首 页   关 于   联系我们

实验室研究与探索  2017 , 36 (5): 71-73

仪器设备研制与开发

上海地区太阳能辅助燃气组合系统冬季实验分析

王志, 蔡颖玲

上海工程技术大学 机械工程学院, 上海 201620

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

WANG Zhi, CAI Yingling

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

中图分类号:  TU996.7

文献标识码:  A

文章编号:  1006-7167(2017)05-0071-03

通讯作者:  通信作者:蔡颖玲(1964-),女,上海人,博士,副教授,研究方向为可再生能源应用与节能技术。Tel.:13564358089; E-mail:caiyingling963@126.com

收稿日期: 2016-08-1

网络出版日期:  2017-05-20

版权声明:  2017 《实验室研究与探索》编辑部 《实验室研究与探索》编辑部 所有

作者简介:

作者简介:王 志(1990-),男,安徽合肥人,硕士生,研究方向为可再生能源应用与节能技术。Tel.:18201712937; E-mail.:1260301570@qq.com

展开

摘要

上海地区冬季典型日完成了单独供生活热水和供生活热水采暖两种模式运行的太阳能辅助燃气实验。实验平台以S7-200型PLC为控制系统,以WinCC为数据采集软件平台。实验采集了系统回路各个点的水温、流量以及实验过程中太阳的辐射强度,并在此基础上分析了上海地区太阳辐射强度、室外温度以及系统运行模式等对太阳能保证率和燃气消耗量的影响。结果表明:气象参数对太阳能保证率和燃气消耗量有显著的影响。在天气晴好的天气(平均辐射量大于400 W/m2)条件下单独供热模式下太阳能保证率平均为82%;阴到多云(平均辐射量小于250 W/m2)的条件下为54%。在天气晴好的天气里在供生活热水采暖模式下太阳能保证率可以达到10.3%;阴到多云的条件下只有5.09%。

关键词： 太阳能 ; 生活热水 ; 采暖 ; 太阳能保证率 ; 燃气消耗量

Abstract

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%.

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

0

PDF (1842KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

王志, 蔡颖玲. 上海地区太阳能辅助燃气组合系统冬季实验分析[J]. , 2017, 36(5): 71-73 https://doi.org/

WANG Zhi, CAI Yingling. The Winter Experiment and Analysis of the Solar Assisted Gas Combination System in Shanghai[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(5): 71-73 https://doi.org/

0 引 言

上海地区的太阳能年辐射量近年来平均值为4 700 MJ/m2,具有开发利用太阳能的资源条件,但是太阳能具有间歇性、不稳定、能流密度比较低等缺点,导致了太阳能热系统的不稳定性。燃气炉可非常迅速、方便地为建筑提供热水,用于生活热水和采暖,但单独采用燃气炉采暖供热将消耗大量的清洁能源,不能达到节能的目的[1-4]。本文设计了太阳能辅助燃气组合系统,并进行了冬季典型工况下的实验,为上海地区建筑节能领域提供了有价值的探索。

1 实验平台

本实验平台(太阳能辅助燃气组合系统)位于上海松江。本系统主要由太阳能集热系统、燃气辅助系统、室内用热水末端系统、控制及运行监测系统4个核心部分组成,同时系统还具备防冻、高压保护及过热保护等功能。系统工艺流程如图1所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   太阳能辅助燃气工艺流程图

   

根据上海气候特点和实验需要设计各部分的性能参数。各部分组成参数如表1所示。

表1   实验平台各部分组成

   

设备型号参数及备注
集热器LPCR58
×1800		内径 47 mm,外径 58 mm,壁厚 1.8 mm集热面积为10.44 m2
燃气炉A.O.史密斯B系列生活热水温度设置为60 ℃,供暖设置为45 ℃
储热装置承压水箱放于室内,体积为300 L
控制系统S7-200型PLC及其附件和PC机S7-200型PLC作为下位机,西门子Win CC组态软件上位机,检测系统的运行状态[5-6]
温度传感器PT100采用四线制接法以提高误差精度
流量传感器LWGY15流量<1 m3/h
循环水泵SUP 25-80SUP 25-80有3种工作模式,选用高档位额定功率为110 W

新窗口打开

2 冬季实验方案设计

2.1 运行策略

根据实验平台的特点和实验要求采用如下运行策略。系统中真空管集热器采集到太阳热能通过集热器循环泵储存在储热水箱中,如果储热水箱温度达到供热采暖要求,直接供给用热末端;如果到不到要求,则通过辅助加热器燃气壁挂炉在供给用热末端。用热末端包括地暖采暖盘管和热水末端。

