上海地區(qū)太陽能輔助燃?xì)饨M合系統(tǒng)冬季實(shí)驗(yàn)分析

王 志， 蔡穎玲

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

上海地區(qū)太陽能輔助燃?xì)饨M合系統(tǒng)冬季實(shí)驗(yàn)分析

王 志， 蔡穎玲

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

上海地區(qū)冬季典型日完成了單獨(dú)供生活熱水和供生活熱水采暖兩種模式運(yùn)行的太陽能輔助燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以S7-200型PLC為控制系統(tǒng)，以WinCC為數(shù)據(jù)采集軟件平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)采集了系統(tǒng)回路各個(gè)點(diǎn)的水溫、流量以及實(shí)驗(yàn)過程中太陽的輻射強(qiáng)度,并在此基礎(chǔ)上分析了上海地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度、室外溫度以及系統(tǒng)運(yùn)行模式等對(duì)太陽能保證率和燃?xì)庀牧康挠绊憽＝Y(jié)果表明：氣象參數(shù)對(duì)太陽能保證率和燃?xì)庀牧坑酗@著的影響。在天氣晴好的天氣(平均輻射量大于400 W/m2)條件下單獨(dú)供熱模式下太陽能保證率平均為82%；陰到多云(平均輻射量小于250 W/m2)的條件下為54%。在天氣晴好的天氣里在供生活熱水采暖模式下太陽能保證率可以達(dá)到10.3%；陰到多云的條件下只有5.09%。

太陽能； 生活熱水； 采暖； 太陽能保證率； 燃?xì)庀牧?/p>

0 引 言

上海地區(qū)的太陽能年輻射量近年來平均值為4 700 MJ/m2，具有開發(fā)利用太陽能的資源條件，但是太陽能具有間歇性、不穩(wěn)定、能流密度比較低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致了太陽能熱系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。燃?xì)鉅t可非常迅速、方便地為建筑提供熱水，用于生活熱水和采暖，但單獨(dú)采用燃?xì)鉅t采暖供熱將消耗大量的清潔能源，不能達(dá)到節(jié)能的目的[1-4]。本文設(shè)計(jì)了太陽能輔助燃?xì)饨M合系統(tǒng)，并進(jìn)行了冬季典型工況下的實(shí)驗(yàn)，為上海地區(qū)建筑節(jié)能領(lǐng)域提供了有價(jià)值的探索。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(太陽能輔助燃?xì)饨M合系統(tǒng))位于上海松江。本系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、燃?xì)廨o助系統(tǒng)、室內(nèi)用熱水末端系統(tǒng)、控制及運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)4個(gè)核心部分組成，同時(shí)系統(tǒng)還具備防凍、高壓保護(hù)及過熱保護(hù)等功能。系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

根據(jù)上海氣候特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)需要設(shè)計(jì)各部分的性能參數(shù)。各部分組成參數(shù)如表1所示。

圖1 太陽能輔助燃?xì)夤に嚵鞒虉D

設(shè)備型號(hào)參數(shù)及備注集熱器LPCR58×1800內(nèi)徑47mm，外徑58mm，壁厚1．8mm集熱面積為10．44m2燃?xì)鉅tA．O．史密斯B系列生活熱水溫度設(shè)置為60℃，供暖設(shè)置為45℃儲(chǔ)熱裝置承壓水箱放于室內(nèi)，體積為300L控制系統(tǒng)S7?200型PLC及其附件和PC機(jī)S7?200型PLC作為下位機(jī)，西門子WinCC組態(tài)軟件上位機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[5?6]溫度傳感器PT100采用四線制接法以提高誤差精度流量傳感器LWGY15流量<1m3/h循環(huán)水泵SUP25?80SUP25?80有3種工作模式，選用高檔位額定功率為110W

2 冬季實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)行策略

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)要求采用如下運(yùn)行策略。系統(tǒng)中真空管集熱器采集到太陽熱能通過集熱器循環(huán)泵儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，如果儲(chǔ)熱水箱溫度達(dá)到供熱采暖要求，直接供給用熱末端；如果到不到要求，則通過輔助加熱器燃?xì)獗趻鞝t在供給用熱末端。用熱末端包括地暖采暖盤管和熱水末端。

