于鵬（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重。太陽(yáng)能作為一種新型能源，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，具有綠色環(huán)保、輻射總功率大等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。太陽(yáng)能的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低環(huán)境污染的有效方法。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境重視程度提高，太陽(yáng)能集熱裝置發(fā)展迅速，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。太陽(yáng)能集熱裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全無(wú)污染、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)具有太陽(yáng)能集熱裝置認(rèn)證資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)少，相應(yīng)的檢測(cè)方法存在測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，操作難度大，外界環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響無(wú)法控制，數(shù)據(jù)收集不完善，歷史數(shù)據(jù)不容易保存造成數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題[5-7]。針對(duì)上述情況，開(kāi)展太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法的研究，對(duì)不同類型的太陽(yáng)能集熱裝置進(jìn)行性能參數(shù)的檢測(cè)。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法的應(yīng)用需要利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)一體化測(cè)試裝置，該裝置擁有硬件測(cè)量及軟件檢測(cè)功能，主要用于不同規(guī)格的太陽(yáng)能集熱器熱性能專業(yè)測(cè)試，對(duì)被測(cè)產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估[8-9]。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法為太陽(yáng)能集熱器制造廠家提供產(chǎn)品檢測(cè)的新渠道，為檢測(cè)報(bào)告提供數(shù)據(jù)證明[10-11]，對(duì)規(guī)范和發(fā)展太陽(yáng)能集熱裝置市場(chǎng)具有重要意義。

1 太陽(yáng)能集熱測(cè)試概述

1.1 組成及工作原理

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為熱能后傳遞給傳熱介質(zhì)或工質(zhì)，通過(guò)換熱器將熱能傳遞至用戶。常見(jiàn)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要組成為：太陽(yáng)能集熱器、換熱器、循環(huán)泵等，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of solar collection system

1）太陽(yáng)能集熱器：是吸收太陽(yáng)輻射能并到集熱工質(zhì)的裝置，是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。太陽(yáng)能集熱器一般分為平板型集熱器、真空管型集熱器等。

2）換熱器：是在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的裝置，對(duì)于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，即將太陽(yáng)能集熱器集熱工質(zhì)中的熱量傳遞至溫度較低的被加熱介質(zhì)，使被加熱介質(zhì)的溫度達(dá)到滿足向用熱負(fù)荷提供熱能的需求。

3）循環(huán)泵：是將換熱后的低溫集熱工質(zhì)增壓輸送至太陽(yáng)能集熱器的裝置，以增強(qiáng)集熱工質(zhì)的循環(huán)能力，從而提高太陽(yáng)能集熱器的集熱量和換熱量。

1.2 能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 26969—2011《家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》、GB/T 50604—2010《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，能效系數(shù)是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)包括太陽(yáng)能集熱器效率、換熱效率、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)效率、管線及換熱器散熱損失等。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)記錄和測(cè)試數(shù)據(jù)主要包含以下內(nèi)容：太陽(yáng)能集熱器的型號(hào)、數(shù)量和布局方式（串、并聯(lián)）、太陽(yáng)能集熱器采光面上太陽(yáng)輻照度、集熱器總面積、環(huán)境空氣風(fēng)速、環(huán)境空氣溫度、太陽(yáng)能集熱器集熱工質(zhì)進(jìn)、出口溫度、太陽(yáng)能集熱器集熱工質(zhì)體積、質(zhì)量流量、換熱器熱流體測(cè)（高溫集熱工質(zhì)）進(jìn)、出口溫度、換熱器冷流體測(cè)（被加熱工質(zhì)）進(jìn)、出口溫度、換熱器冷流體的體積、質(zhì)量流量。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 The measuring points of solar collection system

2 測(cè)試裝置方案

2.1 測(cè)試裝置組成

太陽(yáng)能集熱測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)系統(tǒng)和一體化測(cè)試裝置兩大部分構(gòu)成。其中，一體化測(cè)試裝置主要包括三個(gè)組成單元：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)及一體化裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)一體化測(cè)試裝置組成結(jié)構(gòu)Fig.3 The composition structure of integration test for solar collection system

2.2 數(shù)據(jù)采集

測(cè)試裝置所需測(cè)試的基礎(chǔ)參數(shù)主要分為三大類：氣象數(shù)據(jù)、工質(zhì)數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)，各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)主要通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試儀器（傳感器等）實(shí)現(xiàn)信息的采集，同時(shí)利用儀表自身的存儲(chǔ)功能或?qū)崟r(shí)無(wú)線傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取、存儲(chǔ)、計(jì)算等功能。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)所需測(cè)試的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫度、大氣壓力、風(fēng)速、太陽(yáng)輻照度，氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The selection criteria of meteorological testing instrument

