一种太阳能热水采暖测试系统及采暖效率测试方法
阅读说明：本技术 一种太阳能热水采暖测试系统及采暖效率测试方法 (Solar hot water heating test system and heating efficiency test method ) 是由 杨倩苗 孙志中 于洪文 尹红梅 张磊 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种太阳能热水采暖测试系统和采暖效率测试方法,包括测试平台和运行控制装置,所述测试平台包括集热端、用热端、测试设备,所述集热端包括太阳能集热器、热水箱。通过测试不同状态下集热器的实际集热效率、用热端实际用热效率、太阳能利用效率和太阳能采暖有效率,考虑了进行太阳能热水集热器采暖系统测试研究和对比研究两种可能,通过数据对比得出最佳采暖方式。在测试过程中考虑了系统循环水泵的耗电量,并换算成一次能源进行计算；综合考虑了环境因素对测试的影响使提供性能计算公式更加精确且符合实际。(The invention provides a solar hot water heating test system and a heating efficiency test method, which comprise a test platform and an operation control device, wherein the test platform comprises a heat collection end, a heat utilization end and test equipment, and the heat collection end comprises a solar heat collector and a hot water tank. The method comprises the steps of testing the actual heat collection efficiency of the heat collector, the actual heat utilization efficiency of the hot end, the solar utilization efficiency and the solar heating effective rate in different states, considering two possibilities of testing and researching a heating system of the solar hot water heat collector and comparing the two possibilities, and obtaining the optimal heating mode through data comparison. In the test process, the power consumption of the circulating water pump of the system is considered and converted into primary energy for calculation; the influence of environmental factors on the test is comprehensively considered, so that the performance calculation formula is more accurate and accords with the reality.)
技术领域
本发明涉及一种太阳能热水采暖系统及采暖效率测试方法，属于太阳能建筑利用技术领域。
背景技术
太阳能热水采暖系统是解决农村冬季清洁能源采暖的重要手段。高效的太阳能热水采暖系统，不仅需要高性能的太阳能集热器、蓄热水箱、散热末端，还需要综合考虑系统集热、蓄热、用热之间的耦合设计，使太阳能热水采暖系统高效运行。目前太阳能采暖系统的测试多为实验室条件下，重点关注集热器的集热效率，而很少考虑用热端的运行状况、管道循环水泵耗电对整个系统太阳能利用效率的影响。同时循环水泵耗电与系统太阳能得热的能源品质不同，目前很少考虑能源品质的不同而是直接相减抵消。因此，本发明从实际工程出发，考虑了运行状况、水泵耗电、窗户得热、能源品质等因素对系统太阳能利用效率的影响，提出了一种太阳能热水采暖系统的测试平台及采暖效率测试方法，用于太阳能热水采暖系统最优运行模式的研究。
发明内容
