太陽能熱水器節(jié)約能量的計算方法研究

閆葦 渠榮華 南少波

（青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

0 引言

當前石油、煤炭等不可再生能源緊缺，太陽能作為可再生能源，以其干凈、豐富而且分布范圍廣越來越引起人們的關注，世界各國正把太陽能的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展趨勢。太陽能熱水器作為太陽能利用的最基本形式對人們來說已經(jīng)不再陌生，低碳節(jié)能的倡導更是加速了它的推廣和普及。

1 緒論

太陽能熱水器最大的優(yōu)點是節(jié)省能源，使用過電熱或其它能源的熱水器的用戶從前后每月交的能源費中很明顯就能比較出來。有些商家為了促銷，也會把使用太陽能熱水器的費用和使用其它能源熱水器的費用作對比，以便更好地突出太陽能節(jié)省能源的優(yōu)勢。如果太陽能熱水器配置的控制器具有能量積累和顯示功能，在使用一段時間后，用戶很直觀地觀察到節(jié)省能量的數(shù)據(jù)。它也能更好地促進用戶對太陽能熱水器的認知。

在太陽的光照下，太陽能熱水器水箱內(nèi)溫度逐漸升高。這些熱量的獲得并沒有消耗傳統(tǒng)的能源，而是來自于可以不斷再生、永續(xù)利用、取之不盡、用之不竭的太陽能。節(jié)能量即等同于把這部分熱量計算并積累起來。下面就探討幾種節(jié)能計算的方法。

2 節(jié)能計算方法

2.1 水箱溫升法

太陽能熱水器通過太陽能集熱器收集熱量并以熱水形式儲存起來。在沒有其它能源進行加熱的情況確下，水箱內(nèi)升高的熱量即為節(jié)省的能量?？捎伤鋬?nèi)一定容積的水吸熱公式進行計算。計算公式為：

式中：Q—節(jié)能量，kJ；

C水—水的比熱，取值為4.178，kJ/(kg×℃)；

ρ水—水的密度，取值為1，kg/L；

V—水箱容量，L；

△T—溫升，℃。

計算完成后，再將能量Q轉(zhuǎn)化為kWh或MWh，轉(zhuǎn)化關系為：

轉(zhuǎn)化計算完成后實時顯示出來，方便用戶查看。當溫度上升超過1℃時，節(jié)能量重新計算并刷新顯示值。因考慮到其它因素影響到節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計，當開啟電加熱或正在用水時（傳感器檢測到水箱溫度下降即認為正在用水），節(jié)能量停止計算和累加。

該計算方式不增加任何專用處理元件，只增加控制器軟件設計，成本最優(yōu)。缺點是需要確定所計算的容積值與當前水箱是否一致，在一種控制器對應多個容積段水箱時，首先應設置控制器容積參數(shù)與當前水箱相同，否則計算出的節(jié)能量將毫無意義，這需要對現(xiàn)場安裝及調(diào)試人員進行深入培訓，給安裝、調(diào)試帶來不便。其次是開啟電加熱或正在用水時的節(jié)能量未計算在內(nèi)，導致顯示出的節(jié)能量數(shù)值偏低。

2.2 循環(huán)管路換熱法

強制循環(huán)換熱系統(tǒng)原理是通過循環(huán)泵驅(qū)動熱媒將集熱器與水箱間的熱量進行交換。在循環(huán)回水管路上設置一個溫度傳感器，通過檢測集熱器與回水管道熱量差來計算節(jié)能量。運行示意圖如圖1所示：

當集熱器溫度T1高于水箱溫度T2一定值時，循環(huán)泵將自動開啟，集熱器中的熱量通過管路中的熱媒傳到水箱中，回水溫度T3則為換熱后的溫度。T1與T3之間的熱量差異即為水箱得到的熱量，本算法將這部分熱量累加起來做為節(jié)省的能量。計算公式為：

