专利名称：运行状态下直接式太阳能集热系统集热性能测试方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能集热性能的测试方法，具体为一种针对实际工程中处于运行工况下的直接式太阳能集热系统集热性能的测试方法。基于对广州亚运城太阳能集热系统运行状态下集热性能的实测，并与现有国家标准《民用建筑太阳能热水系统评价标准》 (GB/T50604-2010)和《太阳热水系统性能评定规范》(GB/T20095-2006)配合，以完善规范的不足，形成一个系统全面的太阳能集热性能评价标准。本发明可应用于各种实际工程中， 针对运行状态下的直接式太阳能集热系统进行集热性能测试，弥补了国内相关测试规范的空白，对今后太阳能集热系统设计、施工以及运行、管理都具有重要意义。
背景技术：
我国太阳能的利用技术特别是太阳能光热(制备热水)利用技术日趋成熟，太阳热水系统经过多年的发展，取得了大批科技成果，并形成了产业化生产。截至2006年我国太阳能热水器集热面积已经达到9000万m2，占到世界太阳能热水器集热面积的60%左右。 根据国家发改委有关太阳能利用方案提出的中长期的发展目标，到2020年，太阳能热水器总集热面积将达到3亿m2，替代约5000万t标准煤。随着太阳能热水系统的广泛应用，关于太阳能集热系统集热性能的测试与评价也逐渐被人们所关注。
随着太阳能热水产业的发展，合理地评价一个系统实际的集热情况尤为重要，我国现有国家标准《民用建筑太阳能热水系统评价标准》(GB/T50604-2010)和《太阳热水系统性能评定规范》(GB/T20095-2006)对太阳能集热系统的测试做出了相关规定。
然而，以上测试方式存在着以下几点不足
1、《民用建筑太阳能热水系统评价标准》(GB/T50604-2010)与《太阳热水系统性能评定规范》(GB/T20095-2006)中虽然对太阳能集热系统的监测做出了规定，但是规范中规定的测试方法都是针对太阳能热水系统安装完成后，投入使用之前对系统进行的静态的、 试验性质的测试，其显著特点是试验测试条件理想化。
2、太阳能集热系统随着使用年限的增加，集热性能也会改变，规范中的测试方法并不适用于不同年限条件下的太阳能集热系统的测试。
3、评定规范中对测试条件、内容及方法进行了较为严格的控制规定，这对运行中的太阳能集热系统操作起来较难。在测试方法上，评定规范中的一些操作步骤在实际运行的系统中很难实现。如集热水箱性能的测试，要求系统停止运行、关闭循环泵，还需要安装混水泵等装置混水后进行测试。然而，在实际工程中，需要保证及时供应热水，所有的设备都必须正常运行，不能随意改变其运行模式。而且，混水装置的使用本身就带来了能量的消耗，有悖于太阳能作为可再生能源利用，节约能源的初衷。
4、评定规范规定评价太阳能热水系统集热性能需测试系统日有用得热量、温升性能、集热水箱保温性能这3项内容。但是，要想综合评价一个太阳能集热系统的集热性能， 上述3项监测内容还不够。
随着太阳能集热系统的广泛利用，不论是设计方、施工方还是监理方更关心的还是太阳能集热系统在运行中的集热情况。实际运行中影响太阳能集热系统集热性能的因素多种多样，很难完全达到理想测试状态。而在各种因素综合影响之下的实际运行结果才能真实的体现太阳能热水系统的节能环保效益，因此，实际运行状态下真实的、动态的太阳能系统集热性能测试，对设计、施工以及运行、管理都具有重要意义。发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实际工程的，针对处于运行工况下的直接式太阳能集热系统集热性能的测试方法。使用该方法可以有效测试太阳能集热系统真实的运行情况与集热性能；与现有国家标准、规范相配合，形成一个更加全面系统的评价太阳能集热系统集热性能的监测方法，更好地保障太阳能集热系统的运行，促进太阳能热水系统产业更好更快地发展。