本发明目的是提供了一种太阳能热水采暖系统及采暖效率测试方法，能够定量分析太阳能热水采暖系统的采暖效率。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种太阳能热水采暖系统，包括测试平台和运行控制装置，所述测试平台包括集热端、用热端、测试设备，所述集热端包括太阳能集热器、热水箱，所述测试设备包括集热器出水流量传感器、集热器出水温度传感器、热水箱出水流量传感器、热水箱出水温度传感器、用热端循环泵电表、用热端水速传感器、用热端水温传感器、集热器循环泵电表、集热器回水温度传感器、热水箱回水温度传感器、用热端回水温度传感器；所述热水箱内部还设置有水量传感器和热水箱水温传感器；
所述太阳能集热器、集热器出水测速传感器、集热器出水温度传感器、热水箱、热水箱出水流量传感器、热水箱出水温度传感器、用热端循环泵电表、用热端供水流量传感器、用热端供水温度传感器、用热端、用热端回水温度传感器、热水箱回水温度传感器、热水箱、集热器回水温度传感器、集热器循环泵电表、太阳能集热器通过管道依次连接。
优选的，所述测试平台有两个分别为测试平台1和测试平台2，所述测试平台1和测试平台2的热水箱出水温度传感器与用热端循环泵电表之间的连接管道通过沟通管道连接，并在沟通管道上设置阀门3，在连接处下方用热端循环泵电表上方分别设置阀门1和阀门6；所述测试平台1和测试平台2热水箱回水温度传感器、用热端回水温度传感器之间的连接管道通过沟通管道连接，并在沟通管道上设置阀门4，在连接处下方用热端回水温度传感器上方分别设置阀门2和阀门5。
一种太阳能热水采暖系统采暖效率测试方法，包括以下步骤：
(1)测量室外环境测试数据：室外温度Te；集热器所在表面太阳能辐照强度G1；外窗所在南向墙面太阳能辐照强度G2；
(2)测量室内环境测试数据：测试房内四处测试点的温度，求得算数平均值最为室内平均温度
(3)收集集热端测试数据：集热器出水温度Tcout、Tcout，集热器回水温度Tci、Tcin，热水箱内水温度T，热水箱水量L，集热端管道内流速Vc，集热端循环泵耗电量Ecp；
(4)收集用热端测试数据：热水箱出水温度Ttout，Ttout；水箱回水温度Ttin，测试房用热端管道内流速V，测试房地暖供水温度Tin，测试房地暖回水温度Tout；测试房用热端循环泵电能消耗量Ep；
(5)使用测试平台，测试集热器在集热水箱水量L、集热器出水口设定温度Ta、集热端管道内流速Vc参数可变情况下，被测试集热器实际集热效率ηc；
(6)使用测试平台，测试集热器在用热端管道内流速Vh、室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td、地暖供水设定温度Tc参数可变情况下，系统用热端实际用热效率ηh；
(7)使用测试平台，测试系统在集热水箱水量L、集热器出水口设定温度Ta、集热端管道内流速Vc、用热端管道内流速Vh、室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td、地暖供水设定温度Tc参数可变情况下，系统的太阳能利用效率ηs和太阳能采暖有效率f，
(8)使用测试平台1和测试平台2，测试系统在集热水箱水量L、集热器出水口设定温度Ta、集热端管道内流速Vc、用热端管道内流速Vh、室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td、地暖供水设定温度Tc参数可变情况下，太阳能集热器1和太阳能集热器2同时给测试房1或测试房2供暖工况下，测试系统的太阳能利用效率ηs和太阳能采暖有效率f。
优选的，所述集热器实际集热效率测试方式如下：设定集热器出水口温度Ta，当监测集热器出水口温度≥Ta时，开启循环泵为水箱中的水加热，循环泵运行1min；控制系统监测集热器出、回水口温差Ttout-Ttin≥8℃，继续运行10min；直到Ttout-Ttin＜8℃时关闭循环泵；10min后系统重复上述操作。
优选的，用热端实际用热效率测试方式如下：设定室内最低、最高温度Tb、Td，地暖供水温度Tc，当室内温度且地暖供水温度Tin＞Tc时，开启用热端循环泵并运行10分钟；监测地暖供水温度如Thin≤Tc，则关闭用热端循环泵，否则继续运行；直到室内温度关闭循环泵；10分钟后，系统重复上述操作。
优选的，所述集热器的实际集热效率ηc计算方式如下：将集热端水泵的耗电量计入，并换算成一次能源；
其中ηc是被测试集热器的实际集热效率；Vc是运行期间逐分集热端管道流速；Cw是水的定压比热容；ρw是水的密度；Tcout是运行期间集热器出水口逐分温度；Tcin是运行期间集热器回水口逐分温度；Ecp是运行期间集热端水泵运行耗电量；G1是系统运行期间集热器所在表面逐分总太阳辐射量；S1是集热器采光面积；2.6是电能的一次能源换算系数；
