太阳能集热系统测试方法研究

于鹏（中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心）

随着我国经济的快速发展，传统能源紧缺、环境污染等问题日益严重。太阳能作为一种新型能源，发展迅速，应用广泛，具有绿色环保、辐射总功率大等诸多优点[1-2]。太阳能的应用是实现节能减排、降低环境污染的有效方法。随着国家对环境重视程度提高，太阳能集热装置发展迅速，市场不断扩大。太阳能集热装置具有结构简单、安全无污染、应用范围广等特点[3-4]。目前，国内具有太阳能集热装置认证资质的检测机构少，相应的检测方法存在测试过程复杂，操作难度大，外界环境对测试结果的影响无法控制，数据收集不完善，历史数据不容易保存造成数据丢失等问题[5-7]。针对上述情况，开展太阳能集热系统测试方法的研究，对不同类型的太阳能集热装置进行性能参数的检测。

太阳能集热系统测试方法的应用需要利用太阳能集热系统一体化测试装置，该装置拥有硬件测量及软件检测功能，主要用于不同规格的太阳能集热器热性能专业测试，对被测产品性能指标进行评估[8-9]。太阳能集热系统测试方法为太阳能集热器制造厂家提供产品检测的新渠道，为检测报告提供数据证明[10-11]，对规范和发展太阳能集热装置市场具有重要意义。

1 太阳能集热测试概述

1.1 组成及工作原理

太阳能集热系统是利用太阳能集热器吸收太阳辐射，将太阳光能转化为热能后传递给传热介质或工质，通过换热器将热能传递至用户。常见的太阳能集热系统主要组成为：太阳能集热器、换热器、循环泵等，太阳能集热系统组成结构见图1。

图1 太阳能集热系统组成结构Fig.1 The structure of solar collection system

1）太阳能集热器：是吸收太阳辐射能并到集热工质的装置，是太阳能集热系统的关键组成部分。太阳能集热器一般分为平板型集热器、真空管型集热器等。

2）换热器：是在不同温度的两种或两种以上流体间实现热量传递的装置，对于太阳能集热系统，即将太阳能集热器集热工质中的热量传递至温度较低的被加热介质，使被加热介质的温度达到满足向用热负荷提供热能的需求。

3）循环泵：是将换热后的低温集热工质增压输送至太阳能集热器的装置，以增强集热工质的循环能力，从而提高太阳能集热器的集热量和换热量。

1.2 能效评价指标

依据标准GB 26969—2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》、GB/T 50604—2010《民用建筑太阳能热水系统评价标准》，能效系数是太阳能集热系统重要的评价指标。太阳能集热系统的能效评价指标包括太阳能集热器效率、换热效率、太阳能集热系统效率、管线及换热器散热损失等。

1.3 测试项目和测点布置

太阳能集热系统的现场记录和测试数据主要包含以下内容：太阳能集热器的型号、数量和布局方式（串、并联）、太阳能集热器采光面上太阳辐照度、集热器总面积、环境空气风速、环境空气温度、太阳能集热器集热工质进、出口温度、太阳能集热器集热工质体积、质量流量、换热器热流体测（高温集热工质）进、出口温度、换热器冷流体测（被加热工质）进、出口温度、换热器冷流体的体积、质量流量。太阳能集热系统测点布置见图2。

图2 太阳能集热系统测点布置Fig.2 The measuring points of solar collection system

2 测试装置方案

2.1 测试装置组成

太阳能集热测试系统由被测系统和一体化测试装置两大部分构成。其中，一体化测试装置主要包括三个组成单元：数据采集、数据传输、数据处理，太阳能集热系统及一体化装置结构见图3。

图3 太阳能集热系统一体化测试装置组成结构Fig.3 The composition structure of integration test for solar collection system

2.2 数据采集

测试装置所需测试的基础参数主要分为三大类：气象数据、工质数据、几何数据，各项基础参数主要通过相应的测试仪器（传感器等）实现信息的采集，同时利用仪表自身的存储功能或实时无线传输至服务器，实现对所采集的基础数据进行实时读取、存储、计算等功能。

太阳能集热系统所需测试的气象基础数据包括环境温度、大气压力、风速、太阳辐照度，气象基础数据测试仪器选择标准见表1。

表1 气象基础数据测试仪器选择标准Tab.1 The selection criteria of meteorological testing instrument

太阳能集热系统所需测试的工质数据包括工质温度、工质流量、泵进出口压力、集热系统的热量，工质基础数据测试仪器选择标准见表2。

表2 工质基础数据测试仪器选择标准Tab.2 The selection criteria of working medium testing instrument

太阳能集热系统所需测试的几何参数为集热器面积，其规格型号和技术要求待定，准确度等级为±0.1%。

2.3 数据传输

数据传输单元主要实现被测系统前端测试数据与终端设备（计算机）最终接收到的测试数据之间的传输过程和功能。测试仪器采集到的数据可直接保存在仪器中，也可采用LoRa方式通过无线方式传输至服务器，或通过Rs485有线方式传输至服务器。正常工作时，测试仪根据设置好的存储频率保存数据，同时通过无线方式将数据传送至服务器。若由于安装位置限制，数据无法通过无线方式传输时，可在服务器靠近测试仪时，通过仪器上的按键无线传出保存在仪器上的数据，也通过Rs485接口传出数据。远程数据接收器与终端设备（计算机）有线连接，进行数据汇总、显示与处理。

3 能效评价指标测试与计算

3.1 测试方法

1）太阳能集热器效率及系统效率测试。集热器效率测试应保证集热器处于稳态条件下，其试验周期包括至少12 min的预备期和至少12 min的稳态测量期。气象数据采集装置应符合GB/T 50801和GB/T 4271的规定。