2.2 实验安排

由于冬季太阳辐射强度弱,日照时间短。单独供生活热水实验只模拟晚间家庭用水,以3口之家每人用水50 L(包括洗澡和做晚饭、洗漱等)60 ℃共150 L的热水设计[7-9],早晨打开集热器循环泵和数据采集和监控系统,晚上日落时放出热水。水温达到60 ℃则直接放掉,达不到60 ℃则通过燃气壁挂炉加热到60 ℃再放掉,之后关闭系统。第2 d再打开系统开始新实验。实验在上海市1月份连续不间断,共持续半个月。

1~2月中上旬是上海全年最冷时候,占全年严寒天气日数的80%。联合供生活热水采暖实验在此期间进行的。当采暖盘管回水温度大于水箱上部温度时直接通过燃气壁挂炉循环供暖;若采暖盘管水温小于水箱上部温度时则供暖循环通过水箱加热后再过燃气壁挂炉循环供暖;若燃气炉进口的水温度大于45 ℃时燃气壁挂炉自动停机,低于40 ℃时燃气壁挂炉自动开机。使采暖室的温度达到20 ℃左右,营造舒适温暖的生活环境。图2是供暖前后采暖室白天室内温度变化。在供生活热水采暖模式下采取24 h不间断实验。同时在晚间提供1家3口150 L 60 ℃的生活热水[10-13]。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   采暖实验前、后实验室的温度变化

   

3 实验结果与分析

本实验主要目的是探究太阳能保证率与太阳辐射之间的关系,以指导实际冬季供生活热水采暖工程实施并分析系统本身的运行特性。

所谓太阳能保证率f就是系统总负荷中太阳能所担负的比例。如下式所示:

f=QML=QMQM+QR1

式中:QM为系统获得太阳热能量,J;QR为燃气提供热量,J;L为系统总热负荷 ,J。

式中:Tjrc为集热器出口温度, ℃;Tjrj为集热器进口温度, ℃;n为换热总分钟数;c为水的比热容,4.2 kJ/(kg· ℃);ρ为水的密度,1.0×103kg/m3;q为集热环路的传热介质(水)流量,m3/min;t为时间, min。

QR=Vq3

式中:QR为燃气提供热量,J;V为燃气用量体积,m3;q为燃气热值,35.581 MJ/m3[14-17]。

图3是某一晴好天气里(平均辐照量大于400 W/m2)的集热器进出口的温度变化曲线。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   集热器进、出口的温度变化曲线

   

3.1 单独供生活热水模式实验分析

图4是实验过程中连续5 d太阳能辐射强度实验数据。图5中曲线是这5 d日落时水箱中水的温度与太阳能保证率关系。由于水箱的温度一直达不到60 ℃的设计温度所以必须用燃气壁挂炉辅助加热,也说明燃气辅助加热的必要性。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   太阳辐射强度(供生活热水实验)

   

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   水箱温度与太阳能保证率的关系

   

从图4可以看出,5 d里,前3 d的太阳能辐射量曲线呈规则弧线,辐射量从开始一直增加在中午前后达到极值后逐渐减少,1 d的太阳平均辐射量在400 W/m2以上,无云层阻挡阳光属于晴好的天气,水箱温度也较高。而后2 d太阳能辐射量曲线呈不规则锯齿状,太阳平均辐射量在250 W/m2以下。时有云层阻挡阳光属于阴或多云的天气,日落时水箱温度也较低。实验表明,太阳能保证率受天气的影响比较大。晴好时太阳能保证率平均值82%;而在多云和阴天里太阳能保证率平均值为54%。

另外,实验还表明,集热器的瞬时换热量随瞬时太阳辐射强度增加而增加。在日出和日落时,会出现集热器进口温度大于出口温度,换热量小于零的情况。这是由于在冬季室外气温较低,日出和日落的时候集热器向外环境散热大于其所吸收的热量。图6是天气晴好时太阳能集热器的瞬时换热量数据。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   集热器瞬时换热量

   

3.2 联合供生活热水采暖模式

3.2.1 太阳能保证率与太阳辐射的关系

本实验是在上海地区冬季典型日进行的,图7是实验中其中5 d的太阳能辐照数与这5 d太阳能保证率的关系。在这5 d里前3 d的天气较好(平均辐照量大于400 W/m2),后2 d为多云到阴的天气(平均辐照量小于250 W/m2)。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   太阳能保证率与太阳辐射强度的关系

