混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统.pdf

本发明属于太阳能热水器热性能自动恒温测试系统，由水管路系统、电气控制系统及数据信号采集分析系统组成，其特征是水管路系统还设置有自动恒温水装置、回水循环利用装置和稳压安全装置，从而解决了测试过程中的温控和保温等难题，使检测用水的温度偏差范围控制在设定值±0.2℃范围内，满足ISO9459-2及GB/T19141标准的检测要求，同时还解决了全自动、多工位、全天候的检测及水资源的循环使用问题，具有明显的社会效益和经济效益。

1、  一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，包括水管路系统、电气控制系统和数据信号采集分析系统三部分组成，所述水管路系统包括与恒温水箱(1)连接的球阀(14-1)、过滤器(17-1)、电磁阀(15-7)、第一水泵(13-4)、分水器(11)、流量调节阀(16-4)、涡轮流量计(21-4)、配水器(5)、集水器(12)，并用保温材料(27)保温的管道依次连接，其特征在于：所述水管路系统还包括自动恒温水装置、回水循环利用装置和稳压安全装置；
所述自动恒温水装置包括恒温水箱(1)、搅拌器(3)、水冷却系统(4)、第一电加热器(8)，所述搅拌器(3)设置在恒温水箱(1)顶部，所述水冷却系统(4)包括表冷器(6)和制冷空调(7)；第一离心水泵(13-2-1)和制冷空调(7)形成对恒温水箱水制冷的制冷循环回路，第二离心水泵(13-2-2)和表冷器(6)形成对恒温水箱水制冷的另一制冷循环回路，第一电加热器(8)和第二水泵(13-5)形成对恒温水箱水加热的加热循还回路；
所述回水循环利用装置包括回水蓄水箱(2)；对太阳能热水器进行测试后，太阳能热水器中的热水经集水器(12)合流后流入回水蓄水箱(2)，或经电磁阀(15-13)直接流入恒温水箱(1)，回水蓄水箱水通过第三水泵(13-6)经电磁阀(15-11)送入恒温水箱(1)；
所述稳压安全装置在所述集水器(12)的出口设置至少两条旁路，一条经过过滤器(17-2)后连接定压膨胀罐(10)，另一条经过电接点压力表(23)和电磁阀(15)后连接到球阀(14-2)。

2、  根据权利要求1所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：所述自动恒温水装置还包括第二电加热器(9)和第一循环水泵(13-3)，形成对恒温水箱水加热的次加热循环回路。

3、  根据权利要求1或2所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：在每一台待测太阳能热水器的测试台架处至少设有一套吹风装置(18)。

4、  根据权利要求3所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：所述吹风装置(18)包括空气风幕机、支架，空气风幕机固定在支架上，支架固定在太阳能热水器的测试台架上。

5、  根据权利要求4所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：所述吹风装置(18)的安装位置包括测试台架的前下方，采用可调节吹风装置吹风角度的金属或非金属支架支撑。

6、  根据权利要求5所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：所述吹风装置(18)对太阳能集热器(25)的吹风角度包括180度角的水平吹风。

7、  根据权利要求1或2所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：所述自动恒温水装置的出口和回水循环利用装置的入口之间经分水器(11)和集水器(12)可同时设置六个测试工位。

8、  根据权利要求1或2所述的一种混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统，其特征在于：当温度传感器(22)到太阳能热水器入口的管道长度小于0.1m，并且管道内水的温度变化符合小于0.01K时，此段管道保温材料(27)选用聚氨酯100mm厚，或橡塑200mm厚。

