太陽(yáng)能熱水器節(jié)約能量的計(jì)算方法研究

閆葦 渠榮華 南少波

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

0 引言

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

1 緒論

太陽(yáng)能熱水器最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省能源，使用過(guò)電熱或其它能源的熱水器的用戶從前后每月交的能源費(fèi)中很明顯就能比較出來(lái)。有些商家為了促銷，也會(huì)把使用太陽(yáng)能熱水器的費(fèi)用和使用其它能源熱水器的費(fèi)用作對(duì)比，以便更好地突出太陽(yáng)能節(jié)省能源的優(yōu)勢(shì)。如果太陽(yáng)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(shí)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(jìn)用戶對(duì)太陽(yáng)能熱水器的認(rèn)知。

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

2 節(jié)能計(jì)算方法

2.1 水箱溫升法

太陽(yáng)能熱水器通過(guò)太陽(yáng)能集熱器收集熱量并以熱水形式儲(chǔ)存起來(lái)。在沒(méi)有其它能源進(jìn)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。可由水箱內(nèi)一定容積的水吸熱公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)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(jì)算完成后，再將能量Q轉(zhuǎn)化為kWh或MWh，轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

轉(zhuǎn)化計(jì)算完成后實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，方便用戶查看。當(dāng)溫度上升超過(guò)1℃時(shí)，節(jié)能量重新計(jì)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(jì)，當(dāng)開啟電加熱或正在用水時(shí)（傳感器檢測(cè)到水箱溫度下降即認(rèn)為正在用水），節(jié)能量停止計(jì)算和累加。

該計(jì)算方式不增加任何專用處理元件，只增加控制器軟件設(shè)計(jì)，成本最優(yōu)。缺點(diǎn)是需要確定所計(jì)算的容積值與當(dāng)前水箱是否一致，在一種控制器對(duì)應(yīng)多個(gè)容積段水箱時(shí)，首先應(yīng)設(shè)置控制器容積參數(shù)與當(dāng)前水箱相同，否則計(jì)算出的節(jié)能量將毫無(wú)意義，這需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試人員進(jìn)行深入培訓(xùn)，給安裝、調(diào)試帶來(lái)不便。其次是開啟電加熱或正在用水時(shí)的節(jié)能量未計(jì)算在內(nèi)，導(dǎo)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(qiáng)制循環(huán)換熱系統(tǒng)原理是通過(guò)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)熱媒將集熱器與水箱間的熱量進(jìn)行交換。在循環(huán)回水管路上設(shè)置一個(gè)溫度傳感器，通過(guò)檢測(cè)集熱器與回水管道熱量差來(lái)計(jì)算節(jié)能量。運(yùn)行示意圖如圖1所示：

當(dāng)集熱器溫度T1高于水箱溫度T2一定值時(shí)，循環(huán)泵將自動(dòng)開啟，集熱器中的熱量通過(guò)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(lái)做為節(jié)省的能量。計(jì)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(shí)際的熱媒進(jìn)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(shí)際的熱媒進(jìn)行取值，kg/L；

V—流量，為泵啟動(dòng)時(shí)管路中的流量，L/min；

t—循環(huán)泵啟動(dòng)時(shí)間，s。

計(jì)算完成后，再將能量Q轉(zhuǎn)化為kWh或MWh。轉(zhuǎn)化關(guān)系如上所示。當(dāng)循環(huán)泵啟動(dòng)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(jiǎn)單，不增加采集元器。在系統(tǒng)安裝完畢時(shí)，開啟循環(huán)泵P，管路流量計(jì)則顯示出此時(shí)的流量值，將此流量值輸入控制器預(yù)留的設(shè)置窗口中，控制器在計(jì)算節(jié)能量時(shí)，自動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)控循環(huán)管路中的流量值，控制器在計(jì)算節(jié)能量時(shí)，自動(dòng)調(diào)用實(shí)時(shí)檢測(cè)的流量值。該方法需增加一個(gè)流量計(jì)，實(shí)時(shí)采集流量值，計(jì)算出的節(jié)能量較準(zhǔn)確。