用热端实际用热效率ηh计算方式如下：将用热端水泵的耗电量计入，并换算成一次能源；围护结构内保温情况下，近似地认为房间获得太阳能热量全部用于加热室内空气温；考虑了南向窗户对室内空气温度的升温作用，减掉了南侧外窗进入的太阳光热量。
其中ηh是用热端实际用热效率；Vh是运行期间逐分用热端管道流速；Thin是运行期间地暖供水口逐分温度；Thout是运行期间地暖回水口逐分温度；Ttout是运行期间水箱出水口逐分温度；Ttin是运行期间水箱回水口逐分温度；Ehp是运行期间用热端水泵运行耗电量；V是被测试房间室内空气体积；Ca是空气的定压比热容；ρa是空气水密度；Ca是水的定压比热容；是室内平均空气温度逐分变化值；G2是系统运行期间外窗所在南向墙面逐分总太阳辐射量；G2是南向外窗面积；SHGC是南向外窗的太阳能得热系数，无量纲；
太阳能利用效率ηs计算方式如下：
其中ηs是太阳能热水供暖系统的太阳能利用效率；
太阳能采暖有效率f
f是系统太阳能采暖有效率，测试期间能满足室内温度≥18℃的时间百分比；∑t18是指测试期间室内温度的累计时间；∑t是指测试期间的累计时间。
本发明的优点在于：提供了一种用于太阳能热水集热器采暖系统运行模式研究的测试平台和测试方法，考虑了进行太阳能热水集热器采暖系统测试研究和对比研究两种可能。测试过程中考虑了系统循环水泵的耗电量，并换算成一次能源进行计算；综合考虑了环境因素对测试的影响使提供性能计算公式更加精确符合实际。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明系统连接结构示意图。
图2为本发明集热端控制模式流程示意图。
图3为本发明供热端控制模式流程示意图。
图4本发明测试平台简单连接结构示意图。
图中：1太阳能集热器、2集热器出水流量传感器、3集热器出水温度传感器、4水量传感器、5热水箱出水温度传感器、6用热端循环泵电表、7用热端水速传感器、8用热端水温传感器、9用热端回水温度传感器、10热水箱回水温度传感器、11热水箱水温传感器、12集热器回水温度传感器、13集热器循环泵电表；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种太阳能热水采暖系统，包括测试平台和运行控制装置，所述测试平台包括集热端、用热端、测试设备，所述集热端包括太阳能集热器1、热水箱，所述测试设备包括集热器出水流量传感器2、集热器出水温度传感器3、热水箱出水流量传感器、热水箱出水温度传感器5、用热端循环泵电表、用热端水速传感器7、用热端水温传感器8、集热器循环泵电表、集热器回水温度传感器12、热水箱水温度传感器10、用热端回水温度传感器9；所述热水箱内部还设置有水量传感器4和热水箱水温传感器11；
所述太阳能集热器1、集热器出水流量传感器2、集热器出水温度传感器3、热水箱、热水箱出水流量传感器、热水箱出水温度传感器5、用热端循环泵电表、用热端供水流量传感器、用热端供水温度传感器、用热端、用热端回水温度传感器9、热水箱水温度传感器10、热水箱、集热器回水温度传感器12、集热器循环泵电表、太阳能集热器1通过管道依次连接。所述测试平台有两个分别为测试平台1和测试平台2，所述测试平台1和测试平台2的热水箱出水温度传感器5与用热端循环泵电表之间的连接管道通过沟通管道连接，并在沟通管道上设置阀门3，在连接处下方用热端循环泵电表上方分别设置阀门1和阀门6；所述测试平台1和测试平台2热水箱水温度传感器10、用热端回水温度传感器9之间的连接管道通过沟通管道连接，并在沟通管道上设置阀门4，在连接处下方用热端回水温度传感器9上方分别设置阀门2和阀门5。测试房采用地面、墙体、屋顶均聚苯板内保温，不考虑重质围护结构的蓄热，便于通过室温直观反映室内获得的热量。
一种太阳能热水采暖系统采暖效率测试方法，包括以下步骤：
(1)测量室外环境测试数据：室外温度Te；集热器所在表面太阳能辐照强度G1；外窗所在南向墙面太阳能辐照强度G2；
(2)测量室内环境测试数据：测试房内四处测试点的温度，求得算数平均值最为室内平均温度
(3)收集集热端测试数据：集热器出水温度Tcout、Tcout，集热器回水温度Tcin、Tcin，热水箱内水温度T，热水箱水量L，集热端管道内流速Vc，集热端循环泵耗电量Ecp；
(4)收集用热端测试数据：热水箱出水温度Ttout，Ttou；水箱回水温度Ttin，测试房用热端管道内流速V，测试房地暖供水温度Tin，测试房地暖回水温度Tout；测试房用热端循环泵电能消耗量Ep；
(5)使用测试平台，测试集热器在集热水箱水量L、集热器出水口设定温度Ta、集热端管道内流速Vc参数可变情况下，被测试集热器实际集热效率ηc；
