一种可再生能源热水系统的能量监测设备及能效计算方法

本发明涉及一种可再生能源热水系统的能量监测设备及能效计算方法，可再生能源利用领域，尤其是关于太阳能、空气能、地热能或其他可再生能源驱动的热水系统中能量监测与能效计算的技术。

背景技术：

1、随着能源危机和环境问题的日益严重，可再生能源的开发利用成为了全球关注的焦点。其中，可再生能源热水系统因其清洁、高效的特点而得到广泛应用。然而，现有的可再生能源热水系统在运行过程中缺乏有效且精确的能量监测与能效计算方法，导致用户无法准确了解系统的实时能耗状态和长期能效表现，从而难以进行优化管理和节能改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的可再生能源热水系统的能量监测设备及能效计算方法。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该可再生能源热水系统的能量监测设备，包括热源和数据采集末端，所述热源包括一号热源、二号热源和三号热源，所述数据采集末端包括流量计、温度传感器、液位传感器和远传式电表，其结构特点在于：还包括贮热水箱、冷水补水管、热水供水管、热水回水管、热源出水管、热源进水管和用电设备，所述贮热水箱的出口与一号热源的进口通过热源进水管连接，所述一号热源的出口与贮热水箱的进口通过热源出水管连接，所述贮热水箱的出口与二号热源的进口通过热源进水管连接，所述二号热源的出口与热源出水管连接，所述贮热水箱的出口与三号热源的进口通过热源进水管连接，所述三号热源的出口与贮热水箱的进口通过热源出水管连接，所述冷水补水管与贮热水箱的进口、热源进水管连接，所述远传式电表与用电设备连接。

3、进一步地，所述用电设备包括电加热器，所述电加热器设置在贮热水箱内。

4、进一步地，所述一号热源为可再生能源热源，如太阳能、热泵等；二号热源和三号热源均为常规(非可再生)能源热源，如电(燃气)热水机组、锅炉热水、城市热网热水等。

5、进一步地，所述流量计包括一号流量计、二号流量计、三号流量计、四号流量计、五号流量计和六号流量计，所述五号流量计和一号流量计沿着流动方向依次安装在热水供水管上，所述二号流量计安装在热水回水管上，所述三号流量计安装在冷水补水管上，所述四号流量计安装在一号热源与贮热水箱连接的热源出水管上，所述六号流量计安装在三号热源与贮热水箱连接的热源出水管上。

6、进一步地，所述温度传感器包括一号温度传感器、二号温度传感器、三号温度传感器、四号温度传感器、五号温度传感器、六号温度传感器、七号温度传感器、八号温度传感器、九号温度传感器、十号温度传感器和十一号温度传感器，所述五号温度传感器和一号温度传感器沿着流动方向依次安装在热水供水管上，所述二号温度传感器安装在热水回水管上，所述三号温度传感器安装在冷水补水管上，所述四号温度传感器安装在一号热源与贮热水箱连接的热源出水管上，所述六号温度传感器安装在三号热源与贮热水箱连接的热源出水管上，所述七号温度传感器安装在贮热水箱与一号热源连接的热源进水管上，所述八号温度传感器安装在贮热水箱与二号热源连接的热源进水管上，所述九号温度传感器安装在贮热水箱与三号热源连接的热源进水管上，所述十号温度传感器安装在贮热水箱上，所述十一号温度传感器安装在二号热源上。

7、进一步地，其特征在于：所述液位传感器包括一号液位传感器和二号液位传感器，所述一号液位传感器安装在贮热水箱上，所述二号液位传感器安装在二号热源上。

8、进一步地，本发明的另一个技术目的在于提供一种可再生能源热水系统的能量监测设备的能效计算方法。

9、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。

10、一种可再生能源热水系统的能量监测设备的能效计算方法，其特点在于：所述能效计算方法如下：

11、第一步、设置传感器网络：在可再生能源热水系统内的关键位置安装流量计、温度传感器、液位传感器和环境参数传感器，用于实时监测可再生能源热水系统的入口水温、出口水温、流经水流量以及环境温湿度等参数；