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)所需測(cè)試的工質(zhì)數(shù)據(jù)包括工質(zhì)溫度、工質(zhì)流量、泵進(jìn)出口壓力、集熱系統(tǒng)的熱量，工質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 工質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The selection criteria of working medium testing instrument

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)所需測(cè)試的幾何參數(shù)為集熱器面積，其規(guī)格型號(hào)和技術(shù)要求待定，準(zhǔn)確度等級(jí)為±0.1%。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸單元主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)系統(tǒng)前端測(cè)試數(shù)據(jù)與終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）最終接收到的測(cè)試數(shù)據(jù)之間的傳輸過(guò)程和功能。測(cè)試儀器采集到的數(shù)據(jù)可直接保存在儀器中，也可采用LoRa方式通過(guò)無(wú)線方式傳輸至服務(wù)器，或通過(guò)Rs485有線方式傳輸至服務(wù)器。正常工作時(shí)，測(cè)試儀根據(jù)設(shè)置好的存儲(chǔ)頻率保存數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。若由于安裝位置限制，數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)無(wú)線方式傳輸時(shí)，可在服務(wù)器靠近測(cè)試儀時(shí)，通過(guò)儀器上的按鍵無(wú)線傳出保存在儀器上的數(shù)據(jù)，也通過(guò)Rs485接口傳出數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收器與終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）有線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、顯示與處理。

3 能效評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試與計(jì)算

3.1 測(cè)試方法

1）太陽(yáng)能集熱器效率及系統(tǒng)效率測(cè)試。集熱器效率測(cè)試應(yīng)保證集熱器處于穩(wěn)態(tài)條件下，其試驗(yàn)周期包括至少12 min的預(yù)備期和至少12 min的穩(wěn)態(tài)測(cè)量期。氣象數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)符合GB/T 50801和GB/T 4271的規(guī)定。

測(cè)試步驟：一是通過(guò)氣象數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)量太陽(yáng)集熱器采光面上的太陽(yáng)輻照度；二是測(cè)量并記錄太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱器總面積；三是利用熱量表直接測(cè)量太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的熱量；或利用流量計(jì)測(cè)量集熱器集熱工質(zhì)的質(zhì)量流量（或通過(guò)所測(cè)量的體積流量和溫度換算得出），利用溫度傳感器測(cè)試集熱器集熱工質(zhì)的進(jìn)、出口溫度，采樣時(shí)間間隔不大于10 s，計(jì)算得到太陽(yáng)能集熱器的熱量。

2）換熱效率測(cè)試。進(jìn)行換熱效率測(cè)試時(shí)，在換熱器冷流體、熱流體的進(jìn)、出口處，利用溫度傳感器測(cè)量并記錄換熱器冷流體、熱流體的進(jìn)、出口溫度。

3）太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)效率測(cè)試。氣象數(shù)據(jù)采集裝置應(yīng)符合GB/T 50801和GB/T 4271的規(guī)定。每日測(cè)試時(shí)間從上午8時(shí)開(kāi)始至達(dá)到所需要的太陽(yáng)輻射量為止，達(dá)到所需要的太陽(yáng)輻射量后，采取停止集熱系統(tǒng)循環(huán)泵等措施，確保系統(tǒng)不在獲取太陽(yáng)的熱量。

測(cè)試步驟：一是通過(guò)氣象數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)量太陽(yáng)集熱器接收的太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和風(fēng)速；二是測(cè)量太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱器總面積；三是在換熱器冷流體、熱流體的進(jìn)、出口處，利用溫度傳感器測(cè)量并記錄換熱器冷流體、熱流體的進(jìn)出口溫度；四是在集熱工質(zhì)循環(huán)泵的進(jìn)、出口處測(cè)量循環(huán)泵的進(jìn)、出口壓力，計(jì)算得到循環(huán)泵的能耗；五是利用流量計(jì)測(cè)量換熱器冷流體的質(zhì)量流量，或通過(guò)所測(cè)量的體積流量和溫度換算得出。

4）管線散熱損失測(cè)試。管線及換熱器散熱損失測(cè)試包括各臺(tái)集熱器進(jìn)、出水管線損失及換熱器進(jìn)、出水總管線散熱損失。包括各臺(tái)集熱器進(jìn)水管線散熱損失：利用溫度傳感器測(cè)量換熱器出水管線并聯(lián)分支點(diǎn)溫度和集熱器進(jìn)口處集熱工質(zhì)溫度；各臺(tái)集熱器出水管線散熱損失：利用溫度傳感器測(cè)量集熱器出口處集熱工質(zhì)和各集熱器出水管線交匯點(diǎn)溫度；換熱器進(jìn)水總管線散熱損失：利用溫度傳感器測(cè)量換熱器進(jìn)水管線并聯(lián)交匯點(diǎn)溫度和換熱器熱流體進(jìn)口溫度；換熱器出水總管線散熱損失：利用溫度傳感器測(cè)量換熱器熱流體出口溫度和換熱器出水管線并聯(lián)分支點(diǎn)溫度。

