太阳能综合热利用系统的测试分析

皇明太阳能股份有限公司 ■ 张丽 刘志强 王成勇

一 引言

近年来随着我国经济的快速发展，能源消费迅猛增长，环境污染问题日益严重。加之严重依赖进口的石油产品价格逐年暴涨，太阳能等可再生能源的利用日益受到重视。但是投资建设太阳能热利用系统，其节能效果究竟如何，能否达到设计要求。目前国内外很少有研究单位或部门对建筑的太阳能热利用系统进行连续一年以上的运行状况监测，且没有根据监测数据进行系统综合经济指标评价。因此，几乎没有对相同地方的不同季节、气候的示范建筑连续一年的太阳能热利用系统的综合经济评价指标。为此，我们建设了一套长期监控系统，分析系统性能与运行参数的关系，提出典型热利用系统的监测方案，用于太阳能热利用系统的监测和系统综合性能评价。

二 太阳能检测方案

图1 生活热水系统运行原理示意图

图1为典型的生活热水系统运行原理示意图。本系统为闭式承压太阳能热水系统，系统利用集热器和水箱之间的温度差进行集热，补水通过对水箱水位的控制进行自动补水，末端采用自动增压泵靠压力控制来自动增压用水，通过管道循环实现24h恒温供热水，阴雨天当水箱水温达不到设计要求时，自动启动电加热来维持温度。图中Gs为太阳能集热板换与生活热水水箱之间换热的水流量，m3/s；Tsjg、Tsjh分别为水箱至集热板换供水管出水温度、水箱至集热板换的回水管回水温度，℃；Gb为补水流量，m3/s；Th为补水温度，℃；Gg、Gh分别为生活热水供水干管水流量、回水干管水流量，m3/s；Tshrg、Tshrh分别为生活热水供水温度、回水温度，℃；T0为水箱的水温；Pd生活热水辅助能源消耗量(以电量计)，kWh。

图2为太阳能空调系统运行原理示意图。系统采用闭式承压太阳能热水系统，系统利用太阳能集热器与水箱之间的温度差进行集热。夏季，利用太阳能智能控制技术，太阳能提供83～88℃的热源驱动太阳能专用机组(溴化锂机组)，产生7～12℃的冷冻水通过辐射吊顶末端进行室内制冷。当太阳能不足时，启动电压缩螺杆机组。图中Grg为太阳能水箱供给空调机组的流量，m3/s；Trsg、Trsh分别为太阳能水箱到机组的供水温度、回水温度，℃；Glg为太阳能空调末端冷冻水管水流量，m3/s；Tlg、Tlh分别为太阳能空调末端供水温度、回水温度，℃；Glz为制冷末端冷冻水管总供水流量，m3/s；Tlzg、Tlzh分别为空调末端总供水温度、总回水温度，℃。

图2 太阳能空调系统运行原理图

三 经济技术指标计算方法

根据测试目的需要测试的内容有：集热系统得热量、集热系统有效效率，太阳能保证率、太阳能空调系统COP。其中每类评价指标的含义、计算公式及所需的测量参数说明如下。

1 集热系统效率

(1)集热系统得热量Qc

由太阳能集热系统中太阳集热器提供的有用能量。

集热系统得热量计算公式为：

(2)集热系统效率η

在测试期间内太阳能集热系统有用得热量与同一测试期内投射在太阳能集热器上日太阳辐照能量之比。

集热系统效率采用式(2)计算：

其中，太阳辐照量Qt的计算公式为：

测试参数有：太阳累计辐照量(其累计时间与泵运行时间相同)、集热器面积、环境温度、环境空气流速以及测试时间。

(3)集热系统有效效率η1

在测试期间内太阳能集热系统输出能量与同一测试期内投射在太阳能集热器上总输入能量之比。其中，集热器总输入能量包括太阳辐照量和循环泵能耗。

式中：QB为循环泵耗，kWh。

2 太阳能生活热水系统保证率

(1)系统常规热源耗能量

四季生活热水系统采用电加热Pd(Pd采用电表的电量的统计来计算)