混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统
技术领域
本发明属于一种太阳能热水器热性能测试系统，特别是一种能同时符合国际ISO9459-2标准和国标GB/T19141-2003标准要求的混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统。
背景技术
随着太阳能热水器国家标准体系的不断完善，对于热水器的相关技术指标的检验要求也不断提高，目前有代表性的有珠海安联电子有限公司开发出的TRM123太阳能热水器测试系统及开发的升级产品TRM-2型太阳能热水器热性能测试仪，该产品是太阳能热水器、太阳能集热器、太阳能热水工程等理想的太阳能热性能测试仪器，该系统采用微机控制，可对太阳辐射量，各点温度进行实时监测与记录，并自动分析存储打印测试结果，现已在国内得到推广应用，产品性能指标达到GB12915，GB18708，GB17581等国家标准。但仍存在以下问题，第一，其中最核心也是很难做到的同时依据ISO9459-2和GB/T19141-2003标准精确检测的项目“日有用得热量”和“平均热损因素”，一直是该行业急待解决的技术问题，第二，测试工作量大，测试效率低。第三，由于测试过程需要大量的水作为工质，测试后都白白排放掉造成水资源的浪费。
发明内容
本发明所要解决如下的技术问题，首先，由于国家标准规定的检测起始温度是20±0.2℃，正是由于在测试过程中，要保证设定值±0.2℃的误差相当困难，所以该系统重点要解决测试过程中的温控和保温等一系列技术难题，使检测的误差控制在国家标准的范围内。其次，该系统应实现全自动、多工位、全天候的检测。第三，由于检测太阳能热水器需要大量的水作为工质，该系统要解决水资源的循环使用，从而在一定程度上降低检测成本。
为解决上述技术问题本测试系主要包括恒温水管路系统，电气控制系统及数据信号采集分析系统三部分组成，其特征在于水管路系统包括自动恒温水装置、回水循环利用装置和稳压安全装置，(一)所述自动恒温水装置包括恒温水箱、搅拌器、水冷却系统、第一电加热器、集水器，所述搅拌器设置在恒温水箱顶部，所述水冷却系统包括表冷器和制冷空调；第一离心水泵和制冷空调形成对恒温水箱水制冷的制冷循环回路，第二离心水泵和表冷器形成对恒温水箱水制冷的另一制冷循环回路，第一电加热器和第二水泵形成对恒温水箱水加热的加热循还回路；(二)所述回水循环利用装置包括回水蓄水箱；对太阳能热水器进行测试后，太阳能热水器中的热水经集水器合流后流入回水蓄水箱，或经电磁阀直接流入恒温水箱，回水蓄水箱水通过第三水泵经电磁阀送入恒温水箱；(三)所述稳压安全装置在所述集水器的出口设置至少两条旁路，一条经过过滤器后连接定压膨胀罐，另一条经过电接点压力表和电磁阀后连接到球阀。所述自动恒温水装置还包括第二电加热器和第一循环水泵，形成对恒温水箱水加热的次加热循环回路。在每一台待测太阳能热水器的测试台架处至少设有一套吹风装置。所述吹风装置包括空气风幕机、支架，空气风幕机固定在支架上，支架固定在太阳能热水器的测试台架上。所述吹风装置的安装位置包括测试台架的前下方，采用可调节吹风装置吹风角度的金属或非金属支架支撑。所述吹风装置对太阳能集热器的吹风角度包括180度角的水平吹风。所述自动恒温水装置的出口和回水循环利用装置的入口之间经分水器和集水器可同时设置六个测试工位。当温度传感器到太阳能热水器入口的管道长度小于0.1m，并且管道内水的温度变化符合小于0.01K时，此段管道保温材料选用聚氨酯100mm厚，或橡塑200mm厚。
自动恒温水装置设置一个恒温水箱通过和管路中的第一电加热器、第二电加热器分别构成独立的主、次加热回路，同时还在管路中设置一套由表冷器和制冷空调组成的水冷却系统，上述制冷分别为制冷剂制冷空调和风冷散热表冷器，由第一离心水泵、第二离心水泵、电磁阀实现双工状态。平时用表冷器，水温较高时用制冷空调冷却。恒温水箱箱顶还装有一台搅拌器均匀箱内水温。
回水循环利用装置通过设置回水蓄水箱实现对测试水的回收和再利用。
稳压安全装置由过滤器和定压膨胀罐构成管路稳压回路，电接点压力表和电磁阀构成两路稳压安全旁路通过定压膨胀罐和球阀分别起到进行稳压和安全泄压的作用。
