太陽能綜合熱利用系統的測試分析

皇明太陽能股份有限公司 ■ 張麗 劉志強 王成勇

一 引言

近年來隨著我國經濟的快速發展，能源消費迅猛增長，環境污染問題日益嚴重。加之嚴重依賴進口的石油產品價格逐年暴漲，太陽能等可再生能源的利用日益受到重視。但是投資建設太陽能熱利用系統，其節能效果究竟如何，能否達到設計要求。目前國內外很少有研究單位或部門對建筑的太陽能熱利用系統進行連續一年以上的運行狀況監測，且沒有根據監測數據進行系統綜合經濟指標評價。因此，幾乎沒有對相同地方的不同季節、氣候的示范建筑連續一年的太陽能熱利用系統的綜合經濟評價指標。為此，我們建設了一套長期監控系統，分析系統性能與運行參數的關系，提出典型熱利用系統的監測方案，用于太陽能熱利用系統的監測和系統綜合性能評價。

二 太陽能檢測方案

圖1 生活熱水系統運行原理示意圖

圖1為典型的生活熱水系統運行原理示意圖。本系統為閉式承壓太陽能熱水系統，系統利用集熱器和水箱之間的溫度差進行集熱，補水通過對水箱水位的控制進行自動補水，末端采用自動增壓泵靠壓力控制來自動增壓用水，通過管道循環實現24h恒溫供熱水，陰雨天當水箱水溫達不到設計要求時，自動啟動電加熱來維持溫度。圖中Gs為太陽能集熱板換與生活熱水水箱之間換熱的水流量，m3/s；Tsjg、Tsjh分別為水箱至集熱板換供水管出水溫度、水箱至集熱板換的回水管回水溫度，℃；Gb為補水流量，m3/s；Th為補水溫度，℃；Gg、Gh分別為生活熱水供水干管水流量、回水干管水流量，m3/s；Tshrg、Tshrh分別為生活熱水供水溫度、回水溫度，℃；T0為水箱的水溫；Pd生活熱水輔助能源消耗量(以電量計)，kWh。

圖2為太陽能空調系統運行原理示意圖。系統采用閉式承壓太陽能熱水系統，系統利用太陽能集熱器與水箱之間的溫度差進行集熱。夏季，利用太陽能智能控制技術，太陽能提供83～88℃的熱源驅動太陽能專用機組(溴化鋰機組)，產生7～12℃的冷凍水通過輻射吊頂末端進行室內制冷。當太陽能不足時，啟動電壓縮螺桿機組。圖中Grg為太陽能水箱供給空調機組的流量，m3/s；Trsg、Trsh分別為太陽能水箱到機組的供水溫度、回水溫度，℃；Glg為太陽能空調末端冷凍水管水流量，m3/s；Tlg、Tlh分別為太陽能空調末端供水溫度、回水溫度，℃；Glz為制冷末端冷凍水管總供水流量，m3/s；Tlzg、Tlzh分別為空調末端總供水溫度、總回水溫度，℃。

圖2 太陽能空調系統運行原理圖

三 經濟技術指標計算方法

根據測試目的需要測試的內容有：集熱系統得熱量、集熱系統有效效率，太陽能保證率、太陽能空調系統COP。其中每類評價指標的含義、計算公式及所需的測量參數說明如下。

1 集熱系統效率

(1)集熱系統得熱量Qc

由太陽能集熱系統中太陽集熱器提供的有用能量。

集熱系統得熱量計算公式為：

(2)集熱系統效率η

在測試期間內太陽能集熱系統有用得熱量與同一測試期內投射在太陽能集熱器上日太陽輻照能量之比。

集熱系統效率采用式(2)計算：

其中，太陽輻照量Qt的計算公式為：

測試參數有：太陽累計輻照量(其累計時間與泵運行時間相同)、集熱器面積、環境溫度、環境空氣流速以及測試時間。

(3)集熱系統有效效率η1

在測試期間內太陽能集熱系統輸出能量與同一測試期內投射在太陽能集熱器上總輸入能量之比。其中，集熱器總輸入能量包括太陽輻照量和循環泵能耗。

式中：QB為循環泵耗，kWh。

2 太陽能生活熱水系統保證率

(1)系統常規熱源耗能量

四季生活熱水系統采用電加熱Pd(Pd采用電表的電量的統計來計算)