3.2 能效評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

1）太陽(yáng)能集熱器效率。測(cè)試時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)能集熱器的熱量與該時(shí)間段內(nèi)集熱器所接收到的太陽(yáng)總輻照量的比值，以%表示。

2）太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)效率。測(cè)試時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)太陽(yáng)能集熱器的熱量之和與該時(shí)間段內(nèi)各個(gè)集熱器所接收到的太陽(yáng)總輻照量之和的比值，以%表示。

3）換熱效率。換熱效率表明換熱器的換熱充分性。某一時(shí)刻冷流體進(jìn)出溫差與熱流體進(jìn)出溫差中的較大值與熱流體進(jìn)口溫度、冷流體入口溫度之差的比值為換熱效率。在一段測(cè)試時(shí)間內(nèi)的換熱效率為各個(gè)測(cè)點(diǎn)換熱效率的代數(shù)平均數(shù)。

4）太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)效率。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)效率為測(cè)試時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)凈輸出熱量、循環(huán)泵用能之差與該時(shí)間段內(nèi)集熱器所接收到的太陽(yáng)總輻照量的比值，%。

5）管線及換熱器散熱損失。集熱器進(jìn)水管線、出水管線、換熱器熱流體進(jìn)水總管、出水總管均有散熱損失，各項(xiàng)損失計(jì)算公式為：

式中：QCILi第i臺(tái)集熱器從換熱器出水管線并聯(lián)分支點(diǎn)到集熱器進(jìn)水口之間管線的散熱損失，即每臺(tái)集熱器進(jìn)水管線散熱損失，MJ；mCij第i臺(tái)集熱器第j次記錄的集熱器內(nèi)工質(zhì)平均流量，m3/s；ρW集熱工質(zhì)的密度，kg/m3；cPW集熱工質(zhì)的比熱容，J/(kg·℃)；tELOj第j次記錄的換熱器出水管線并聯(lián)分支點(diǎn)溫度，℃；tCIij第i臺(tái)集熱器第j次記錄的集熱器進(jìn)口處集熱工質(zhì)的溫度，℃；ΔTij第i臺(tái)集熱器第j次記錄與第j+1次記錄的時(shí)間間隔，不應(yīng)大于600 s，s；tCOij第i臺(tái)集熱器第j次記錄的集熱器出口處集熱工質(zhì)的溫度，℃；tCOLij第i臺(tái)集熱器第j次記錄的集熱器出口至各集熱器出水管線交匯點(diǎn)前的液體溫度，℃；tELIj第j次記錄的換熱器進(jìn)水管線并聯(lián)交匯點(diǎn)溫度，℃；tEIj第j次記錄的換熱器熱流體進(jìn)口溫度，℃；ΔTj進(jìn)行系統(tǒng)效率測(cè)試時(shí)，每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間差，s；tEOj第j次記錄的換熱器熱流體出口溫度，℃；tELOj第j次記錄的換熱器出水管線并聯(lián)分支點(diǎn)溫度，℃。

6）循環(huán)泵機(jī)組效率。循環(huán)泵機(jī)組效率的計(jì)算按GB/T 7021—2019《離心泵名詞術(shù)語(yǔ)》的規(guī)定執(zhí)行。

3.3 能效系數(shù)計(jì)算

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)能效等級(jí)的評(píng)定主要依據(jù)是GB 26969—2011《家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》，能效系數(shù)是重要的評(píng)定參數(shù)。利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，能效系數(shù)公式計(jì)算為：

式中：CTP為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)能效等級(jí)；QS(e)為單位輪廓采光面積日有用的熱量，MJ/m2；QS(m)為日有用的熱量最小值，MJ/m2；α權(quán)重系數(shù)，取0.9；USL(e)為平均熱損因數(shù)，W/(m3·K)；USL(M)為最大平均熱損因數(shù)，W/(m3·K)。

依據(jù)能效等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，被測(cè)試太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的能效等級(jí)為一級(jí)。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法可以有效的對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法的研究可以針對(duì)不同類型的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行能效測(cè)試，解決當(dāng)前太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)少、操作復(fù)雜、不能滿足實(shí)際需求等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種太陽(yáng)能集熱裝置的能效進(jìn)行自動(dòng)化的測(cè)試與分析。測(cè)試時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試對(duì)象的實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理得到檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)對(duì)測(cè)試情況進(jìn)行匯總、分析，使測(cè)試過(guò)程操作更加智能化，測(cè)試結(jié)果更加精準(zhǔn)，有效減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的工作量。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)測(cè)試方法可有效分析評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能，對(duì)太陽(yáng)能集熱裝置市場(chǎng)的規(guī)范和發(fā)展具有重要意義，可以廣泛推廣使用。