式中：

Q—節(jié)能量，kJ；

T1—集熱器溫度，℃；

T3—回水溫度，℃；

C—比熱，根據(jù)循環(huán)管路中實際的熱媒進行取值，熱媒一般為水、不同濃度的丙二醇或乙二醇，kJ/(kg×℃)；

ρ—密度，根據(jù)循環(huán)管路中實際的熱媒進行取值，kg/L；

V—流量，為泵啟動時管路中的流量，L/min；

t—循環(huán)泵啟動時間，s。

計算完成后，再將能量Q轉(zhuǎn)化為kWh或MWh。轉(zhuǎn)化關系如上所示。當循環(huán)泵啟動后，顯示值1s刷新1次。流量的獲取有2種方法。第一種方法較簡單，不增加采集元器。在系統(tǒng)安裝完畢時，開啟循環(huán)泵P，管路流量計則顯示出此時的流量值，將此流量值輸入控制器預留的設置窗口中，控制器在計算節(jié)能量時，自動調(diào)取輸入的流量值。此方法不增加成本，但精確度不高。第二種方法是增加流量傳感器。實時監(jiān)控循環(huán)管路中的流量值，控制器在計算節(jié)能量時，自動調(diào)用實時檢測的流量值。該方法需增加一個流量計，實時采集流量值，計算出的節(jié)能量較準確。

此種計算方式只增加一個管路傳感器，成本增加小。但該計算方式只用于集熱方式為強制循環(huán)的系統(tǒng)，適用范圍受限制。在調(diào)試初期，需要了解熱媒的比熱容和密度參數(shù)、確定循環(huán)泵開啟時的流量值，并將這些參數(shù)輸入到控制器相關的設置窗口中。增加了現(xiàn)場安裝及調(diào)試人員的工作量，給安裝、調(diào)試帶來不便。

2.3 熱量表計量法

熱量表是計算熱量的儀表，它主要包括三個組成部分：流量計、溫度傳感器和積算儀。工作原理是將一對溫度傳感器分別安裝在通過載熱流體的上行管和下行管上，流量計安裝在流體入口或回流管上，流量計發(fā)出與流量成正比的脈沖信號，一對溫度傳感器給出表示溫度高低的模擬信號，而積算儀采集來自流量和溫度傳感器的信號，利用積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。流量計按結(jié)構和原理不同，可分為機械式、電磁式、超聲波式。熱量表采用的溫度傳感器一般為配對的Pt1000，配對誤差﹤0.1℃。一根有紅色標志，一根有藍色標志。積算儀是采集溫度傳感器所發(fā)出的溫度信號、流量計所發(fā)出的流量信號并進行熱量計算、存儲和顯示的部件。

當前熱量表被廣泛地應用在我國北方地區(qū)冬季供暖上，作為熱量收費的主要依據(jù)。如果改變熱量表溫度和流量傳感器的使用位置，它也可計量太陽能熱水器中節(jié)省的能量。使用原理圖如圖2所示。

圖2中的儲水箱為承壓式，將熱量表中帶紅色標志的溫度傳感器安裝在出熱水管上，將流量計和帶藍色標志的溫度傳感器安裝在進冷水管上。用戶在用水時，放進水箱中冷水的體積與使用的熱水體積相等，熱量差即為太陽能熱水器產(chǎn)生的熱量。計算關系為：

式中：

Q—節(jié)能量，kJ；

Q1—使用的熱水熱量，kJ；

Q2——放進水箱中冷水熱量，kJ。

若儲水箱內(nèi)部帶有電加熱等輔助熱源，計算出的節(jié)能量還要去除消耗掉的電能或燃氣能。該計算方式需要增加專用的熱計量表，成本較貴。優(yōu)點是計量精確度高，安裝、調(diào)試簡單。

3 結(jié)論

在當今石油、煤炭等不可再生能源比較緊缺時代，利用可再生能源成為當今社會的一個重要課題，它逐漸受到各國政府的重視。政府部門為了鼓勵更多的利用可再生能源，相繼出臺了一些強制或獎勵使用的政策。在中國，出臺了民用建筑強制要求安裝太陽能熱水器的規(guī)定；在歐洲部分國家，出臺了安裝太陽能集熱面積達到規(guī)定值就進行政府補貼的政策。隨著使用太陽能熱水器的逐漸增多，人們對于它的了解將會越來越深入。對于太陽能節(jié)能方面，從之前的感性了解到量的認識必然是一個趨勢。如何對太陽能的節(jié)約電量進行統(tǒng)計和提升太陽能節(jié)電量，將成為一個重要的社會課題。