   

实验结果表明,在供生活热水采暖联合模式下天气晴好的情况下平均太阳能保证率为10.3%;多云到阴的条件下平均太阳能 保证率为5.09%。在供生活热水采暖模式下太阳能保证率和太阳辐射也有很大的正相关的关系。

3.2.2 燃气消耗量与室外气温的关系

实验结果表明,采暖时室外日均气温越高,燃气的消耗量越低,如图8所示。

显示原图| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   燃气消耗量与室外气温的关系

   

4 结 语

在上海地区,完成了太阳能辅助燃气壁挂炉冬季一月份供生活热水采暖实验,主要得到了以下结论:

在单一供生活热水模式下,天气晴好的天气(平均辐射量大于400 W/m2)情况下太阳能的保证率平均为82%;在多云到阴的天气情况(平均辐射量小于250 W/m2)下太阳能保证率平均值为54%。在供生活热水采暖联合模式下天气晴好的情况下太阳能保证率为10.3%左右;多云到阴的条件下太阳能保证率为5.09%左右。

集热器的瞬时换热量随太阳辐射强度的增加而增加。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

[1] 陈艳,成金华.

我国能源政策问题研究综述

[J]. 中国能源,2006(10):24-27.

DOI:10.3969/j.issn.1003-2355.2006.10.009      URL      [本文引用: 1]      摘要

能源战略问题一直是世界各国普遍关注的重要问题。制定合理的能源政策是实施能源战略管理的重要环节。本文对目前我国在能源节约、能源供应、能源结构优化、能源体制改革和能源国际战略等五个方面的能源政策做了详细综述。
[2] 赵玉文.

我国太阳能利用技术的发展概况和趋势[R]

.北京:北京太阳能研究所,2006.

[3] 任东明,张正敏.

论中国可再生能源发展的主要问题以及新机制的建立

[J]. 可再生能源,2003(4):1-5.

DOI:10.3969/j.issn.1671-5292.2003.04.001      URL      摘要

中国可再生能源发展面临多种问题,推动可再生能源立法是解决这些问题的基础;其次,还应在立 法的基础上进行可再生能源发展机制的创新.由于中国发展可再生能源要实现多种目标,因此不能依靠单一手段解决所有的问题.中国可再生能源发展的新机制应该 是多种机制共同起作用的系统.
[4] 倪维斗.

我国的能源现状与战略对策

[J]. 山西能源与节能,2008(2):1-5.

DOI:10.3969/j.issn.2095-0802.2008.02.001      URL      [本文引用: 1]      摘要

分析了我国的能源现状及利用能源所面临的5个问题,即总量需求的巨大压力、流体燃料短缺、环境污染严重、温室气体排放和8亿农民以及城镇化所需能源的供应,以全新的角度,提出解决我国能源的办法——"节能为本","节能就是能源",并指出如何利用能源煤炭和加速发展核能以及因地、因用开发利用可再生能源。
[5] 刘寅.

远程数据采集系统体系结构研究

[D].长沙:中南大学,2005 .

[本文引用: 1]     

[6] Fu lvio Ardente, Giorgio Beccali, Maurizio Cellura, et al.

Life cycle assessment of a solar thermal collector

[J]. Renewable Energy, 2005, 30: 1031-1054.

DOI:10.1016/j.renene.2004.09.009      URL      [本文引用: 1]      摘要

The renewable energy sources are often presented as ‘clean’ sources, not considering the environmental impacts related to their manufacture. The production of the renewable plants, like every production process, entails a consumption of energy and raw materials as well as the release of pollutants. Furthermore, the impacts related to some life cycle phases (as maintenance or installation) are sometimes neglected or not adequately investigated. The energy and the environmental performances of one of the most common renewable technologies have been studied: the solar thermal collector for sanitary warm water demand. A life cycle assessment (LCA) has been performed following the international standards of series ISO 14040. The aim is to trace the product's eco-profile that synthesises the main energy and environmental impacts related to the whole product's life cycle. The following phases have been investigated: production and deliver of energy and raw materials, production process, installation, maintenance, disposal and transports occurring during each step. The analysis is carried out on the basis of data directly collected in an Italian factory.
[7] Onut S Soner.

Energy efficiency assessmentfor the antalya region hotels in turkey

[J]. Energy and Buildings, 2006,38(8):964-971.

