太陽能熱水管工程系測量方法透析論文

　　熱負荷測量熱負荷

　　QL包括了用戶得熱量Quse和用戶管路循環(huán)損失熱量Qtc,熱負荷已經(jīng)將水箱的熱損失對熱量的減少考慮進去,以熱負荷為指標,既滿足了用戶得熱量計量的要求,又體現(xiàn)了系統(tǒng)本身整體的性能[11]。而用戶得熱量需根據(jù)系統(tǒng)的進出水是否為同時系統(tǒng)進行區(qū)分。進出水同時性系統(tǒng)用戶用水供熱量Quse可采用熱量表進行測量,熱量表的溫度和流量傳感器應安裝在集熱器陣列的主管道上。也可采用分別測量水溫和流量的方法,采用式(1)計算得出,并將計算得出的熱量Quse。熱量測量的溫度和流量傳感器應安裝在冷水進水和用戶用水主管道上[12-13]。

　　熱負荷用式(2)計算。(式略)(2)式中,QL為熱負荷,即系統(tǒng)給用戶提供的熱量,GJ;Quse為用戶得熱量,GJ;Qtc為用戶管路循環(huán)熱量損失量,GJ;如果沒有用戶管路循環(huán),則Qtc取0。進出水非同時性系統(tǒng)由于目前國內(nèi)大量安裝使用的非承壓出水的太陽能熱水工程系統(tǒng),其用水時間和上水時間是非同時性的,用熱量表直接測量入口和出口的溫差進行熱量計算是不合適的。考慮到實際系統(tǒng)的可操作性,本文提出分別測量冷水進水的溫度和流量、用戶用水的溫度和流量、貯水箱的溫度和水位來計算太陽能熱水工程系統(tǒng)的熱負荷。在圖1所示的太陽能熱水工程系統(tǒng)的典型進出水非同時性系統(tǒng)中(圖中各符號含義見圖注),整體系統(tǒng)熱水的總能量(通過熱水焓值表示)可以分解成2部分:一部分來自太陽能集熱器所收集的熱量,另一部分來自于進水的初始熱量,而要知道熱負荷,可以計算整體系統(tǒng)熱水焓值,減去進水的初始焓值,得到用戶得熱量Quse。

　　分析整體熱水系統(tǒng)的輸入和輸出,可以把這用戶得熱量Quse分解成4部分計算:QA:用戶用掉的熱水熱量;QB:貯水箱內(nèi)剩余熱水的熱量;QC:進水口新進水的初始熱量;QD:測試開始時貯水箱中水的原始熱量,各項單位均為GJ。如果沒有用戶管路循環(huán),則式(5)中tcm和Qtc都取0。BHL太陽能熱水工程系統(tǒng)的熱能計量采用了該方法,為了精確計量太陽能熱水工程的熱負荷,貯水箱內(nèi)至少布置一個溫度傳感器,其測量準確度為±0.2℃。溫度測量點應不低于貯水箱與集熱器管路接口最低處,同時也不低于貯水箱與輔助熱源循環(huán)管路接口最低處和電輔助加熱器。并確保正常情況下溫度測量點置于水中。如果有多個溫度測量點,則取這些溫度測量值的算術平均值。貯水箱水位測量采用水位傳感器測量水位的高度,測量準確度應為±2%。流量檢測要求高溫型,準確度±2%。

　　其他能量測量

　　耗電量測量耗電量的測量包括安裝在貯水箱上的電輔助加熱器、防凍伴熱帶、水泵、電磁閥、電動閥、控制器等所有用電設備的耗電量,不應該包括與貯水箱分離的輔助熱源(如電熱鍋、熱泵等)的耗電量。若系統(tǒng)不涉及與貯水箱分離的輔助熱源。則只要求計算太陽能供熱量和耗電量就是全部能源輸入。采用遠傳電能表進行測量,采用2.0級電能表和不低于0.5級的互感器,電能表安裝在太陽能熱水系統(tǒng)的總供電回路上測量太陽能熱水工程系統(tǒng)的總耗電量。

　　電能表的通訊接口,應該支持Modbus通訊協(xié)議或者CJ/T188、DL/T645通信規(guī)約[14-16]可以與數(shù)據(jù)采集器進行通訊。輔助熱源供熱量測量輔助熱源供熱量測量不包括貯水箱內(nèi)的輔助加熱設備的能量,只測量與貯水箱分離的輔助熱源供熱測量。若輔助熱源與水箱之間的傳熱介質是水的太陽能熱水系統(tǒng)�？刹捎脽崃勘磉M行測量,也可以分別測量水溫和流量的方法,采用太陽能供熱量測量的方法,通過式(1)計算得出輔助熱源的熱量Qaux。若采用工業(yè)蒸汽直接進入水箱作為輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng),應采用蒸汽熱量計量表測量蒸汽的熱量作為輔助熱源供熱量。蒸汽計量表或蒸汽流量、溫度和壓力表準確度等級要求應符合GB17167的要求[17]。4.3用戶管路循環(huán)熱量損失量測量用戶管路循環(huán)熱量損失量測量可采用熱量表進行測量,也可采用分別測量水溫和流量的方法,采用式(1)計算得出的熱量Qtc。熱量測量的高溫點安裝在貯水箱熱水出口管路上,低溫點和流量傳感器應安裝在管路循環(huán)回水管路上。