12、第二步、数据采集与传输：通过流量计、温度传感器、液位传感器和环境参数传感器收集的数据被传输至中央处理单元，该中央处理单元具备数据存储、分析和计算能力；

13、第三步、能量监测：中央处理单元根据采集到的数据，运用热力学公式计算热水系统总供热量、常规能源替代量(节能量)、管路循环热损失量和减排量；

14、第四步、能效计算：结合实际能量消耗量和热水输出量，计算热水系统的能效比，即单位电能产生的总供热量；

15、第五步、数据分析与反馈：对计算出的能效比进行历史数据对比分析，评估系统性能变化趋势，并提供优化建议。

16、进一步地，所述一号温度传感器、一号流量计用于分别监测热水供水温度t1(℃)和累计流量q1(m3)；

17、所述二号温度传感器、二号流量计用于分别监测热水回水温度t2(℃)和累计流量q2(m3)；

18、所述三号温度传感器、三号流量计用于分别监测冷水补水温度t3(℃)和累计流量q3(m3)；

19、所述四号温度传感器、四号流量计用于分别监测一号热源的出水温度t4(℃)和累计流量q4(m3)；

20、所述七号温度传感器用于监测一号热源的进水温度t7(℃)；

21、所述五号温度传感器、五号流量计用于分别监测二号热源的出水温度t5(℃)和累计流量q5(m3)；

22、所述八号温度传感器用于监测二号热源的进水温度t8(℃)；

23、所述六号温度传感器、六号流量计用于分别监测三号热源的出水温度t6(℃)和累计流量q6(m3)；

24、所述九号温度传感器用于监测三号热源的进水温度t9(℃)；

25、所述十号温度传感器、一号液位传感器用于分别监测贮热水箱的温度t10(℃)和液位l1(m)；

26、所述十一号温度传感器、二号液位传感器用于分别监测二号热源的贮热容积温度t11(℃)和液位l2(m)；

27、所述远传式电表用于监测系统总耗电量d(kw·h)，包括热源的耗电量、循环泵的耗电量、电伴热的耗电量等；直接用于热水加热的耗电量为d1(kw·h)，如贮热水箱内置的用电设备、电伴热的耗电量等；热源的耗电量为d2(kw·h)，如热泵机组耗电量等。

28、进一步地，所述第四步中，时间ti，第i次采集到的数据为t1i、t2i、t3i、t4i、t5i、t6i、t7i、t8i、t9i、t10i、t11i、t12i、q1i、q2i、q3i、q4i、q5i、q6i、l1i、l2i、di；

29、时间ti+△t，第i+1次采集到的数据为t1i、t2i、t3i、t4i、t5i+1、t6i+1、t7i+1、t8i+1、t9i+1、t10i+1、t11i+1、q1i+1、q2i+1、q3i+1、q4i+1、q5i+1、q6i+1、l1i+1、l2i+1、di+1。

30、进一步地，所述第四步中，时间ti，第i次采集数据时，贮热水箱的贮热容积vr1i(m3)和二号热源的贮热容积vr2i(m3)可以分别通过液位与贮热水箱和二号热源贮热容积的有效面积之积l1i×a1(有效面积)、l2i×a2计算得出。