(6)使用测试平台，测试集热器在用热端管道内流速Vh、室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td、地暖供水设定温度Tc参数可变情况下，系统用热端实际用热效率ηh；
(7)使用测试平台，测试系统在集热水箱水量L、集热器出水口设定温度Ta、集热端管道内流速Vc、用热端管道内流速Vh、室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td、地暖供水设定温度Tc参数可变情况下，系统的太阳能利用效率ηs和太阳能采暖有效率f，
(8)使用测试平台1和测试平台2，测试系统在集热水箱水量L、集热器出水口设定温度Ta、集热端管道内流速Vc、用热端管道内流速Vh、室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td、地暖供水设定温度Tc参数可变情况下，太阳能集热器11和太阳能集热器12同时给测试房1或测试房2供暖工况下，测试系统的太阳能利用效率ηs和太阳能采暖有效率f。
可变控制参数
为提高测试系统的普适性，系统集热端水箱的水量、管道内流速、水泵开启控制温度，都是变量，能够适用不同运行工况的测试需求。
(1)集热水箱水量L，水箱最大容量300L，可以满足集热水箱水量≤300L的太阳能采暖系统的测试需求，并使用浮球液位计测量水箱内的水量。
(2)管道内流速Vc、Vh，系统使用变功率三挡蠕动水泵，额定流量13L/min，功率93/67/46W，可以满足变流量太阳能采暖系统的测试需求。
(3)集热器出水口设定温度Ta，Ta在60℃上下取值，能够满足不同集热端不同运行工况的测试需求。
(4)室内最低设定温度Tb、室内最高设定温度Td，地暖供水设定温度Tc，Tb在18℃上下取值、Tc在50℃上下取值、Td在24℃上下取值，能够满足不同用热端不同运行工况的测试需求。
集热器实际集热效率测试方式如下：设定集热器出水口温度Ta，当监测集热器出水口温度≥Ta时，开启循环泵为水箱中的水加热，循环泵运行1min；控制系统监测集热器出、回水口温差Ttout-Ttin≥8℃，继续运行10min；直到Ttout-Ttin＜8℃时关闭循环泵；10min后系统重复上述操作。
用热端实际用热效率测试方式如下：设定室内最低、最高温度Tb、Td，地暖供水温度Tc，当室内温度且地暖供水温度Tin＞Tc时，开启用热端循环泵并运行10分钟；监测地暖供水温度如Thin≤Tc，则关闭用热端循环泵，否则继续运行；直到室内温度关闭循环泵；10分钟后，系统重复上述操作。
所述集热器的实际集热效率ηc计算方式如下：将集热端水泵的耗电量计入，并换算成一次能源；
其中ηc是被测试集热器的实际集热效率；Vc是运行期间逐分集热端管道流速；Cw是水的定压比热容；ρw是水的密度；Tcout是运行期间集热器出水口逐分温度；Tcin是运行期间集热器回水口逐分温度；Ecp是运行期间集热端水泵运行耗电量；G1是系统运行期间集热器所在表面逐分总太阳辐射量；S1是集热器采光面积；2.6是电能的一次能源换算系数；
用热端实际用热效率ηh计算方式如下：将用热端水泵的耗电量计入，并换算成一次能源；
其中ηh是用热端实际用热效率；Vh是运行期间逐分用热端管道流速；Thin是运行期间地暖供水口逐分温度；Thout是运行期间地暖回水口逐分温度；Ttout是运行期间水箱出水口逐分温度；Ttin是运行期间水箱回水口逐分温度；Ehp是运行期间用热端水泵运行耗电量；V是被测试房间室内空气体积；Ca是空气的定压比热容；ρa是空气水密度；Ca是水的定压比热容；是室内平均空气温度逐分变化值；G2是系统运行期间外窗所在南向墙面逐分总太阳辐射量；G2是南向外窗面积；SHGC是南向外窗的太阳能得热系数，无量纲；
太阳能利用效率ηs计算方式如下：
其中ηs是太阳能热水供暖系统的太阳能利用效率；
太阳能采暖有效率f
f是系统太阳能采暖有效率，测试期间能满足室内温度≥18℃的时间百分比；∑t18是指测试期间室内温度的累计时间；∑t是指测试期间的累计时间。
阀门控制逻辑：
系统通过手动阀门控制1号测试平台、2号测试平台的单独或者联合工作状态。系统设置V1～V6六个手动控制阀门。通过表1所示的阀门控制，能够实现太阳能集热器11、2分别给测试房1、2，同时给测试房1、2供暖的六种运行状态，通过控制阀门开闭采集多组数据计算对应的效率，比较热效率大小得出最佳供暖方案。
表1可选供暖测试房阀门控制表
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