本发明给出运行状态下直接式太阳能集热系统集热性能测试的测试条件、测试内容、测试方法几项测试要求，通过上述几点综合评价一个实际工程中太阳能集热系统真实的集热性能。
主要的测试步骤如下
测试时间与外界环境条件为保证测试数据的可靠性与稳定性，测试时间应持续一周，每日测试时间为当地太阳正午时前4h到太阳正午时后4h期间，共计8h。测试外界环境条件要求每日太阳累计辐照量满足> 17MJ/m2。但是，考虑到太阳能集热性能受太阳辐照影响较大，连续测试期间完全满足辐照量> 17MJ/m2的要求有一定难度，但是要保证测试期间有至少3 4天累计太阳辐照量满足> 17MJ/m2的辐照要求，有个别几天辐照量不满足的，可以通过辐照量换算，得到辐照量为17MJ/m2的标准状态下的太阳能集热系统的集热性能。
综合评价一个太阳能集热系统的集热性能，提出从日有用得热量、系统集热效率、 产水量、水箱温升性能、集热水箱保温性能5个方面考虑。
记录太阳能集热系统集热水箱运行状态下每日每次的放水量，累加求和得到每日产热水总量，同时可计算得到太阳能集热系统每日产热量E^
测试日有用得热量，从空间与时间两方面考虑，在空间上把集热器和集热水箱作为一个整体考虑。针对运行状态下的太阳能集热系统，提出通过采用能量守恒方法将整个集热系统与外界换热的过程求出。归纳出以下计算关系式ΔΕ^+Ε^+Ε^ζΕ,+Ε^式中 ΔΕΚ-集热水箱在监测期间热量的变化量，MJ5Eat-太阳能集热系统供热水时放掉的热量， MJ ；Eii-太阳能热水系通过管道、水箱向外界散失掉的热量，MJ ；Ett-集热水箱补水时，自来水带入的热量，MJ ;Ε太-太阳能集热器集热得到的热量，MJ。E得=E太-Es= ΔΕΚ+Ε放-E补， 通过求出Δ E K、E& E #后计算得到日有用得热量E得。
根据测试得到的日有用得热量，测试太阳能集热系统的集热效率。为了更好地体现太阳能集热系统实际运行中的集热效率，选择测试系统效率。
测试集热水箱升温性能，根据太阳能集热系统每次集热过程前后集热水箱内水温的变化，计算得到每次集热水箱的升温情况，通过换算可以得到标态下集热水箱升温性能 Δ tl7。对每日每次集热的温升情况取平均值，得到系统每日平均升温性能，要求测试得到的标态下集热水箱升温性能Atl7彡25V。
测试集热水箱保温性能，测试时间根据太阳能集热系统每日开始启动集热时间和每日停止集热的时间确定，测试时间定为每日16:00至次日8:00，共计16个小时。测试16 小时内贮热水箱的温降情况。
本发明通过上述测试步骤，可以得到太阳能集热系统日有用得热量、集热效率、产水量、水箱温升性能和集热水箱保温性能，通过这5项测试结果可以较为全面地评价一个太阳能集热系统在实际运行中的集热性能，反映出真实的运行状况。
图1直接式太阳能集热系统组成结构图
图中1、太阳能集热器，2、接高质水补水管，3、太阳能集热水箱，4、溢流管，5、泄水管，6、太阳能热水供出，7、循环泵
图2太阳能集热系统能量守恒示意图
图中1、EA-太阳能集热器集热得到的热量，2、集热器，3、集热水箱，4、ΔΕΚ-集热水箱在监测期间热量的变化量，5、Ett-集热水箱补水时，自来水带入的热量，6、EK-太阳能热水系通过管道、水箱向外界散失掉的热量，7、Eat-太阳能集热系统每次放水时热水的热量具体实施方式
结合附图详细说明本发明实施方式。本发明针对直接式太阳能集热系统进行，图1 中展示了直接式太阳能集热系统的组成结构图，直接式太阳能热水系统一般由太阳能集热器、集热水箱、循环水泵和连接集热器与集热水箱的管道这几部分组成。图2中展示了本测试方法的测试原理，是基于能量守恒定律进行的测试方法的推导。主要的实施步骤如下
