太陽能集熱系統(tǒng)測試方法研究

于鵬（中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益嚴重。太陽能作為一種新型能源，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，具有綠色環(huán)保、輻射總功率大等諸多優(yōu)點[1-2]。太陽能的應(yīng)用是實現(xiàn)節(jié)能減排、降低環(huán)境污染的有效方法。隨著國家對環(huán)境重視程度提高，太陽能集熱裝置發(fā)展迅速，市場不斷擴大。太陽能集熱裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、安全無污染、應(yīng)用范圍廣等特點[3-4]。目前，國內(nèi)具有太陽能集熱裝置認證資質(zhì)的檢測機構(gòu)少，相應(yīng)的檢測方法存在測試過程復(fù)雜，操作難度大，外界環(huán)境對測試結(jié)果的影響無法控制，數(shù)據(jù)收集不完善，歷史數(shù)據(jù)不容易保存造成數(shù)據(jù)丟失等問題[5-7]。針對上述情況，開展太陽能集熱系統(tǒng)測試方法的研究，對不同類型的太陽能集熱裝置進行性能參數(shù)的檢測。

太陽能集熱系統(tǒng)測試方法的應(yīng)用需要利用太陽能集熱系統(tǒng)一體化測試裝置，該裝置擁有硬件測量及軟件檢測功能，主要用于不同規(guī)格的太陽能集熱器熱性能專業(yè)測試，對被測產(chǎn)品性能指標進行評估[8-9]。太陽能集熱系統(tǒng)測試方法為太陽能集熱器制造廠家提供產(chǎn)品檢測的新渠道，為檢測報告提供數(shù)據(jù)證明[10-11]，對規(guī)范和發(fā)展太陽能集熱裝置市場具有重要意義。

1 太陽能集熱測試概述

1.1 組成及工作原理

太陽能集熱系統(tǒng)是利用太陽能集熱器吸收太陽輻射，將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能后傳遞給傳熱介質(zhì)或工質(zhì)，通過換熱器將熱能傳遞至用戶。常見的太陽能集熱系統(tǒng)主要組成為：太陽能集熱器、換熱器、循環(huán)泵等，太陽能集熱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 太陽能集熱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of solar collection system

1）太陽能集熱器：是吸收太陽輻射能并到集熱工質(zhì)的裝置，是太陽能集熱系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。太陽能集熱器一般分為平板型集熱器、真空管型集熱器等。

2）換熱器：是在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)熱量傳遞的裝置，對于太陽能集熱系統(tǒng)，即將太陽能集熱器集熱工質(zhì)中的熱量傳遞至溫度較低的被加熱介質(zhì)，使被加熱介質(zhì)的溫度達到滿足向用熱負荷提供熱能的需求。

3）循環(huán)泵：是將換熱后的低溫集熱工質(zhì)增壓輸送至太陽能集熱器的裝置，以增強集熱工質(zhì)的循環(huán)能力，從而提高太陽能集熱器的集熱量和換熱量。

1.2 能效評價指標

依據(jù)標準GB 26969—2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級》、GB/T 50604—2010《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)評價標準》，能效系數(shù)是太陽能集熱系統(tǒng)重要的評價指標。太陽能集熱系統(tǒng)的能效評價指標包括太陽能集熱器效率、換熱效率、太陽能集熱系統(tǒng)效率、管線及換熱器散熱損失等。

1.3 測試項目和測點布置

太陽能集熱系統(tǒng)的現(xiàn)場記錄和測試數(shù)據(jù)主要包含以下內(nèi)容：太陽能集熱器的型號、數(shù)量和布局方式（串、并聯(lián)）、太陽能集熱器采光面上太陽輻照度、集熱器總面積、環(huán)境空氣風速、環(huán)境空氣溫度、太陽能集熱器集熱工質(zhì)進、出口溫度、太陽能集熱器集熱工質(zhì)體積、質(zhì)量流量、換熱器熱流體測（高溫集熱工質(zhì)）進、出口溫度、換熱器冷流體測（被加熱工質(zhì)）進、出口溫度、換熱器冷流體的體積、質(zhì)量流量。太陽能集熱系統(tǒng)測點布置見圖2。

圖2 太陽能集熱系統(tǒng)測點布置Fig.2 The measuring points of solar collection system

2 測試裝置方案

2.1 測試裝置組成

太陽能集熱測試系統(tǒng)由被測系統(tǒng)和一體化測試裝置兩大部分構(gòu)成。其中，一體化測試裝置主要包括三個組成單元：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，太陽能集熱系統(tǒng)及一體化裝置結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 太陽能集熱系統(tǒng)一體化測試裝置組成結(jié)構(gòu)Fig.3 The composition structure of integration test for solar collection system