(2)用户的用热量Quser

热用户的用热量Quser由两部分组成：用掉的水(Gg−Gh)带走的热量和回水沿着管路损失的热量，即用户用热量计算公式为：

式中：T0为水箱水温，℃。

需要注意的是：本次测试没有进行水箱的混水操作，只是将温度传感器放置在水箱中部，近似水箱的混水温度。

(3)太阳能生活热水保证率f

系统中为太阳能热水部分提供的能量与系统需要的总能量之比。

太阳能保证率f的计算公式为：

3 太阳能空调系统

(1)太阳能空调提供的制冷量Qlg

(2)大厦中需要的制冷量Qlz

式中：Glz为主干道上冷水流量，m3/s。

(3)太阳能提供给制冷机组的热量Qrsg

(4)吸收式冷水机组性能系数(热力COP)

吸收式冷水机组性能系数为吸收式冷水机组的供冷量与供给吸收式冷水机组热量的比值。

(5)太阳能保证率fcooling

太阳能热水空调系统保证率fcooling为太阳能部分提供的热量形成的能量与系统总供冷量的比值。太阳能空调保证率计算公式为：

四 数据处理及结果

通过对某办公建筑太阳能热利用综合系统进行监测，对2012年6月15日到2012年8月31日的监测数据进行分析及处理，得到太阳能得热量、太阳能集热系统效率，相关数据见表1。

表1 77d累计得热量及平均效率

从表1可看出77d累计得热量为19.5万kWh；从系统的运行情况看3号楼效率达到最高0.46，从系统上分析3号楼系统效率较高主要因为水箱在楼顶，与集热器的位置较近，热损较小。因此，建议在系统设计时，尽量将集热器与水箱位置最近，以减少管道的热损。同时，太阳能热水的保证率达到0.94，可见对于太阳能空调系统来说，为满足太阳能空调的热量使用，在设计系统时要考虑好过渡季节的热量应用和蓄热的问题。

表2 8月份太阳能空调的COP及贡献率

从表2可以得出，太阳能空调的COP可达到0.54，太阳能的贡献率可达到16%。 从后台导出的数据显示，太阳能提供热源的入口温度越高，太阳能COP越高。

五 结语

今天，太阳能热利用系统的推广应用是一种必然趋势。如何最大限度地利用太阳能，提高太阳能对建筑能耗的贡献率，是太阳能全面推广的关键问题。而太阳能保证率与系统使用期内的太阳辐照量、气候条件、系统热性能、末端热负荷的规律与特点等因素有关。因此确定其影响因素间的相互关系，进行因素间最优化组合，以保证得到较高的太阳能保证率，需要对一些典型系统进行长期监测。

通过对一个运行4年的太阳能热水空调综合利用系统进行相关检测之后的数据显示。我们对系统的运营总结以下几点见解，供同行进行探讨：

(1)太阳能系统的得热基本达到了原设计的要求，可以达到太阳能空调的运行条件。但是，对于太阳能空调的辐照适合区域，还需要进行适当的研究和经验累积。

(2)太阳能发挥了一定的效果。通过实测，也发现了原设计中存在的不足和缺陷。为实现复杂系统的全面自动运行，系统采用很多电动阀进行工况间的切换，但在系统运行过程中由于电动执行元件的易损性，建议系统设计时，不常用的工况切换使用手动阀人工切换。

(3)施工是一个非常重要的环节。由于施工质量的问题，也带来了本工程的一些遗憾和遗留问题。比如说保温的作法、地埋管道的施工等。

(4)对于大型的综合利用系统来说，良好的运营管理也是太阳能发挥最大效力的重要步骤。在本工程检测的过程中，发现工人操作不当、温度传感器失灵等小的缺陷，造成热量大量损失。因此，良好的管理维护、定期保养对系统的高效运行至关重要。

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