太陽能熱水管工程系測量方法透析論文
熱負(fù)荷測量熱負(fù)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(fù)荷已經(jīng)將水箱的熱損失對熱量的減少考慮進(jìn)去,以熱負(fù)荷為指標(biāo),既滿足了用戶得熱量計(jì)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(jìn)出水是否為同時系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分。進(jìn)出水同時性系統(tǒng)用戶用水供熱量Quse可采用熱量表進(jìn)行測量,熱量表的溫度和流量傳感器應(yīng)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(jì)算得出,并將計(jì)算得出的熱量Quse。熱量測量的溫度和流量傳感器應(yīng)安裝在冷水進(jìn)水和用戶用水主管道上[12-13]。
熱負(fù)荷用式(2)計(jì)算。(式略)(2)式中,QL為熱負(fù)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(jìn)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(jìn)行熱量計(jì)算是不合適的�？紤]到實(shí)際系統(tǒng)的可操作性,本文提出分別測量冷水進(jìn)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(jì)算太陽能熱水工程系統(tǒng)的熱負(fù)荷。在圖1所示的太陽能熱水工程系統(tǒng)的典型進(jìn)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(jìn)水的初始熱量,而要知道熱負(fù)荷,可以計(jì)算整體系統(tǒng)熱水焓值,減去進(jìn)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(jì)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(jìn)水口新進(jìn)水的初始熱量;QD:測試開始時貯水箱中水的原始熱量,各項(xiàng)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(jì)量采用了該方法,為了精確計(jì)量太陽能熱水工程的熱負(fù)荷,貯水箱內(nèi)至少布置一個溫度傳感器,其測量準(zhǔn)確度為±0.2℃。溫度測量點(diǎn)應(yīng)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(diǎn)置于水中。如果有多個溫度測量點(diǎn),則取這些溫度測量值的算術(shù)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(zhǔn)確度應(yīng)為±2%。流量檢測要求高溫型,準(zhǔn)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(shè)備的耗電量,不應(yīng)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(jì)算太陽能供熱量和耗電量就是全部能源輸入。采用遠(yuǎn)傳電能表進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(shè)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(zhì)是水的太陽能熱水系統(tǒng)。可采用熱量表進(jìn)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(jì)算得出輔助熱源的熱量Qaux。若采用工業(yè)蒸汽直接進(jìn)入水箱作為輔助熱源的太陽能熱水系統(tǒng),應(yīng)采用蒸汽熱量計(jì)量表測量蒸汽的熱量作為輔助熱源供熱量。蒸汽計(jì)量表或蒸汽流量、溫度和壓力表準(zhǔn)確度等級要求應(yīng)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(jìn)行測量,也可采用分別測量水溫和流量的方法,采用式(1)計(jì)算得出的熱量Qtc。熱量測量的高溫點(diǎn)安裝在貯水箱熱水出口管路上,低溫點(diǎn)和流量傳感器應(yīng)安裝在管路循環(huán)回水管路上。
監(jiān)測系統(tǒng)組成與運(yùn)行結(jié)果
定制采用式(1)計(jì)算的熱量表對太陽能供熱量和管路循環(huán)熱量損失量進(jìn)行測量。用戶用熱量采用通用帶Modbus通訊協(xié)議的熱量表進(jìn)行測量,可以方便的獲得每個用戶的熱水用量并計(jì)算費(fèi)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(yuǎn)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(jìn)行了測試,由于太陽能輻照在多云天氣變化較快,可以到達(dá)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(jìn)行了線性影響的檢驗(yàn)和穩(wěn)定性檢驗(yàn),線性影響的檢驗(yàn)是在模擬輸入通道上進(jìn)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(jié)果與輸入信號值和比例系數(shù)乘積之間的差別應(yīng)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(jìn)行測試。試驗(yàn)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(jìn)行軟件和硬件電路補(bǔ)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(yàn)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(shí)際測試系統(tǒng)的水溫檢測準(zhǔn)確度±0.2℃,水位檢測準(zhǔn)確度±2%。對于流量檢測和熱能計(jì)量、電能計(jì)量檢測,分別進(jìn)行了積分法檢驗(yàn)和積分零值檢驗(yàn)[21]。積分法檢驗(yàn)在輸入通道上進(jìn)行。在輸入通道上,測量結(jié)果應(yīng)用平均或積分運(yùn)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(yù)期從傳感器上獲得的最大輸入電平。獲得的結(jié)果偏差小于Zm×d的±1%。積分零值檢驗(yàn)也輸入通道上進(jìn)行,在這個輸入電路上,測量結(jié)果應(yīng)用平均或積分運(yùn)算來處理。該通道應(yīng)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(jié)果也小于Zm×d的±1%。實(shí)際測試系統(tǒng)的流量檢測準(zhǔn)確度為±1%,耗電量準(zhǔn)確度為±2%,熱能計(jì)量的準(zhǔn)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(yuǎn)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(shù)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā),能通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程WEB訪問該系統(tǒng),對太陽能熱水系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制。并根據(jù)本文公式進(jìn)行計(jì)算得到太陽能熱水系統(tǒng)的熱能計(jì)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(jì)報(bào)表。系統(tǒng)壽命期按15a計(jì),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(jì)算),每年需增加消耗電能111705kW/h-1,電價(jià)按0.60元/(kW?h)考慮,每年可節(jié)約能源費(fèi)用6.7萬元,壽命期內(nèi)共可節(jié)約能源費(fèi)用100.5萬元[22]。結(jié)合太陽能熱水工程系統(tǒng)的長期監(jiān)測計(jì)量和評價(jià)的實(shí)際需求,太陽能熱水工程系統(tǒng)長期性能評價(jià)的參數(shù)與指標(biāo)應(yīng)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(biāo)的檢測能更準(zhǔn)確的獲取從太陽能轉(zhuǎn)換的能量、由輔助能源提供能量和實(shí)際得到的能量,以便計(jì)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(biāo)。從而對太陽能熱水系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價(jià)[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(fù)荷[24-25]計(jì)算式如式(式略)。
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