测试步骤：一是通过气象数据采集装置测量太阳集热器采光面上的太阳辐照度；二是测量并记录太阳能集热系统的集热器总面积；三是利用热量表直接测量太阳能集热系统的热量；或利用流量计测量集热器集热工质的质量流量（或通过所测量的体积流量和温度换算得出），利用温度传感器测试集热器集热工质的进、出口温度，采样时间间隔不大于10 s，计算得到太阳能集热器的热量。

2）换热效率测试。进行换热效率测试时，在换热器冷流体、热流体的进、出口处，利用温度传感器测量并记录换热器冷流体、热流体的进、出口温度。

3）太阳能光热系统效率测试。气象数据采集装置应符合GB/T 50801和GB/T 4271的规定。每日测试时间从上午8时开始至达到所需要的太阳辐射量为止，达到所需要的太阳辐射量后，采取停止集热系统循环泵等措施，确保系统不在获取太阳的热量。

测试步骤：一是通过气象数据采集装置测量太阳集热器接收的太阳辐照度、环境温度和风速；二是测量太阳能集热系统的集热器总面积；三是在换热器冷流体、热流体的进、出口处，利用温度传感器测量并记录换热器冷流体、热流体的进出口温度；四是在集热工质循环泵的进、出口处测量循环泵的进、出口压力，计算得到循环泵的能耗；五是利用流量计测量换热器冷流体的质量流量，或通过所测量的体积流量和温度换算得出。

4）管线散热损失测试。管线及换热器散热损失测试包括各台集热器进、出水管线损失及换热器进、出水总管线散热损失。包括各台集热器进水管线散热损失：利用温度传感器测量换热器出水管线并联分支点温度和集热器进口处集热工质温度；各台集热器出水管线散热损失：利用温度传感器测量集热器出口处集热工质和各集热器出水管线交汇点温度；换热器进水总管线散热损失：利用温度传感器测量换热器进水管线并联交汇点温度和换热器热流体进口温度；换热器出水总管线散热损失：利用温度传感器测量换热器热流体出口温度和换热器出水管线并联分支点温度。

3.2 能效评价指标计算

1）太阳能集热器效率。测试时间内太阳能集热器的热量与该时间段内集热器所接收到的太阳总辐照量的比值，以%表示。

2）太阳能集热系统效率。测试时间内系统内各个太阳能集热器的热量之和与该时间段内各个集热器所接收到的太阳总辐照量之和的比值，以%表示。

3）换热效率。换热效率表明换热器的换热充分性。某一时刻冷流体进出温差与热流体进出温差中的较大值与热流体进口温度、冷流体入口温度之差的比值为换热效率。在一段测试时间内的换热效率为各个测点换热效率的代数平均数。

4）太阳能光热系统效率。太阳能集热系统效率为测试时间内太阳能集热系统净输出热量、循环泵用能之差与该时间段内集热器所接收到的太阳总辐照量的比值，%。

5）管线及换热器散热损失。集热器进水管线、出水管线、换热器热流体进水总管、出水总管均有散热损失，各项损失计算公式为：

式中：QCILi第i台集热器从换热器出水管线并联分支点到集热器进水口之间管线的散热损失，即每台集热器进水管线散热损失，MJ；mCij第i台集热器第j次记录的集热器内工质平均流量，m3/s；ρW集热工质的密度，kg/m3；cPW集热工质的比热容，J/(kg·℃)；tELOj第j次记录的换热器出水管线并联分支点温度，℃；tCIij第i台集热器第j次记录的集热器进口处集热工质的温度，℃；ΔTij第i台集热器第j次记录与第j+1次记录的时间间隔，不应大于600 s，s；tCOij第i台集热器第j次记录的集热器出口处集热工质的温度，℃；tCOLij第i台集热器第j次记录的集热器出口至各集热器出水管线交汇点前的液体温度，℃；tELIj第j次记录的换热器进水管线并联交汇点温度，℃；tEIj第j次记录的换热器热流体进口温度，℃；ΔTj进行系统效率测试时，每两个采样点之间的时间差，s；tEOj第j次记录的换热器热流体出口温度，℃；tELOj第j次记录的换热器出水管线并联分支点温度，℃。

6）循环泵机组效率。循环泵机组效率的计算按GB/T 7021—2019《离心泵名词术语》的规定执行。

3.3 能效系数计算

太阳能集热系统能效等级的评定主要依据是GB 26969—2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》，能效系数是重要的评定参数。利用太阳能集热系统测试方法对现场某太阳能集热系统进行测试，能效系数公式计算为：

式中：CTP为太阳能集热系统能效等级；QS(e)为单位轮廓采光面积日有用的热量，MJ/m2；QS(m)为日有用的热量最小值，MJ/m2；α权重系数，取0.9；USL(e)为平均热损因数，W/(m3·K)；USL(M)为最大平均热损因数，W/(m3·K)。

依据能效等级评定标准，被测试太阳能集热系统的能效等级为一级。太阳能集热系统测试方法可以有效的对太阳能集热系统进行测试。

4 结语

太阳能集热系统测试方法的研究可以针对不同类型的太阳能集热系统进行能效测试，解决当前太阳能集热系统检测机构少、操作复杂、不能满足实际需求等问题，实现对多种太阳能集热装置的能效进行自动化的测试与分析。测试时，测试系统对测试对象的实时检测，对测试数据进行分析、处理得到检测结果，自动对测试情况进行汇总、分析，使测试过程操作更加智能化，测试结果更加精准，有效减少现场测试人员的工作量。太阳能集热系统测试方法可有效分析评价产品性能，对太阳能集热装置市场的规范和发展具有重要意义，可以广泛推广使用。