此種計(jì)算方式只增加一個(gè)管路傳感器，成本增加小。但該計(jì)算方式只用于集熱方式為強(qiáng)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(shí)的流量值，并將這些參數(shù)輸入到控制器相關(guān)的設(shè)置窗口中。增加了現(xiàn)場(chǎng)安裝及調(diào)試人員的工作量，給安裝、調(diào)試帶來(lái)不便。

2.3 熱量表計(jì)量法

熱量表是計(jì)算熱量的儀表，它主要包括三個(gè)組成部分：流量計(jì)、溫度傳感器和積算儀。工作原理是將一對(duì)溫度傳感器分別安裝在通過(guò)載熱流體的上行管和下行管上，流量計(jì)安裝在流體入口或回流管上，流量計(jì)發(fā)出與流量成正比的脈沖信號(hào)，一對(duì)溫度傳感器給出表示溫度高低的模擬信號(hào)，而積算儀采集來(lái)自流量和溫度傳感器的信號(hào)，利用積算公式算出熱交換系統(tǒng)獲得的熱量。流量計(jì)按結(jié)構(gòu)和原理不同，可分為機(jī)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(duì)的Pt1000，配對(duì)誤差﹤0.1℃。一根有紅色標(biāo)志，一根有藍(lán)色標(biāo)志。積算儀是采集溫度傳感器所發(fā)出的溫度信號(hào)、流量計(jì)所發(fā)出的流量信號(hào)并進(jìn)行熱量計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示的部件。

當(dāng)前熱量表被廣泛地應(yīng)用在我國(guó)北方地區(qū)冬季供暖上，作為熱量收費(fèi)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(jì)量太陽(yáng)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(chǔ)水箱為承壓式，將熱量表中帶紅色標(biāo)志的溫度傳感器安裝在出熱水管上，將流量計(jì)和帶藍(lán)色標(biāo)志的溫度傳感器安裝在進(jìn)冷水管上。用戶在用水時(shí)，放進(jìn)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(yáng)能熱水器產(chǎn)生的熱量。計(jì)算關(guān)系為：

式中：

Q—節(jié)能量，kJ；

Q1—使用的熱水熱量，kJ；

Q2——放進(jìn)水箱中冷水熱量，kJ。

若儲(chǔ)水箱內(nèi)部帶有電加熱等輔助熱源，計(jì)算出的節(jié)能量還要去除消耗掉的電能或燃?xì)饽堋Ｔ撚?jì)算方式需要增加專用的熱計(jì)量表，成本較貴。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量精確度高，安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單。

3 結(jié)論

在當(dāng)今石油、煤炭等不可再生能源比較緊缺時(shí)代，利用可再生能源成為當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)重要課題，它逐漸受到各國(guó)政府的重視。政府部門為了鼓勵(lì)更多的利用可再生能源，相繼出臺(tái)了一些強(qiáng)制或獎(jiǎng)勵(lì)使用的政策。在中國(guó)，出臺(tái)了民用建筑強(qiáng)制要求安裝太陽(yáng)能熱水器的規(guī)定；在歐洲部分國(guó)家，出臺(tái)了安裝太陽(yáng)能集熱面積達(dá)到規(guī)定值就進(jìn)行政府補(bǔ)貼的政策。隨著使用太陽(yáng)能熱水器的逐漸增多，人們對(duì)于它的了解將會(huì)越來(lái)越深入。對(duì)于太陽(yáng)能節(jié)能方面，從之前的感性了解到量的認(rèn)識(shí)必然是一個(gè)趨勢(shì)。如何對(duì)太陽(yáng)能的節(jié)約電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和提升太陽(yáng)能節(jié)電量，將成為一個(gè)重要的社會(huì)課題。