筛选测试条件为保证测试数据的可靠性与稳定性，测试时间最好持续一周，才能得到更准确的数据。每日测试时间为当地太阳正午时前4h到太阳正午时后4h期间，共计 8h。太阳能集热性能受太阳辐照影响较大，但是考虑到实际测试时间上的特定性与局限性， 连续测试期间完全满足辐照量> 17MJ/m2的要求有一定难度；但是要保证测试期间有至少 3 4天累计太阳辐照量满足彡17MJ/m2的辐照要求，有几天辐照量不满足17MJ/m2，可以通过辐照量换算，得到辐照量为17MJ/m2的标准状态下的太阳能集热系统的集热性能。
确定测试内容综合评价一个太阳能集热系统的集热性能，主要应从日有用得热量、系统集热效率、产水量、水箱温升性能、集热水箱保温性能这5方面考虑。
测试日产水量
运行状态下直接式太阳能集热系统的日产水量可以通过在水箱出水管道上安装水表或流量计进行记录得到。当没有安装测试水量仪表的情况下，可以通过集热水箱液位监测数据计算，得到系统每日放出的热水水量，即每日的总产水量V
V = ^j A(Hm-H1)(8)i=l
式中，A为集热水箱面积，h为实时监测的水箱液位高度。考虑到< hi时，为水箱补入冷水过程，hi+1-hi ^ 0，不应计入所产热水量，因此统计时若(hi+1-hi) ^ 0，不计入或按Ov1-Iii) = 0计入。
测试日有用得热量
结合图2与根据能量守恒定律，归纳出以下计算关系式
ΔΕΚ+Ε 放+E 散=E 补+E 太(1)
式中ΔΕΚ-集热水箱在监测期间热量的变化量，MJ -太阳能集热系统每次放水时热水的热量，MJ ；Eii-太阳能热水系通过管道、水箱向外界散失掉的热量，MJ -集热水箱补水时，自来水带入的热量，MJ ；Eic-太阳能集热器集热得到的热量，MJ。
由于监测的是系统效率，需要排除管损、水箱热损等无效损耗，而系统效率是通过日有用得热量计算得到的，太阳能集热系统日有用得热量已经扣除了系统的管道损失、泵耗等所有无效损耗。因此，用太阳能集热器集热得到的热量减去太阳能热水系通过管道、水箱向外界散失掉的热量，才是系统从太阳集热得到的真正用来提升水箱内水温的有用得热量，因此有用得热量Ei4根据(1)式可以表示为
E 得=E 太-E 散=ΔΕκ+Ε 放-E 补(2)
上述公式中各项热量值可以通过测试系统循环流量、集热水箱放水量、补水量、贮水量和集热水箱内水温等求得，但是考虑到测试期间，太阳能集热系统时刻处于运行状态， 进水流量、出水流量与循环水温在测试期间变化较大。因此，可以通过将整个集热过程分为若干时间段，利用累加求和的方法进行计算。具体时间段的划分，需要根据不同数据采集系统的设置来选择，亚运城数据采集系统设定数据采集频率为1分钟，保证了采集数据的准确性与精细度。能量可以通过焓值来表示，公式O)中各项能量值可表示如下
ηEm=C-Jnm-Tm=C-PYjVm1-Tm(3)1=1
η￡ 补=C./77 补.Γ补=C.厂 I 厂补 i.T7^(4)1=1
ΔΕΚ= E末-Efe= c · ρ · V末· T末_c · P · V始· T始(5)
C-水的比热容，kj/ (kg · °C ) ； P -水的密度，kg/m3 ；V-体积，m3 ；T-贮热水箱内水温，。C ；i-具体划分的小时段；η-总时段。
公式(3)、(4)中，VauJtti分别为第i段时间内水箱的放水量与补水量；I^pTtt i分别为第i段时间内水箱的放水水温与补水水温。通过累加计算得到测试8小时期间，太阳能集热系统热水的总热量与补入冷水的总热量。公式(5)中，V. 分别为测试开始与结束时集热水箱的贮水容积，Tfe、T#分别为测试开始与结束时集热水箱内的水温。其中T ^uJihiJfe、、分别为各点温度传感器实时监测数据，Vfe、、分别根据水箱液位监测数据计算。