　　監(jiān)測系統(tǒng)組成與運行結果

　　定制采用式(1)計算的熱量表對太陽能供熱量和管路循環(huán)熱量損失量進行測量。用戶用熱量采用通用帶Modbus通訊協(xié)議的熱量表進行測量,可以方便的獲得每個用戶的熱水用量并計算費用[19]。系統(tǒng)采用三相電輔助電加熱來提供太陽能不足時的能量,系統(tǒng)定制了支持0.5級的互感器且支持Modbus通訊協(xié)議的遠傳三相電能表。該系統(tǒng)未安裝除電加熱以外的輔助熱源供熱。所以系統(tǒng)能量輸入只有太陽能供熱量Qs和三相電耗電量Qp。對該系統(tǒng)以上的檢測參數(shù)進行了測試,由于太陽能輻照在多云天氣變化較快,可以到達秒級的變化,為了減少誤差,系統(tǒng)的積分時間間隔其采樣周期為1s[20]。對溫度和水位數(shù)據(jù)進行了線性影響的檢驗和穩(wěn)定性檢驗,線性影響的檢驗是在模擬輸入通道上進行,該通道可線性調(diào)節(jié)。

　　將一個恒定的直流信號(水位壓力測量)或精密電阻(溫度測量)加到輸入端。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量的結果與輸入信號值和比例系數(shù)乘積之間的差別應小于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿量程的±1%。在輸入信號為滿量程的0、20%、40%、60%、80%和100%條件下進行測試。試驗表明溫度檢測中A級鉑電阻溫度傳感器的檢測精度在±0.2℃以內(nèi),影響溫度檢測的因數(shù)有傳感器引線電阻及環(huán)境干擾,需對檢測量進行軟件和硬件電路補償。水位監(jiān)測中的壓力式水位傳感器的檢測精度在±2%以內(nèi)。在穩(wěn)定性檢驗中,采用100%滿量程的恒定直流信號或精密電阻加到輸入端長時間檢測1h。這個信號測量值的波動保持在滿量程的±1%以內(nèi)。若由于外界干擾引起的波動,系統(tǒng)采用軟件濾波將干擾信號濾除。實際測試系統(tǒng)的水溫檢測準確度±0.2℃,水位檢測準確度±2%。對于流量檢測和熱能計量、電能計量檢測,分別進行了積分法檢驗和積分零值檢驗[21]。積分法檢驗在輸入通道上進行。在輸入通道上,測量結果應用平均或積分運算來處理。輸入幅值為Zm的直流信號加到通道上,其測量值在整個時間周期d內(nèi)(最少1h)積分得到。每個通道的幅值Zm取預期從傳感器上獲得的最大輸入電平。獲得的結果偏差小于Zm×d的±1%。積分零值檢驗也輸入通道上進行,在這個輸入電路上,測量結果應用平均或積分運算來處理。該通道應短路(輸入零值),它的測量值在最少1h的整個時間周期d內(nèi)積分。其結果也小于Zm×d的±1%。實際測試系統(tǒng)的流量檢測準確度為±1%,耗電量準確度為±2%,熱能計量的準確度為±2%。該系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)還包括現(xiàn)場監(jiān)測和遠程監(jiān)測控制系統(tǒng),現(xiàn)場監(jiān)測控制系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術的嵌入式系統(tǒng)開發(fā),能通過網(wǎng)絡遠程WEB訪問該系統(tǒng),對太陽能熱水系統(tǒng)的實時狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。并根據(jù)本文公式進行計算得到太陽能熱水系統(tǒng)的熱能計量參數(shù)。

　　并且具備數(shù)據(jù)收集、處理、存儲、發(fā)送和輸出等功能,可生成并存儲月統(tǒng)計報表。系統(tǒng)壽命期按15a計,則15a內(nèi)可節(jié)約能量5685GJ。這部分能量若改用電加熱提供(電加熱效率按95%計算),每年需增加消耗電能111705kW/h-1,電價按0.60元/(kW?h)考慮,每年可節(jié)約能源費用6.7萬元,壽命期內(nèi)共可節(jié)約能源費用100.5萬元[22]。結合太陽能熱水工程系統(tǒng)的長期監(jiān)測計量和評價的實際需求,太陽能熱水工程系統(tǒng)長期性能評價的參數(shù)與指標應該包括:日總太陽輻照量H;太陽能供熱量Qs;系統(tǒng)總耗電量Qp,用戶供水的得熱量Quse,用戶管路循環(huán)熱量損失量Qtc。通過以上參數(shù)與指標的檢測能更準確的獲取從太陽能轉換的能量、由輔助能源提供能量和實際得到的能量,以便計算太陽能保證率、常規(guī)能源替代量(節(jié)能)和減排量等指標。從而對太陽能熱水系統(tǒng)的性能進行評價[23]。其中太陽能保證率f等于太陽能供熱量除以太陽能熱水系統(tǒng)的總負荷[24-25]計算式如式(式略)。

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