实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置及方法

摘要

本发明涉及一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置及方法。通过第一温度传感器和第二温度传感器分别采集集热水箱循环水进出口的温度，第三温度传感器采集集热水箱内的水温，液位传感器采集集热水箱内的液位，环境温度传感器采集环境温度，并各自将采集的数据分别发送至数据采集处理器，由数据采集处理器对各数据及测量的时刻进行记录、储存和处理，根据集热水箱能量守恒方程得出瞬时循环水流量和集热量。本发明方法操作简便，且测量仪器价格低廉、安装便捷。当测量结束后，相关测量仪器可方便地从被测太阳能热水系统中取走，测量仪器重复利用率高，大大节省了测量成本。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能集热技术领域，特别涉及一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置及方法。

背景技术

由于流量计价格昂贵，为了减少工程成本，工程实际中的太阳能热水系统大都不安装流量计。即使有的太阳能热水系统安装了流量计，但流量计的准确测量往往需要一定的安装条件，这极大地限制了实际施工过程中的管路布置，有时为了满足管路紧凑布置以节省管路空间的目的，不得不牺牲流量计的测量精度。另外，流量计通常需要安装在管路系统上，安装拆卸过程都相对复杂，所以流量计一旦安装，一般便不再拆卸，导致流量计无法重复使用，增加了太阳能热水系统的初投资。

基于以上分析，现有的太阳能热水系统一般只对太阳能集热器及循环系统的温度、泵的启停状态进行检测，而缺乏实时循环水流量数据，导致很难细致掌握整个系统的集热量、太阳能利用、系统运行等情况。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置及方法。

一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置，包括太阳能集热器、循环水泵和集热水箱，在集热水箱上设有液位传感器和第三温度传感器，在集热水箱的循环水进口设有第一温度传感器，在集热水箱的循环水出口设有第二温度传感器；

并设有环境温度传感器；

液位传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和环境温度传感器分别连接至数据采集处理器。

一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的方法，采集集热水箱循环水进出口的水温、集热水箱内的水温、集热水箱内的液位、环境温度，以及测量的时间，进而根据集热水箱能量守恒方程如下所示：

mc(t_in-t_out)＝f(h,U,t_w,t_a)

式中m——太阳能热水系统循环水流量，kg/s；

c——水的比热容，kJ/(kg·℃)；

t_in——集热水箱循环水进口水温，℃；

t_out——集热水箱循环水出口水温，℃；

h——集热水箱内的液位，m；

U——集热水箱热损系数，kJ/(℃·m²)；

t_w——集热水箱内的水温，℃；

t_a——环境温度，℃；

得出太阳能热水系统τ时刻的循环水流量m(τ)：

同时可得太阳能热水系统τ时刻的集热量Q(τ)：

Q(τ)＝m(τ)c(t_in(τ)-t_out(τ))

某一时间段τ₀～τ₀+nΔτ内太阳能热水系统的集热量Q：

式中，τ₀——所述某一时间段的初始时刻；Δτ——测量的时间步长；n——时间步长数。

所述集热水箱热损系数U的计算方法为：

当太阳能热水系统的循环水泵停止运行时，此时循环水流量m＝0，集热水箱能量守恒方程如下所示：

f(h,U,t_w,t_a)＝0

通过测量集热水箱内的液位h、集热水箱内的水温t_w及环境温度t_a，即可计算得出集热水箱热损系数U。

为了提高所述集热水箱热损系数U的准确度，多次算得集热水箱热损系数U，取其平均值

本发明的有益效果为：

本方法不需要价格昂贵、安装复杂的流量计，只需要监测环境温度、集热水箱进出口水温、集热水箱内的水温和集热水箱内的液位，便可依据集热水箱的能量守恒方程计算出太阳能热水系统循环流量和集热量，提供循环流量和集热量的实时数据；而且测量仪器价格低廉、安装方便。另外当测量结束后，相关测量仪器可方便地从被测太阳能热水系统中取走，测量仪器重复利用率高，大大节省了太阳能热水系统的测量成本。

附图说明

图1为实施方式中所涉及的一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置示意图。

标号说明：1—环境温度传感器；2—第一温度传感器；3—第二温度传感器；4—液位传感器；5—数据采集处理器；6—太阳能集热器；7—循环水泵；8—集热水箱；9—第一阀门；10—第二阀门；11—第三阀门；12—第三温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

太阳能热水系统的循环水流量是在用户侧水泵不开启而太阳能热水系统集热器侧循环水泵7开启的条件下测定的。

如图1所示一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的装置，包括太阳能集热器6、循环水泵7和集热水箱8连接形成循环水的闭合回路。具体为，太阳能集热器6的循环水出口通过第一阀门9连接至集热水箱8的循环水进口，集热水箱8的循环水出口依次经过第二阀门10、循环水泵7和第三阀门11连接至太阳能集热器6的循环水进口。进一步地，在集热水箱8上设有液位传感器4和第三温度传感器12，在集热水箱8的循环水进口设有第一温度传感器2，在集热水箱8的循环水出口设有第二温度传感器3。

并设有环境温度传感器1。

液位传感器4、第一温度传感器2、第二温度传感器3、第三温度传感器12和环境温度传感器1分别连接至数据采集处理器5，所述数据采集处理器5连接有显示屏。

以下说明一种实时测量太阳能热水系统循环流量和集热量的方法：

第一温度传感器2和第二温度传感器3分别采集集热水箱8循环水进出口的温度，第三温度传感器12采集集热水箱8内的水温，液位传感器4采集集热水箱8内的液位，环境温度传感器1采集环境温度，并各自将采集的数据分别发送至数据采集处理器5，由数据采集处理器5对各数据及测量的时刻进行记录、储存，并进行相应的数据处理。

集热水箱8的能量守恒方程如下所示：

mc(t_in-t_out)＝f(h,U,t_w,t_a)>

式中m——太阳能热水系统循环水流量，kg/s；

c——水的比热容，kJ/(kg·℃)；

t_in——集热水箱循环水进口水温，℃；

t_out——集热水箱循环水出口水温，℃；

h——集热水箱内的液位，m；

U——集热水箱热损系数，kJ/(℃·m²)；

t_w——集热水箱内的水温，℃；

t_a——环境温度，℃。

当太阳能热水系统的循环水泵7停止运行时，此时循环水流量m＝0，得出：

f(h,U,t_w,t_a)＝0>

将数据采集器5所采集的数据代入公式(2)，即可计算得出集热水箱热损系数U。

为了提高所得集热水箱热损系数的准确度，可依据数据采集器5所采集的数据，多次获得集热水箱热损系数U，并求其平均值

当太阳能热水系统循环水泵7运行时，将数据采集器5所采集的数据和集热水箱热损系数U的平均值代入方程(3)中，

即可求得太阳能热水系统瞬时循环水流量m(τ)：

由所求的太阳能热水系统瞬时循环水流量m(τ)即可获得太阳能热水系统瞬时集热量Q(τ)：

Q(τ)＝m(τ)c(t_in(τ)-t_out(τ))>

某一时间段τ₀～τ₀+nΔτ内太阳能热水系统的集热量Q：

式中，τ₀——所述某一时间段的初始时刻；Δτ——测量的时间步长；n——时间步长数。