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太陽熱水系統熱性能試驗系統設計

文章來源:中國建筑科學研究院空調所 | 發布日期:2006-08-23 | 作者:未知 | 點擊次數:

    依據國際和國家標準,對太陽熱水系統熱性能實驗系統進行了設計,經運行調試,該系統的溫度波動控制達到了±0.2℃的準確度,流量波動控制達到了標準要求。該試驗系統的建成填補了國內空白,為我國太陽熱水系統行業的良性發展提供了硬件方面的保證。 

    近年來隨著人民生活水平的不斷提高,對生活熱水需求的日益增長,促進了太陽熱水工業的迅速發展,太陽熱水系統已成為我國太陽能熱利用技術最成熟、應用最廣泛、產業化發展最快的領域。但是太陽熱水系統生產廠家參差不齊,如不加以重視和解決,必將嚴重影響行業的發展和太陽熱水器的進一步普及推廣。同時,太陽熱水系統與建筑一體化對太陽熱水器的性能提出了更高的要求。因此在原國家經貿委/全球環境基金(GEF)支持的“加速中國可再生能源商業化能力建設項目”中,將建立具有權威性、公正性、科學性的國家級太陽熱水器質量檢驗中心列為該項目的子項之一。中國建筑科學研究院有幸中標成為國家級太陽熱水器質量檢驗中心的籌建單位之一,由空調所承擔該試驗系統的設計和承建任務。

一.設計依據 

     設計主要依據ISO 9459-2:1995(E) 《Solar heating-Domestic water heating systems—Part2?押Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems》、GB/T18708-2002《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》和GB/T 12915-1991《家用太陽熱水器熱性能試驗方法》。

二.設計思想 

    依據不同的標準進行試驗,需要使用不同的實驗設備,因此在進行試驗系統設計時,試驗系統設備的配置和系統管道的連接應該能夠同時滿足不同標準的試驗要求。因此,根據試驗需要,在設計時,我們將整個試驗系統分為三個環路來考慮,即供水(回水)環路,混水環路和冷卻水環路。

1.供水(回水)環路 

    該環路主要由循環水泵、回水泵、供水水箱、回水水箱、板式換熱器、一級電加熱器、二級電加熱器、電磁閥、流量控制閥和流量、溫度傳感器等設備組成。該環路為開式系統,主要功能是給太陽熱水系統提供一定溫度的水。在這個環路中,根據測量控制的參數不同,又可以分為溫度測量控制系統和流量測量控制系統。 

    水溫波動控制設計目標是將水溫波動控制在設定溫度值±0.2℃的范圍內。在系統設計上,我們采用了三級控制來達到這個目標。據此,我們采取了三級控制,即第一級:通過啟動風冷機組以及調節板式換熱器二次側三通電磁閥的開度來調節風冷冷水機組的供冷量,將循環供水箱內的供水水溫波動控制在設定溫度值±1℃的范圍內;第二級:通過PID參數調節可控硅調控器,控制一次電加熱器的加熱投入量,將供水干管水溫波動控制在設定溫度值±0.5℃的范圍內;第三級:通過PID參數調節可控硅調控器,控制二次電加熱器的加熱投入量將貯熱水箱入口溫度波動控制在設定溫度值±0.2℃的范圍內。系統中使用的溫度計經中國計量科學研究院標定,測量的準確度為±0.05℃(測量范圍0~100℃)。因此為保證貯熱水箱的內水溫要求,在系統設計上從二次電加熱器到進口溫度計處管段上閥門、三通、彎頭等管件盡可能的少,管段盡可能的短。
太陽熱水系統熱性能試驗系統的8個測試單元的流量測量控制是相互獨立的。無論是國家標準還是國際標準對于流量的測量和控制都提出了很高的要求。標準要求液體流量測量準確度大于或者等于±1.0%,標準要求流量控制在400L/h~600L/h之間,流量波動為設定值的±50L/h范圍。由于參與測試的單元數量是變化的,所以整個系統的總供水量是變化的。本試驗系統的流量變化通過調節水泵的變頻器實現。要控制流量波動,需要精確的計量流量,同時由于溫度波動控制的要求,流量計工作所需的直管段盡可能的短。因此,經過比較,我們選用電磁流量計作為流量的計量裝置,電磁流量計的工作原理是通過導電流體在磁場中作切割磁力線運動時,導體中產生感應電動勢,將感應出的電壓轉換成統一的輸出信號來計量流量,而傳感器輸出信號是與平均流速成精確線性關系的電動勢,測量精度較高。本試驗系統使用的流量計經中國計量科學研究院標定,達到了標準要求。通過調節,系統流量波動達到了標準要求。 [NextPage]

2.混水環路 

    該環路主要由混水泵、電磁閥等設備組成,該環路為開式系統,主要功能是通過混水泵循環使得太陽熱水系統貯熱水箱中的水溫均勻一致。所選用的混水泵為直流電源塑料泵,流量為420L/h,功率為10W,在試驗時間內水泵引起的溫升很小,保證了試驗精度。由于不同廠家的太陽熱水系統的規格不同,該環路的管路長度可以根據太陽熱水系統的大小進行調整。

3.冷卻水環路 

    設置這個環路的目的是實現供水水溫的一級控制重復利用試驗中使用的水,此環路為閉式系統,環路主要由風冷冷水機組、水泵、板式換熱器、電動三通閥等組成,通過板式換熱器將冷量傳遞給供水環路,在試驗開始時,由電動三通閥調節通過板式換熱器的冷卻水流量,實現對供水水溫的一級控制;在試驗結束時,使供水水溫降到合適的溫度,以備第二天實驗重復使用。

4.數據采集與自動控制系統 

    根據標準要求,需對溫度和流量進行測量控制,同時需要測量環境參數、環境溫度和環境風速。數據采集、自動控制系統和數據采集模塊,實現了顯示控制及數據記錄功能,數據采集和自動控制達到了標準要求。

總結該試驗系統的設計、調試和運行,得出以下的體會:
1.試驗系統實現了水資源的重復利用,節約了水資源;
2.為適應太陽熱水系統的規格不同,系統管路長度可以改變。 

    目前,中國建筑科學研究院空調所(國家空調設備質量監督檢驗中心)已經建成太陽熱水系統熱性能試驗系統,并已投入使用,該檢測室已通過國家實驗室認可委員會(CNAL)認可,已對外開展檢測服務。該試驗系統的建成使用為我國太陽熱水系統的良性發展提供了硬件方面的保證。

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