本发明由于同恒温水箱构建了两条主、次加热和两条风冷、制冷剂各自独立的水循环，及回水循环利用装置和稳压安全装置，从而解决了恒温水箱、管路中水温的粗调和微调，通过以上装置的设置，保证了设备运行安全，实现了低成本，节水、节电的目的，同时还有效降低了劳动强度和人为因素的影响，大大提高了系统自动控制水平，使今后可实现通过计算机模块对系统实现集散控制，并建立气象条件、用户取水习惯等相关信息数据库，为计算机软件设计与编制提供了可靠保证。
附图说明
图1为本发明混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统结构原理图。
图2为本发明混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统管路系统图。
图3为本发明4#测试台架水循环示意图。
图中：1-恒温水箱，2-回水蓄水箱，3-搅拌器，4-水冷却系统，5-配水器，6-表冷器，7-制冷空调，8-第一电加热器，9-第二电加热器，10-定压膨胀罐，11-分水器，12-集水器，13-1-4-循环水泵，13-3-第一循环水泵，13-2-1-第一离心水泵，13-2-2-第二离心水泵，13-4-第一水泵，13-5第二水泵，13-6-第三水泵，14-1，14-2、14-3、14-4-球阀，15、15-1-4、15-2-4、15-3-4、15-4-4、15-5、15-6-1、15-6-2、15-7、15-9、15-10、15-11、15-13-电磁阀，16-4、16-12-流量调节阀，17-1、17-2-过滤器，18-吹风装置，19-4总辐照表，20-4-散射辐照表，21-4-涡轮流量计，22-铠装热电阻，23-电接点压力表，24-玻璃板液位计，25-太阳能集热器，26-蓄热水箱，27-保温，28-软管。
具体实施方式
本发明混水排水法太阳能热水器自动恒温测试系统包括一楼的设备间，设备间安装有恒温水箱1，回水蓄水箱2，水冷却系统4，第一电加热器8，第二电加热器9，定压膨胀罐10，集水器12，及水泵，阀门，仪表等设备。四楼设置有控制、信号采集机房，包括电控制柜、配电柜和数据采集仪。楼顶设置有六个测试工位，每个测试工位包括一个测试台架，每个测试台架上设有配水器5，分水器11，吹风装置18，测量仪表等设备。通过水加热系统第一电加热器8、第二电加热器9和水冷却系统4对恒温水箱1中的自来水分别进行加热、冷却后达到设定值±0.2℃的水温后，通过第一水泵13-4送到楼顶的分水器11后，再通过分水器11分配到测试台架上的配水器5对太阳能热水器进行各种管路方式连接和测试，测试后的热水通过设备间的集水器12流入回水蓄水箱2，再由第三水泵13-6送回恒温水箱1，或不经过回水蓄水箱2直接流入恒温水箱1，从而实现了测试用水的恒温测试循环。
恒温水箱1为一个容积六立方米的水箱，其箱体顶部安装一台搅拌器3均匀水箱内上中下部水温，同时还设有一溢流口29和排气口30，箱体侧部上中下部各安装一个铠装热电阻22，铠装热电阻22沿箱体壁相互之间相隔120度角使测量的水温全面准确，箱体侧部还装有一玻璃板液位计24观测箱内水位，箱底装自来水进水口，恒温水箱1与采用PPI材料的管道用保温材料27进行保温，满足装置绝热要求；水冷却系统4由表冷器6和制冷空调7构成对恒温水箱水的制冷，第二离心水泵13-2-2使恒温水箱水经电磁阀15-6-2经表冷器6再回到恒温水箱1进行风冷制冷循环，第一离心水泵13-2-1使恒温水箱水经电磁阀15-6-1经制冷空调7再回到恒温水箱1进行制冷剂制冷循环，通过电气控制柜的控制，表冷器6和制冷空调7可同时开启制冷，也可单独制冷，主要根据当时水温超高程度和节能降耗的目的考虑开启方式；主加热循环由第二水泵13-5将恒温水箱水经球阀14-4、14-3，电磁阀15-9送至电加热器8加热后经电磁阀15-10，流量调节阀16-12后回到恒温水箱1进行主加热循环，可快速提高水温至60℃以上以满足各项测试要求水温；次加热循环由第一循环水泵13-3将恒温水箱水送至电加热器9加热后回到恒温水箱1进行次加热循环，对水温进行微量加热调节控制，满足恒温水箱水温度的精度要求；第二电加热器9、第一电加热器8分别由市售的电热水器、电热锅炉实现；通过以上加热或制冷循环过程，从而使恒温水箱1出口水温能够保持在设定值±0.2℃的范围内，由第一水泵13-4将恒温水箱水经过球阀14-1、过滤器17-1、电磁阀15-7送至分水器11，再经分水器11分配到楼顶的太阳能热水器测试台架上的配水器5，通过测试台架上的配水器5实现测试管路同太阳能热水器的各种连接，并通过太阳能热水器进出口安装的铠装热电阻22将测量信号送到四楼的采集机房，通过数据采集仪监控、观测测试水的温度变化，进行排水法测试。
