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(guān)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(dǎo)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(diǎn)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(fèi)中很明顯就能比較出來。有些商家為了促銷，也會(huì)把使用太陽能熱水器的費(fèi)用和使用其它能源熱水器的費(fèi)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(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)用戶對太陽能熱水器的認(rèn)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(jì)算并積累起來。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

太陽能熱水器通過太陽能集熱器收集熱量并以熱水形式儲(chǔ)存起來。在沒有其它能源進(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?？捎伤鋬?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，方便用戶查看。當(dāng)溫度上升超過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)能量將毫無意義，這需要對現(xiàn)場安裝及調(diào)試人員進(jìn)行深入培訓(xùn)，給安裝、調(diào)試帶來不便。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，通過檢測集熱器與回水管道熱量差來計(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(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(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(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，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(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的Pt1000，配對誤差﹤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、流量計(jì)所發(fā)出的流量信號并進(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?。該?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，出臺(tái)了民用建筑強(qiáng)制要求安裝太陽能熱水器的規(guī)定；在歐洲部分國家，出臺(tái)了安裝太陽能集熱面積達(dá)到規(guī)定值就進(jìn)行政府補(bǔ)貼的政策。隨著使用太陽能熱水器的逐漸增多，人們對于它的了解將會(huì)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(rèn)識必然是一個(gè)趨勢。如何對太陽能的節(jié)約電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和提升太陽能節(jié)電量，將成為一個(gè)重要的社會(huì)課題。