通过公式(3) (5)计算得到运行状态下的太阳能集热系统的在测试始末热量的变化量和运行中的热量变化量，带入公式( 得到整个系统一天的总得热量。
ηηEn^c-p-iV^-T^-V^-T^+YVm-Tm-YV^-T^d1=1 1=1
前文已述，针对运行状态下的太阳能集热性能的测试，测试时间以一周为宜，考虑到测试期间可能会出现辐照量不满足> 17MJ/m2的情况，可以按照下式换算成太阳辐照为17MJ/m2时的日有用得热量E17。
权利要求
1. 一种运行状态下直接式太阳能系统集热性能测试方法，其特征在于包括以下步骤 测试时间与外界环境条件测试时间应持续至少一周，每日测试时间为当地太阳正午时前4h到太阳正午时后4h期间，共计他；测试外界环境条件要求保证测试期间有至少3 4天累计太阳辐照量满足> 17MJ/m2的辐照要求，有个别几天辐照量不满足的，通过辐照量换算，得到辐照量为17MJ/m2的标准状态下的太阳能集热系统的集热性能；综合评价一个太阳能集热系统的集热性能，提出从日有用得热量、系统集热效率、产水量、水箱温升性能、集热水箱保温性能5个方面考虑记录太阳能集热系统集热水箱运行状态下每日每次的放水量，累加求和得到每日产热水总量，同时可计算得到太阳能集热系统每日产热量E放；测试日有用得热量，在空间上把集热器和集热水箱作为一个整体考虑；针对运行状态下的太阳能集热系统，提出通过采用能量守恒方法将整个集热系统与外界换热的过程求出；归纳出以下计算关系式ΔΕΚ+Ε放+Ek= E补+E太，式中ΔΕΚ-集热水箱在监测期间热量的变化量，MJ5Eat-太阳能集热系统供热水时放掉的热量，MJ5Eii-太阳能热水系通过管道、水箱向外界散失掉的热量，MJ -集热水箱补水时，自来水带入的热量，MJ 太阳能集热器集热得到的热量，MJ ;E得=E太-Eii= Δ Ee+E放-E补，通过求出Δ EK、E放、E补后计算得到日有用得热量Ε#;根据测试得到的日有用得热量，测试太阳能集热系统的集热效率；为了更好地体现太阳能集热系统实际运行中的集热效率，选择测试系统效率；测试集热水箱升温性能，根据太阳能集热系统每次集热过程前后集热水箱内水温的变化，计算得到每次集热水箱的升温情况，通过换算可以得到标态下集热水箱升温性能 Atl7 ；要求测试得到的标态下集热水箱升温性能Atl7彡250C ；测试集热水箱保温性能，测试时间定为每日16:00至次日8:00，共计16个小时。
全文摘要
一种运行状态下直接式太阳能系统集热性能测试方法属于太阳能集热性能测试领域。本发明测试时间与外界环境条件测试时间应持续至少一周，每日测试时间为当地太阳正午时前4h到太阳正午时后4h期间，共计8h；测试外界环境条件要求测试期间有至少3～4天累计太阳辐照量满足≥17MJ/m2的辐照要求，有个别几天辐照量不满足的，通过辐照量换算，得到辐照量为17MJ/m2的标准状态下的太阳能集热系统的集热性能；综合评价一个太阳能集热系统的集热性能，从日有用得热量、系统集热效率、产水量、水箱温升性能、集热水箱保温性能5个方面考虑。本发明可应用于各种实际工程中，针对运行状态下的直接式太阳能集热系统进行集热性能测试，弥补了国内相关测试规范的空白。
文档编号G01M11/02GK102494870SQ20111035987
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者何媛媛, 卜晓明, 司琦, 吕鑑, 张英, 李济源, 汤潇, 甄帅, 马晓虹 申请人:北京工业大学