31、进一步地，所述第四步中，

32、(1)贮热容积热量增值：

33、

34、其中：

35、c——热水比热容kj/kg·℃，取4.187；

36、ρ——热水密度kg/m3；

37、vr1i、vr1i+1——第i次、i+1次采集的贮热水箱的贮热容积m3；

38、vr2i、vr2i+1——第i次、i+1次采集的二号热源的贮热容积m3；

39、t10i——第i次采集贮热水箱的温度℃；

40、t11i——第i次采集二号热源的温度℃；

41、(2)热水供水热量增值：

42、

43、其中：

44、c——热水比热容kj/kg·℃，取4.187；

45、ρ——热水密度kg/m3；

46、q1i、q1i+1——第i次、i+1次采集的热水供水管的累计流量m3；

47、t1i+1——第i+1次采集的热水供水管的温度℃；

48、(3)热水回水热量增值：

49、

50、其中：

51、c——热水比热容kj/kg·℃，取4.187；

52、ρ——热水密度kg/m3；

53、q2i、q2i+1——第i次、i+1次采集的热水回水管的累计流量m3；

54、t2i+1——第i+1次采集的热水回水管的温度℃；

55、(4)管路循环热损失值：

56、

57、其中：

58、c——热水比热容kj/kg·℃，取4.187；

59、ρ——热水密度kg/m3；

60、q2i、q2i+1——第i次、i+1次采集的热水回水管的累计流量m3；

61、t2i+1——第i+1次采集的热水回水管的温度℃；

62、t1i+1——第i+1次采集的热水供水管的温度℃；

63、(5)冷水热量增值：

64、

65、c——热水比热容kj/kg·℃，取4.187；

66、ρ——冷水密度kg/m3；

67、q3i、q3i+1——第i次、i+1次采集的冷水补水管的累计流量m3；

68、t3i+1——第i+1次采集的冷水补水管的温度℃；

69、(6)可再生能源热水系统的供热量：

70、qz＝q1+q2-q3-q5  (kj)

71、(7)辅助热源供热量：

72、

73、其中：

74、c——热水比热容kj/kg·℃，取4.187；

75、ρ——热水密度kg/m3；

76、q6i、q6i+1——第i次、i+1次采集的三号热源的热源出水管的累计流量m3；

77、t6i+1——第i+1次采集的三号热源的热源出水管的温度℃；

78、t9i+1——第i+1次采集的三号热源的热源进水管的温度℃；

79、q5i、q5i+i——第i次、i+1次采集的二号热源的热源出水管的累计流量m3；t5i+1——第i+1次采集的二号热源的热源出水管的温度℃；

80、t8i+1——第i+1次采集的二号热源的热源进水管的温度℃；

81、(8)常规能源替代量：

82、

83、其中：

84、qss——常规能源替代量(kgce)；

85、λ1——能源的折标煤系数，以天然气为常规能源类型，λ1＝1.2143kgce/m3；

86、qz——热水系统总供热量(kj)；

87、q6——辅助热源供热量(kj)；

88、d1——直接用于热水加热的耗电量(kw·h)；

89、q——能源热值(mj/m3)，以天然气为常规能源类型，q＝35.544mj/m3；

90、ηt——以传统能源为热源时的运行效率，天然气热源系统的运行效率取0.85；

91、td——每度电折合所耗标准煤量，kgce/kwh；

92、η——辅热系统运行效率，取0.85～0.9；

93、(9)减排量：

94、二氧化碳减排量：

95、二氧化硫减排量：

96、氮氧化物减排量：

97、颗粒物减排量：mpm＝qss×efpm

98、式中：

99、——二氧化碳排放因子，单位为千克每千克标准煤(kg/kgce)，取2.6kg/kgce；

100、——二氧化硫排放因子，单位为千克每吨标准煤(kg/tce)，取7.4kg/tce；

101、——氮氧化物排放因子，单位为千克每吨标准煤(kg/tce)，取1.6kg/tce；

102、eppm——颗粒物排放因子，单位为千克每吨标准煤(kg/tce)，取13.5kg/tce；

103、(10)系统能效比

104、

105、其中：

106、qz——可再生能源热水系统的供热量(kj)；

107、d——系统总耗电量(kw·h)。

108、相比现有技术，本发明具有以下优点：

109、提高能源利用率：通过精确监测与计算，有助于优化系统运行参数，提升整体能源使用效率。

110、降低运营成本：准确的能耗数据可以帮助用户更好地控制和管理能源消耗，进而减少不必要的开支。

111、环境保护：优化系统能效有助于减少化石能源的依赖，减少温室气体排放，对环境保护具有积极意义。

112、提供决策支持：长期积累的数据可以作为系统升级改造和新技术应用的重要参考依据。