太阳能热水器节约能量的计算方法研究

闫苇 渠荣华 南少波

（青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101）

0 引言

当前石油、煤炭等不可再生能源紧缺，太阳能作为可再生能源，以其干净、丰富而且分布范围广越来越引起人们的关注，世界各国正把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。太阳能热水器作为太阳能利用的最基本形式对人们来说已经不再陌生，低碳节能的倡导更是加速了它的推广和普及。

1 绪论

太阳能热水器最大的优点是节省能源，使用过电热或其它能源的热水器的用户从前后每月交的能源费中很明显就能比较出来。有些商家为了促销，也会把使用太阳能热水器的费用和使用其它能源热水器的费用作对比，以便更好地突出太阳能节省能源的优势。如果太阳能热水器配置的控制器具有能量积累和显示功能，在使用一段时间后，用户很直观地观察到节省能量的数据。它也能更好地促进用户对太阳能热水器的认知。

在太阳的光照下，太阳能热水器水箱内温度逐渐升高。这些热量的获得并没有消耗传统的能源，而是来自于可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的太阳能。节能量即等同于把这部分热量计算并积累起来。下面就探讨几种节能计算的方法。

2 节能计算方法

2.1 水箱温升法

太阳能热水器通过太阳能集热器收集热量并以热水形式储存起来。在没有其它能源进行加热的情况确下，水箱内升高的热量即为节省的能量。可由水箱内一定容积的水吸热公式进行计算。计算公式为：

式中：Q—节能量，kJ；

C水—水的比热，取值为4.178，kJ/(kg×℃)；

ρ水—水的密度，取值为1，kg/L；

V—水箱容量，L；

△T—温升，℃。

计算完成后，再将能量Q转化为kWh或MWh，转化关系为：

转化计算完成后实时显示出来，方便用户查看。当温度上升超过1℃时，节能量重新计算并刷新显示值。因考虑到其它因素影响到节能数据统计，当开启电加热或正在用水时（传感器检测到水箱温度下降即认为正在用水），节能量停止计算和累加。

该计算方式不增加任何专用处理元件，只增加控制器软件设计，成本最优。缺点是需要确定所计算的容积值与当前水箱是否一致，在一种控制器对应多个容积段水箱时，首先应设置控制器容积参数与当前水箱相同，否则计算出的节能量将毫无意义，这需要对现场安装及调试人员进行深入培训，给安装、调试带来不便。其次是开启电加热或正在用水时的节能量未计算在内，导致显示出的节能量数值偏低。

2.2 循环管路换热法

强制循环换热系统原理是通过循环泵驱动热媒将集热器与水箱间的热量进行交换。在循环回水管路上设置一个温度传感器，通过检测集热器与回水管道热量差来计算节能量。运行示意图如图1所示：

当集热器温度T1高于水箱温度T2一定值时，循环泵将自动开启，集热器中的热量通过管路中的热媒传到水箱中，回水温度T3则为换热后的温度。T1与T3之间的热量差异即为水箱得到的热量，本算法将这部分热量累加起来做为节省的能量。计算公式为：

式中：

Q—节能量，kJ；

T1—集热器温度，℃；

T3—回水温度，℃；

C—比热，根据循环管路中实际的热媒进行取值，热媒一般为水、不同浓度的丙二醇或乙二醇，kJ/(kg×℃)；

ρ—密度，根据循环管路中实际的热媒进行取值，kg/L；

V—流量，为泵启动时管路中的流量，L/min；

t—循环泵启动时间，s。

计算完成后，再将能量Q转化为kWh或MWh。转化关系如上所示。当循环泵启动后，显示值1s刷新1次。流量的获取有2种方法。第一种方法较简单，不增加采集元器。在系统安装完毕时，开启循环泵P，管路流量计则显示出此时的流量值，将此流量值输入控制器预留的设置窗口中，控制器在计算节能量时，自动调取输入的流量值。此方法不增加成本，但精确度不高。第二种方法是增加流量传感器。实时监控循环管路中的流量值，控制器在计算节能量时，自动调用实时检测的流量值。该方法需增加一个流量计，实时采集流量值，计算出的节能量较准确。

此种计算方式只增加一个管路传感器，成本增加小。但该计算方式只用于集热方式为强制循环的系统，适用范围受限制。在调试初期，需要了解热媒的比热容和密度参数、确定循环泵开启时的流量值，并将这些参数输入到控制器相关的设置窗口中。增加了现场安装及调试人员的工作量，给安装、调试带来不便。

2.3 热量表计量法

热量表是计算热量的仪表，它主要包括三个组成部分：流量计、温度传感器和积算仪。工作原理是将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，流量计安装在流体入口或回流管上，流量计发出与流量成正比的脉冲信号，一对温度传感器给出表示温度高低的模拟信号，而积算仪采集来自流量和温度传感器的信号，利用积算公式算出热交换系统获得的热量。流量计按结构和原理不同，可分为机械式、电磁式、超声波式。热量表采用的温度传感器一般为配对的Pt1000，配对误差﹤0.1℃。一根有红色标志，一根有蓝色标志。积算仪是采集温度传感器所发出的温度信号、流量计所发出的流量信号并进行热量计算、存储和显示的部件。

当前热量表被广泛地应用在我国北方地区冬季供暖上，作为热量收费的主要依据。如果改变热量表温度和流量传感器的使用位置，它也可计量太阳能热水器中节省的能量。使用原理图如图2所示。

图2中的储水箱为承压式，将热量表中带红色标志的温度传感器安装在出热水管上，将流量计和带蓝色标志的温度传感器安装在进冷水管上。用户在用水时，放进水箱中冷水的体积与使用的热水体积相等，热量差即为太阳能热水器产生的热量。计算关系为：

式中：

Q—节能量，kJ；

Q1—使用的热水热量，kJ；

Q2——放进水箱中冷水热量，kJ。

若储水箱内部带有电加热等辅助热源，计算出的节能量还要去除消耗掉的电能或燃气能。该计算方式需要增加专用的热计量表，成本较贵。优点是计量精确度高，安装、调试简单。

3 结论

在当今石油、煤炭等不可再生能源比较紧缺时代，利用可再生能源成为当今社会的一个重要课题，它逐渐受到各国政府的重视。政府部门为了鼓励更多的利用可再生能源，相继出台了一些强制或奖励使用的政策。在中国，出台了民用建筑强制要求安装太阳能热水器的规定；在欧洲部分国家，出台了安装太阳能集热面积达到规定值就进行政府补贴的政策。随着使用太阳能热水器的逐渐增多，人们对于它的了解将会越来越深入。对于太阳能节能方面，从之前的感性了解到量的认识必然是一个趋势。如何对太阳能的节约电量进行统计和提升太阳能节电量，将成为一个重要的社会课题。