DOI:10.1016/j.enbuild.2005.11.006      URL      [本文引用: 1]      摘要

The hotels in the Antalya Region of Turkey have become a major consumer of energy, water and other resources. However, at present, there are no existing guidelines for the efficient use and management of these resources. Energy management includes increasing in profitability due to the reduced operational costs and it is also a potential for improved market share. Many different evaluation models have been published in energy management literature. However there have been not so many systematic approaches to compare the relative efficiency of the systems. Data envelopment analysis is a special linear programming model for deriving the comparative efficiency of multiple-input multiple-output decision-making units. An evaluation of energy efficiency in 32 five-star hotels in the Antalya Region has been carried out and the results are discussed in this paper. According to this study eight hotels are efficient and twenty-four hotels are inefficient. Also for these 24 inefficient hotels, ideal energy consumptions (electricity, water and liquefied petroleum gas consumptions) are proposed to become efficient these hotels. In this study data envelopment analysis models are evaluated by using a linear programming package LINGO 5.0.
[8] Corgnati S P, Corrado V, Filippi M.

Amethod for heating consumption assessment in existing buildings

[J]. A Field Survey Concerning 120 Italian Schools,2008, 40(5):801-809.

[9] 秦晓鹏.Qin Xiaopeng.

太阳能燃气集成供热系统设计探讨

[J].科技创新与生产力,2010(7):86-88.

DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2010.07.029      URL      [本文引用: 1]      摘要

介绍了太阳能燃气集成供热系统的特点,详细阐述了太阳能燃气集成生活热水系统和太阳能燃气集成洗浴采暖系统的原理和结构,通过对这两种供热系统的经济性和环境效益进行了分析,提出了设计太阳能燃气集成供热系统应该注意的问题。
[10] 张立众.

水温—循环水流量串级控制系统的研究与设计

[J].现代商贸工业,2008(12):381-382.

DOI:10.3969/j.issn.1672-3198.2008.12.209      URL      [本文引用: 1]      摘要

论述了模拟锅炉内胆水温与循环水流量构成的串级控制系统的研究过程。本次设计以THSA-1型过程综合自动化控制系统实验台及其实验装置为平台，采用A1808P智能仪表对温度——流量串级控制系统进行控制，并通过MCGS组态软件进行上位机监控，说明了主副调节器参数改变对系统性能的影响、阶跃扰动作用于副对象和主对象时对系统的影响。
[11] 齐政新,李岩.

太阳能低温地板辐射采暖系统的探讨

[J]. 煤气与热力,2003,23(5): 312-315.

DOI:10.3969/j.issn.1000-4416.2003.05.018      URL      摘要

介绍了辅助太阳能的地板采暖的系统形式,对不同的系统形式作了分析,探讨了设计中需注意的问题.
[12] 韩晶,石久.

胜太阳能热水供应系统的经济分析

[J]. 长春工程学院学报,2013(7):21-26.

[13] 黄海耀.

LCA法比较太阳能热水器和燃煤锅炉系统的环境效益

[D].天津:天津大学,2004.

[本文引用: 1]     

[14] 李文博,吕建,解群,等.

村镇住宅太阳能/沼气联合采暖系统的经济性分析

[J]. 天津城市建设学院学报,2010(2):118-121.

[本文引用: 1]     

[15] 张琛.

保定地区太阳能与燃气壁挂炉联合供热系统的研究

[D].保定:河北大学,2014.

[16] Perez De Vinaspre M.

Monitoring and analysis of an absorption air-conditioning system

[J] Energy and Buildings,2004,36(9):933-943.

DOI:10.1016/j.enbuild.2004.03.005      URL      摘要

In the last few years, high-energy consumption due to air-conditioning has led to a growing interest in the efficient use of energy in buildings. Although simulation programs have always been the main tools for analyzing energy in buildings, the reliability of their results is often compromised by a lack of certainty to reflect real conditions. The aim of this work is to monitorize and analyze the thermal behavior of an absorption-based air-conditioning installation of a university building in Tarragona, Spain. The existing monitoring system of the installation has been improved by implementing additional sensors and flow meters. The data has been stored during summer 2002 and used to assess the energy balance of the air-conditioning installation and the operational regime of the absorption chiller.
版权所有：《实验室研究与探索》编辑部
主管单位：中华人民共和国教育部    主办单位：上海交通大学    出版单位：上海交通大学学报编辑部
地址：上海市华山路1954号包图1516号    邮编：200030    电话：(86-21)62932952 62932875

/

〈 〉