2.2 實(shí)驗(yàn)安排

由于冬季太陽輻射強(qiáng)度弱，日照時(shí)間短。單獨(dú)供生活熱水實(shí)驗(yàn)只模擬晚間家庭用水，以3口之家每人用水50 L(包括洗澡和做晚飯、洗漱等)60 ℃共150 L的熱水設(shè)計(jì)[7-9]，早晨打開集熱器循環(huán)泵和數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，晚上日落時(shí)放出熱水。水溫達(dá)到60 ℃則直接放掉，達(dá)不到60 ℃則通過燃?xì)獗趻鞝t加熱到60 ℃再放掉，之后關(guān)閉系統(tǒng)。第2 d再打開系統(tǒng)開始新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在上海市1月份連續(xù)不間斷，共持續(xù)半個(gè)月。

1～2月中上旬是上海全年最冷時(shí)候，占全年嚴(yán)寒天氣日數(shù)的80%。聯(lián)合供生活熱水采暖實(shí)驗(yàn)在此期間進(jìn)行的。當(dāng)采暖盤管回水溫度大于水箱上部溫度時(shí)直接通過燃?xì)獗趻鞝t循環(huán)供暖；若采暖盤管水溫小于水箱上部溫度時(shí)則供暖循環(huán)通過水箱加熱后再過燃?xì)獗趻鞝t循環(huán)供暖；若燃?xì)鉅t進(jìn)口的水溫度大于45 ℃時(shí)燃?xì)獗趻鞝t自動(dòng)停機(jī)，低于40 ℃時(shí)燃?xì)獗趻鞝t自動(dòng)開機(jī)。使采暖室的溫度達(dá)到20 ℃左右，營(yíng)造舒適溫暖的生活環(huán)境。圖2是供暖前后采暖室白天室內(nèi)溫度變化。在供生活熱水采暖模式下采取24 h不間斷實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在晚間提供1家3口150 L 60 ℃的生活熱水[10-13]。

圖2 采暖實(shí)驗(yàn)前、后實(shí)驗(yàn)室的溫度變化

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)主要目的是探究太陽能保證率與太陽輻射之間的關(guān)系，以指導(dǎo)實(shí)際冬季供生活熱水采暖工程實(shí)施并分析系統(tǒng)本身的運(yùn)行特性。

所謂太陽能保證率f就是系統(tǒng)總負(fù)荷中太陽能所擔(dān)負(fù)的比例。如下式所示：

(1)

式中:QM為系統(tǒng)獲得太陽熱能量，J；QR為燃?xì)馓峁崃浚琂；L為系統(tǒng)總熱負(fù)荷 ，J。

(2)

式中:Tjrc為集熱器出口溫度， ℃；Tjrj為集熱器進(jìn)口溫度， ℃；n為換熱總分鐘數(shù)；c為水的比熱容，4.2 kJ/(kg· ℃)；ρ為水的密度，1.0×103kg/m3；q為集熱環(huán)路的傳熱介質(zhì)(水)流量，m3/min；t為時(shí)間， min。

QR=Vq

(3)

式中:QR為燃?xì)馓峁崃?，J；V為燃?xì)庥昧矿w積，m3；q為燃?xì)鉄嶂担?5.581 MJ/m3[14-17]。

圖3是某一晴好天氣里(平均輻照量大于400 W/m2)的集熱器進(jìn)出口的溫度變化曲線。

3.1 單獨(dú)供生活熱水模式實(shí)驗(yàn)分析

圖4是實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)5 d太陽能輻射強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖5中曲線是這5 d日落時(shí)水箱中水的溫度與太陽能保證率關(guān)系。由于水箱的溫度一直達(dá)不到60 ℃的設(shè)計(jì)溫度所以必須用燃?xì)獗趻鞝t輔助加熱，也說明燃?xì)廨o助加熱的必要性。

從圖4可以看出，5 d里，前3 d的太陽能輻射量曲線呈規(guī)則弧線，輻射量從開始一直增加在中午前后達(dá)到極值后逐漸減少，1 d的太陽平均輻射量在400 W/m2以上，無云層阻擋陽光屬于晴好的天氣，水箱溫度也較高。而后2 d太陽能輻射量曲線呈不規(guī)則鋸齒狀，太陽平均輻射量在250 W/m2以下。時(shí)有云層阻擋陽光屬于陰或多云的天氣，日落時(shí)水箱溫度也較低。實(shí)驗(yàn)表明，太陽能保證率受天氣的影響比較大。晴好時(shí)太陽能保證率平均值82%；而在多云和陰天里太陽能保證率平均值為54%。