2.2 數(shù)據(jù)采集

測試裝置所需測試的基礎(chǔ)參數(shù)主要分為三大類：氣象數(shù)據(jù)、工質(zhì)數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)，各項基礎(chǔ)參數(shù)主要通過相應(yīng)的測試儀器（傳感器等）實現(xiàn)信息的采集，同時利用儀表自身的存儲功能或?qū)崟r無線傳輸至服務(wù)器，實現(xiàn)對所采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行實時讀取、存儲、計算等功能。

太陽能集熱系統(tǒng)所需測試的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫度、大氣壓力、風速、太陽輻照度，氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試儀器選擇標準見表1。

表1 氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試儀器選擇標準Tab.1 The selection criteria of meteorological testing instrument

太陽能集熱系統(tǒng)所需測試的工質(zhì)數(shù)據(jù)包括工質(zhì)溫度、工質(zhì)流量、泵進出口壓力、集熱系統(tǒng)的熱量，工質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試儀器選擇標準見表2。

表2 工質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試儀器選擇標準Tab.2 The selection criteria of working medium testing instrument

太陽能集熱系統(tǒng)所需測試的幾何參數(shù)為集熱器面積，其規(guī)格型號和技術(shù)要求待定，準確度等級為±0.1%。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸單元主要實現(xiàn)被測系統(tǒng)前端測試數(shù)據(jù)與終端設(shè)備（計算機）最終接收到的測試數(shù)據(jù)之間的傳輸過程和功能。測試儀器采集到的數(shù)據(jù)可直接保存在儀器中，也可采用LoRa方式通過無線方式傳輸至服務(wù)器，或通過Rs485有線方式傳輸至服務(wù)器。正常工作時，測試儀根據(jù)設(shè)置好的存儲頻率保存數(shù)據(jù)，同時通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。若由于安裝位置限制，數(shù)據(jù)無法通過無線方式傳輸時，可在服務(wù)器靠近測試儀時，通過儀器上的按鍵無線傳出保存在儀器上的數(shù)據(jù)，也通過Rs485接口傳出數(shù)據(jù)。遠程數(shù)據(jù)接收器與終端設(shè)備（計算機）有線連接，進行數(shù)據(jù)匯總、顯示與處理。

3 能效評價指標測試與計算

3.1 測試方法

1）太陽能集熱器效率及系統(tǒng)效率測試。集熱器效率測試應(yīng)保證集熱器處于穩(wěn)態(tài)條件下，其試驗周期包括至少12 min的預(yù)備期和至少12 min的穩(wěn)態(tài)測量期。氣象數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)符合GB/T 50801和GB/T 4271的規(guī)定。

測試步驟：一是通過氣象數(shù)據(jù)采集裝置測量太陽集熱器采光面上的太陽輻照度；二是測量并記錄太陽能集熱系統(tǒng)的集熱器總面積；三是利用熱量表直接測量太陽能集熱系統(tǒng)的熱量；或利用流量計測量集熱器集熱工質(zhì)的質(zhì)量流量（或通過所測量的體積流量和溫度換算得出），利用溫度傳感器測試集熱器集熱工質(zhì)的進、出口溫度，采樣時間間隔不大于10 s，計算得到太陽能集熱器的熱量。

2）換熱效率測試。進行換熱效率測試時，在換熱器冷流體、熱流體的進、出口處，利用溫度傳感器測量并記錄換熱器冷流體、熱流體的進、出口溫度。

3）太陽能光熱系統(tǒng)效率測試。氣象數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)符合GB/T 50801和GB/T 4271的規(guī)定。每日測試時間從上午8時開始至達到所需要的太陽輻射量為止，達到所需要的太陽輻射量后，采取停止集熱系統(tǒng)循環(huán)泵等措施，確保系統(tǒng)不在獲取太陽的熱量。

測試步驟：一是通過氣象數(shù)據(jù)采集裝置測量太陽集熱器接收的太陽輻照度、環(huán)境溫度和風速；二是測量太陽能集熱系統(tǒng)的集熱器總面積；三是在換熱器冷流體、熱流體的進、出口處，利用溫度傳感器測量并記錄換熱器冷流體、熱流體的進出口溫度；四是在集熱工質(zhì)循環(huán)泵的進、出口處測量循環(huán)泵的進、出口壓力，計算得到循環(huán)泵的能耗；五是利用流量計測量換熱器冷流體的質(zhì)量流量，或通過所測量的體積流量和溫度換算得出。

4）管線散熱損失測試。管線及換熱器散熱損失測試包括各臺集熱器進、出水管線損失及換熱器進、出水總管線散熱損失。包括各臺集熱器進水管線散熱損失：利用溫度傳感器測量換熱器出水管線并聯(lián)分支點溫度和集熱器進口處集熱工質(zhì)溫度；各臺集熱器出水管線散熱損失：利用溫度傳感器測量集熱器出口處集熱工質(zhì)和各集熱器出水管線交匯點溫度；換熱器進水總管線散熱損失：利用溫度傳感器測量換熱器進水管線并聯(lián)交匯點溫度和換熱器熱流體進口溫度；換熱器出水總管線散熱損失：利用溫度傳感器測量換熱器熱流體出口溫度和換熱器出水管線并聯(lián)分支點溫度。

