太阳热水系统热性能试验系统设计

依据国际和国家标准，对太阳热水系统热性能实验系统进行了设计，经运行调试，该系统的温度波动控制达到了±０．２℃的准确度，流量波动控制达到了标准要求。该试验系统的建成填补了国内空白，为我国太阳热水系统行业的良性发展提供了硬件方面的保证。

近年来随着人民生活水平的不断提高，对生活热水需求的日益增长，促进了太阳热水工业的迅速发展，太阳热水系统已成为我国太阳能热利用技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。但是太阳热水系统生产厂家参差不齐，如不加以重视和解决，必将严重影响行业的发展和太阳热水器的进一步普及推广。同时，太阳热水系统与建筑一体化对太阳热水器的性能提出了更高的要求。因此在原国家经贸委／全球环境基金（ＧＥＦ）支持的“加速中国可再生能源商业化能力建设项目”中，将建立具有权威性、公正性、科学性的国家级太阳热水器质量检验中心列为该项目的子项之一。中国建筑科学研究院有幸中标成为国家级太阳热水器质量检验中心的筹建单位之一，由空调所承担该试验系统的设计和承建任务。

一．设计依据

设计主要依据ＩＳＯ ９４５９－２:１９９５(Ｅ) 《Ｓｏｌａｒ ｈｅａｔｉｎｇ－Ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ—Ｐａｒｔ２Ｏｕｔｄｏｏｒ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｙｅａｒｌｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ－ｏｎｌｙ ｓｙｓｔｅｍｓ》、ＧＢ/Ｔ１８７０８－２００２《家用太阳热水系统热性能试验方法》和ＧＢ/Ｔ １２９１５－１９９１《家用太阳热水器热性能试验方法》。

二．设计思想

依据不同的标准进行试验，需要使用不同的实验设备，因此在进行试验系统设计时，试验系统设备的配置和系统管道的连接应该能够同时满足不同标准的试验要求。因此，根据试验需要，在设计时，我们将整个试验系统分为三个环路来考虑，即供水（回水）环路，混水环路和冷却水环路。

１．供水（回水）环路

该环路主要由循环水泵、回水泵、供水水箱、回水水箱、板式换热器、一级电加热器、二级电加热器、电磁阀、流量控制阀和流量、温度传感器等设备组成。该环路为开式系统，主要功能是给太阳热水系统提供一定温度的水。在这个环路中，根据测量控制的参数不同，又可以分为温度测量控制系统和流量测量控制系统。

水温波动控制设计目标是将水温波动控制在设定温度值±０．２℃的范围内。在系统设计上，我们采用了三级控制来达到这个目标。据此，我们采取了三级控制，即第一级：通过启动风冷机组以及调节板式换热器二次侧三通电磁阀的开度来调节风冷冷水机组的供冷量，将循环供水箱内的供水水温波动控制在设定温度值±１℃的范围内；第二级：通过ＰＩＤ参数调节可控硅调控器，控制一次电加热器的加热投入量，将供水干管水温波动控制在设定温度值±０．５℃的范围内；第三级：通过ＰＩＤ参数调节可控硅调控器，控制二次电加热器的加热投入量将贮热水箱入口温度波动控制在设定温度值±０．２℃的范围内。系统中使用的温度计经中国计量科学研究院标定，测量的准确度为±０．０５℃（测量范围０～１００℃）。因此为保证贮热水箱的内水温要求，在系统设计上从二次电加热器到进口温度计处管段上阀门、三通、弯头等管件尽可能的少，管段尽可能的短。

太阳热水系统热性能试验系统的８个测试单元的流量测量控制是相互独立的。无论是国家标准还是国际标准对于流量的测量和控制都提出了很高的要求。标准要求液体流量测量准确度大于或者等于±１．０％，标准要求流量控制在４００Ｌ/ｈ～６００Ｌ/ｈ之间，流量波动为设定值的±５０Ｌ/ｈ范围。由于参与测试的单元数量是变化的，所以整个系统的总供水量是变化的。本试验系统的流量变化通过调节水泵的变频器实现。要控制流量波动，需要精确的计量流量，同时由于温度波动控制的要求，流量计工作所需的直管段尽可能的短。因此，经过比较，我们选用电磁流量计作为流量的计量装置，电磁流量计的工作原理是通过导电流体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电动势，将感应出的电压转换成统一的输出信号来计量流量，而传感器输出信号是与平均流速成精确线性关系的电动势，测量精度较高。本试验系统使用的流量计经中国计量科学研究院标定，达到了标准要求。通过调节，系统流量波动达到了标准要求。

２．混水环路

该环路主要由混水泵、电磁阀等设备组成，该环路为开式系统，主要功能是通过混水泵循环使得太阳热水系统贮热水箱中的水温均匀一致。所选用的混水泵为直流电源塑料泵，流量为４２０Ｌ/ｈ，功率为１０Ｗ，在试验时间内水泵引起的温升很小，保证了试验精度。由于不同厂家的太阳热水系统的规格不同，该环路的管路长度可以根据太阳热水系统的大小进行调整。

３．冷却水环路

设置这个环路的目的是实现供水水温的一级控制重复利用试验中使用的水，此环路为闭式系统，环路主要由风冷冷水机组、水泵、板式换热器、电动三通阀等组成，通过板式换热器将冷量传递给供水环路，在试验开始时，由电动三通阀调节通过板式换热器的冷却水流量，实现对供水水温的一级控制；在试验结束时，使供水水温降到合适的温度，以备第二天实验重复使用。

４．数据采集与自动控制系统

根据标准要求，需对温度和流量进行测量控制，同时需要测量环境参数、环境温度和环境风速。数据采集、自动控制系统和数据采集模块，实现了显示控制及数据记录功能，数据采集和自动控制达到了标准要求。

总结该试验系统的设计、调试和运行，得出以下的体会：

１．试验系统实现了水资源的重复利用，节约了水资源；

２．为适应太阳热水系统的规格不同，系统管路长度可以改变。

目前，中国建筑科学研究院空调所（国家空调设备质量监督检验中心）已经建成太阳热水系统热性能试验系统，并已投入使用，该检测室已通过国家实验室认可委员会（ＣＮＡＬ）认可，已对外开展检测服务。该试验系统的建成使用为我国太阳热水系统的良性发展提供了硬件方面的保证。

From：中国新能源网