蓄热水箱( 2) 的供水口。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述蓄热水箱(2)输出端和混水箱(4)输入端之间的管路上设有流量计。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述混水箱(4)接收由蓄热水箱提供的恒温热水、与补水管提供的冷水混合后输出恒温的回水。

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述电加热器(3)设于蓄热水箱(2)中。

5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，所述电加热器(3)的输出端与蓄热水箱(2)连接，输入端分别与太阳能集热器(1)的出水口和混水箱(4)的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述第一温差控制阀组包括：

第一用电阀(101)，设于混水箱(4)的输出端连接至电加热器(3)的管路上，

第三用电阀(103)，设于太阳能集热器(1)的出水口连接至蓄热水箱(2)的管路上，

第四用电阀(104)，设于太阳能集热器(1)的出水口连接至电加热器(3)的管路上；

当太阳能集热器(1)的出水口温度低于第二设定范围、但高于第三设定范围时，第一用电阀(101)关闭，第二用电阀(102)开启，第三用电阀(103)关闭，第四用电阀(104)开启，回水自混水箱(4)的输出依次经过太阳能集热器(1)、电加热器(3)流入蓄热水箱(2)，

当太阳能集热器(1)的出水口温度高于第二设定范围时，第一用电阀(101)关闭，第二用电阀(102)开启，第三用电阀(103)开启，第四用电阀(104)关闭，回水自混水箱(4)的输出经过太阳能集热器(1)流入蓄热水箱(2)，

当太阳能集热器(1)的出水口温度低于第三设定范围时，第一用电阀(101)开启，第三用电阀(103)关闭，第四用电阀(104)关闭，回水自混水箱(4)的输出经过电加热器(3)流入蓄热水箱(2)。

7.根据权利要求1～6中任一所述的测试方法，其特征在于，所述测试系统还包括第一用电采集装置，该第一用电采集装置与电加热器(3)连接，用于采集电加热器(3)的耗电信息。