圖3 集熱器進(jìn)、出口的溫度變化曲線圖4 太陽輻射強(qiáng)度(供生活熱水實(shí)驗(yàn))

另外，實(shí)驗(yàn)還表明，集熱器的瞬時(shí)換熱量隨瞬時(shí)太陽輻射強(qiáng)度增加而增加。在日出和日落時(shí)，會(huì)出現(xiàn)集熱器進(jìn)口溫度大于出口溫度，換熱量小于零的情況。這是由于在冬季室外氣溫較低，日出和日落的時(shí)候集熱器向外環(huán)境散熱大于其所吸收的熱量。圖6是天氣晴好時(shí)太陽能集熱器的瞬時(shí)換熱量數(shù)據(jù)。

圖5 水箱溫度與太陽能保證率的關(guān)系圖6 集熱器瞬時(shí)換熱量

3.2 聯(lián)合供生活熱水采暖模式

3.2.1 太陽能保證率與太陽輻射的關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)是在上海地區(qū)冬季典型日進(jìn)行的，圖7是實(shí)驗(yàn)中其中5 d的太陽能輻照數(shù)與這5 d太陽能保證率的關(guān)系。在這5 d里前3 d的天氣較好(平均輻照量大于400 W/m2)，后2 d為多云到陰的天氣(平均輻照量小于250 W/m2)。

圖7 太陽能保證率與太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在供生活熱水采暖聯(lián)合模式下天氣晴好的情況下平均太陽能保證率為10.3%；多云到陰的條件下平均太陽能 保證率為5.09%。在供生活熱水采暖模式下太陽能保證率和太陽輻射也有很大的正相關(guān)的關(guān)系。

3.2.2 燃?xì)庀牧颗c室外氣溫的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采暖時(shí)室外日均氣溫越高，燃?xì)獾南牧吭降停鐖D8所示。

圖8 燃?xì)庀牧颗c室外氣溫的關(guān)系

4 結(jié) 語

在上海地區(qū)，完成了太陽能輔助燃?xì)獗趻鞝t冬季一月份供生活熱水采暖實(shí)驗(yàn)，主要得到了以下結(jié)論：

在單一供生活熱水模式下,天氣晴好的天氣(平均輻射量大于400 W/m2)情況下太陽能的保證率平均為82%；在多云到陰的天氣情況(平均輻射量小于250 W/m2)下太陽能保證率平均值為54%。在供生活熱水采暖聯(lián)合模式下天氣晴好的情況下太陽能保證率為10.3%左右；多云到陰的條件下太陽能保證率為5.09%左右。

集熱器的瞬時(shí)換熱量隨太陽輻射強(qiáng)度的增加而增加。

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The Winter Experiment and Analysis of the Solar Assisted Gas Combination System in Shanghai

WANGZhi,CAIYingling

(School of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

The solar assisted gas winter experiments were carried out in a typical winter day in Shanghai, two models of domestic hot water and hot water heating were adopted. The experiment platform applied S7-200 PLC as control system, used WinCC as the data acquisition software. The water temperature, flow rate and the radiation intensity of the solar radiation at different points of the system were collected. On the basis of the data, the influence of solar radiation intensity, outdoor temperature and system operation mode on the solar energy guarantee rate and gas consumption in Shanghai area were studied. The experimental results show that the meteorological parameters have a significant influence on the solar energy guarantee rate and the gas consumption. In fine weather (average radiation amount is more than 400 W/m2) under the heating mode of guaranteed solar rate reached 82%, overcast to cloudy (average radiation dose of less than 250 W/m2) was 54%. In fine weather in the heating mode of guaranteed solar rate could reach 10.3%, in overcast or cloudy conditions only 5.09%.

solar energy; hot water for living； heating; solar guarantee rate; gas consumption

2016-08-01

王 志(1990-)，男，安徽合肥人，碩士生，研究方向?yàn)榭稍偕茉磻?yīng)用與節(jié)能技術(shù)。

Tel.:18201712937; E-mail.:1260301570@qq.com

蔡穎玲(1964-)，女，上海人，博士，副教授，研究方向?yàn)榭稍偕茉磻?yīng)用與節(jié)能技術(shù)。

Tel.:13564358089； E-mail:caiyingling963@126.com

TU 996.7

A

1006-7167(2017)05-0071-03