(2)用戶的用熱量Quser

熱用戶的用熱量Quser由兩部分組成：用掉的水(Gg?Gh)帶走的熱量和回水沿著管路損失的熱量，即用戶用熱量計算公式為：

式中：T0為水箱水溫，℃。

需要注意的是：本次測試沒有進行水箱的混水操作，只是將溫度傳感器放置在水箱中部，近似水箱的混水溫度。

(3)太陽能生活熱水保證率f

系統中為太陽能熱水部分提供的能量與系統需要的總能量之比。

太陽能保證率f的計算公式為：

3 太陽能空調系統

(1)太陽能空調提供的制冷量Qlg

(2)大廈中需要的制冷量Qlz

式中：Glz為主干道上冷水流量，m3/s。

(3)太陽能提供給制冷機組的熱量Qrsg

(4)吸收式冷水機組性能系數(熱力COP)

吸收式冷水機組性能系數為吸收式冷水機組的供冷量與供給吸收式冷水機組熱量的比值。

(5)太陽能保證率fcooling

太陽能熱水空調系統保證率fcooling為太陽能部分提供的熱量形成的能量與系統總供冷量的比值。太陽能空調保證率計算公式為：

四 數據處理及結果

通過對某辦公建筑太陽能熱利用綜合系統進行監測，對2012年6月15日到2012年8月31日的監測數據進行分析及處理，得到太陽能得熱量、太陽能集熱系統效率，相關數據見表1。

表1 77d累計得熱量及平均效率

從表1可看出77d累計得熱量為19.5萬kWh；從系統的運行情況看3號樓效率達到最高0.46，從系統上分析3號樓系統效率較高主要因為水箱在樓頂，與集熱器的位置較近，熱損較小。因此，建議在系統設計時，盡量將集熱器與水箱位置最近，以減少管道的熱損。同時，太陽能熱水的保證率達到0.94，可見對于太陽能空調系統來說，為滿足太陽能空調的熱量使用，在設計系統時要考慮好過渡季節的熱量應用和蓄熱的問題。

表2 8月份太陽能空調的COP及貢獻率

從表2可以得出，太陽能空調的COP可達到0.54，太陽能的貢獻率可達到16%。 從后臺導出的數據顯示，太陽能提供熱源的入口溫度越高，太陽能COP越高。

五 結語

今天，太陽能熱利用系統的推廣應用是一種必然趨勢。如何最大限度地利用太陽能，提高太陽能對建筑能耗的貢獻率，是太陽能全面推廣的關鍵問題。而太陽能保證率與系統使用期內的太陽輻照量、氣候條件、系統熱性能、末端熱負荷的規律與特點等因素有關。因此確定其影響因素間的相互關系，進行因素間最優化組合，以保證得到較高的太陽能保證率，需要對一些典型系統進行長期監測。

通過對一個運行4年的太陽能熱水空調綜合利用系統進行相關檢測之后的數據顯示。我們對系統的運營總結以下幾點見解，供同行進行探討：

(1)太陽能系統的得熱基本達到了原設計的要求，可以達到太陽能空調的運行條件。但是，對于太陽能空調的輻照適合區域，還需要進行適當的研究和經驗累積。

(2)太陽能發揮了一定的效果。通過實測，也發現了原設計中存在的不足和缺陷。為實現復雜系統的全面自動運行，系統采用很多電動閥進行工況間的切換，但在系統運行過程中由于電動執行元件的易損性，建議系統設計時，不常用的工況切換使用手動閥人工切換。

(3)施工是一個非常重要的環節。由于施工質量的問題，也帶來了本工程的一些遺憾和遺留問題。比如說保溫的作法、地埋管道的施工等。

(4)對于大型的綜合利用系統來說，良好的運營管理也是太陽能發揮最大效力的重要步驟。在本工程檢測的過程中，發現工人操作不當、溫度傳感器失靈等小的缺陷，造成熱量大量損失。因此，良好的管理維護、定期保養對系統的高效運行至關重要。

[1]廉小親, 張曉力, 熊斌. 太陽能熱水監測系統的數據處理及分析[J]. 測控技術, 2009, 28(8):18－20, 24.

[2]何濤, 張昕宇, 鄭瑞澄. 太陽能熱利用系統長期監測與節能減排效益評價[A]. 第17屆全國暖通空調制冷學術年會論文集[C], 2010.

[3]李光元, 耿剛, 潘友軍, 等. 基于PLC與三維力控組態技術的太陽能熱水工程監控系統[J]. 節能技術, 2007, 25(2): 134－136, 192.

[4]中國建筑科學研究院. 可再生能源建筑應用示范項目測評導則[M].2008.