3.2 能效評價指標計算

1）太陽能集熱器效率。測試時間內(nèi)太陽能集熱器的熱量與該時間段內(nèi)集熱器所接收到的太陽總輻照量的比值，以%表示。

2）太陽能集熱系統(tǒng)效率。測試時間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)各個太陽能集熱器的熱量之和與該時間段內(nèi)各個集熱器所接收到的太陽總輻照量之和的比值，以%表示。

3）換熱效率。換熱效率表明換熱器的換熱充分性。某一時刻冷流體進出溫差與熱流體進出溫差中的較大值與熱流體進口溫度、冷流體入口溫度之差的比值為換熱效率。在一段測試時間內(nèi)的換熱效率為各個測點換熱效率的代數(shù)平均數(shù)。

4）太陽能光熱系統(tǒng)效率。太陽能集熱系統(tǒng)效率為測試時間內(nèi)太陽能集熱系統(tǒng)凈輸出熱量、循環(huán)泵用能之差與該時間段內(nèi)集熱器所接收到的太陽總輻照量的比值，%。

5）管線及換熱器散熱損失。集熱器進水管線、出水管線、換熱器熱流體進水總管、出水總管均有散熱損失，各項損失計算公式為：

式中：QCILi第i臺集熱器從換熱器出水管線并聯(lián)分支點到集熱器進水口之間管線的散熱損失，即每臺集熱器進水管線散熱損失，MJ；mCij第i臺集熱器第j次記錄的集熱器內(nèi)工質(zhì)平均流量，m3/s；ρW集熱工質(zhì)的密度，kg/m3；cPW集熱工質(zhì)的比熱容，J/(kg·℃)；tELOj第j次記錄的換熱器出水管線并聯(lián)分支點溫度，℃；tCIij第i臺集熱器第j次記錄的集熱器進口處集熱工質(zhì)的溫度，℃；ΔTij第i臺集熱器第j次記錄與第j+1次記錄的時間間隔，不應(yīng)大于600 s，s；tCOij第i臺集熱器第j次記錄的集熱器出口處集熱工質(zhì)的溫度，℃；tCOLij第i臺集熱器第j次記錄的集熱器出口至各集熱器出水管線交匯點前的液體溫度，℃；tELIj第j次記錄的換熱器進水管線并聯(lián)交匯點溫度，℃；tEIj第j次記錄的換熱器熱流體進口溫度，℃；ΔTj進行系統(tǒng)效率測試時，每兩個采樣點之間的時間差，s；tEOj第j次記錄的換熱器熱流體出口溫度，℃；tELOj第j次記錄的換熱器出水管線并聯(lián)分支點溫度，℃。

6）循環(huán)泵機組效率。循環(huán)泵機組效率的計算按GB/T 7021—2019《離心泵名詞術(shù)語》的規(guī)定執(zhí)行。

3.3 能效系數(shù)計算

太陽能集熱系統(tǒng)能效等級的評定主要依據(jù)是GB 26969—2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級》，能效系數(shù)是重要的評定參數(shù)。利用太陽能集熱系統(tǒng)測試方法對現(xiàn)場某太陽能集熱系統(tǒng)進行測試，能效系數(shù)公式計算為：

式中：CTP為太陽能集熱系統(tǒng)能效等級；QS(e)為單位輪廓采光面積日有用的熱量，MJ/m2；QS(m)為日有用的熱量最小值，MJ/m2；α權(quán)重系數(shù)，取0.9；USL(e)為平均熱損因數(shù)，W/(m3·K)；USL(M)為最大平均熱損因數(shù)，W/(m3·K)。

依據(jù)能效等級評定標準，被測試太陽能集熱系統(tǒng)的能效等級為一級。太陽能集熱系統(tǒng)測試方法可以有效的對太陽能集熱系統(tǒng)進行測試。

4 結(jié)語

太陽能集熱系統(tǒng)測試方法的研究可以針對不同類型的太陽能集熱系統(tǒng)進行能效測試，解決當前太陽能集熱系統(tǒng)檢測機構(gòu)少、操作復(fù)雜、不能滿足實際需求等問題，實現(xiàn)對多種太陽能集熱裝置的能效進行自動化的測試與分析。測試時，測試系統(tǒng)對測試對象的實時檢測，對測試數(shù)據(jù)進行分析、處理得到檢測結(jié)果，自動對測試情況進行匯總、分析，使測試過程操作更加智能化，測試結(jié)果更加精準，有效減少現(xiàn)場測試人員的工作量。太陽能集熱系統(tǒng)測試方法可有效分析評價產(chǎn)品性能，對太陽能集熱裝置市場的規(guī)范和發(fā)展具有重要意義，可以廣泛推廣使用。