本测试系统水管路系统在回水循环利用装置中设置一个容积为六个立方米的回水蓄水箱2，回水蓄水箱2不需要绝热保温，待太阳能热水器测试完成后，要将回水蓄水箱2中的水循环充入恒温水箱1，以便进行下一步准备恒温水的工作，水箱顶部设有一溢流口29和排气口30，可实现安全泄压作用，水箱侧壁装有玻璃板液位计24观测水位，水箱底部装自来水进水口；太阳能热水器测试用水经过集水器12、电磁阀15-5流进回水蓄水箱2，回水蓄水箱水经第三水泵13-6、电磁阀15-11打入恒温水箱1实现了回水循环再利用；从集水器12来的出水也可经电磁阀15-13依高度差直接回流进恒温水箱1。
楼顶设有六个太阳能热水器测试工位，本发明混水排水法自动恒温测试系统可以同时对六台太阳能热水器进行测试，每一测试工位包括一个测试台架，太阳能热水器放置在测试台架上，每个测试台架上太阳能热水器的蓄热水箱26进出口上并联有一个相同的配水器5，可以实现在预热过程、水系统循环过程、水系统排放实验过程中测试系统和测试设备的不同连接，确保各种水循环的顺利进行，配水器5与太阳能热水器的蓄热水箱26之间的连接管为软管28的柔性连接，每个配水器5连接太阳能热水器的进出接口各设有软管28一根，软管28都要做好绝热保温保护，防止由于环境和太阳辐照干扰而引起的性能下降。
安装在4号测试台架上的配水器5由循环水泵13-1-4、电磁阀15-1-4组成串联支路一，电磁阀15-2-4、15-3-4、15-4-4组成串联支路二，太阳能热水器的蓄热水箱26进出口分别用软管28同配水器5的支路一、支路二的一端并联，支路二的电磁阀15-2-4、15-3-4之间由三通通过排水管同集水器12入口连接，电磁阀15-3-4、15-4-4之间由三通通过进水管同分水器11出口连接，通过关闭电磁阀15-2-4、15-4-4，打开电磁阀15-1-4，启动水泵13-1-4，即可实现对太阳能热水器的混水法测试过程；
测试台架是用于固定安装太阳能热水系统的基本支架，要求适用于目前国内太阳能热水系统安装说明书的要求，保证目前国内的太阳能热水器可以在测试台上测试，当然，测试台架还设有配水器5和吹风装置18，吹风装置18包括空气风幕机和支架，每一太阳能热水器测试台架前下部装有吹风装置18，吹风装置18可以保证在太阳能集热器25表面产生均匀的迎面风，对于吹风装置18中的支架，除可以支撑空气风幕机外，还可以调节空气风幕机出风口角度，使出风口可以实现从水平到垂直不同角度的送风。测试时所使用的测试台架是整个系统唯一放在室外的部分，方向应朝向正南方，不能有任何对直射太阳能辐射的遮挡，同时附近相关环境及建筑物如高楼、烟囱、树木等，也不能对测试系统有任何反光或遮挡的影响。
集水器12出口设有三条稳压安全旁路，一条经过过滤器17-2连接定压膨胀罐10稳定管道压力值，当加热的水温度升高时，热水体积的变化引起的管道压力变化可在一定的压力范围内通过定压膨胀罐10中的气囊实现管道压力的稳定，两条通过各自旁路上的电接点压力表23和电磁阀15同球阀14-2连接，球阀14-2同时与回水蓄水箱2的溢流口29和排气口30相通，电接点压力表23控制电磁阀15开闭，当压力超过电接点压力表23的设定值时，开启电磁阀15再通过球阀14-2或排气口30进行安全泄压，从而很好的消除了太阳能热水器热损失系数测试时由于水温达到60℃而引起的管路压力波动和超压现象。
本测试系统电气控制系统由市场通用信号控制柜和配电控制柜组成，可以为各种不同的电气设备，如电加热器、水泵、阀门、数据采集等提供电源，同时还对不同的电气设备和部件进行及时操作和控制，以满足在不同测试步骤时对各种电气设备的不同动作，在此同时电气控制系统还兼顾系统识别测试信号和信号采集的工作。
本测试系统的数据采集系统由一台市售数据采集仪组成，可根据信号多少和种类的不同设置多台或选购不同的模块组合完成数据采集，记录实验的温度、流量、风速和辐照等数值，测试信号通过“黑箱模型”方法，经数据采集仪显示、分析和测算得出太阳能热水器的热性能测试结果，所述“黑箱模型”方法不对测试的系统类型做任何假设和限制，这种方法因此可以适用于测试任何类型的系统，包括强制循环、热重力循环、以氟里昂为介质的系统和集热、蓄热一体系统。