高能效系數(shù)家用太陽能熱水系統(tǒng)的實現(xiàn)

山東力諾瑞特新能源有限公司 ■ 申文明 馬光柏 閆芳 豐中玉

一 引言

GB 26969-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級》已于2012年8月1日實施。國家節(jié)能產(chǎn)品惠民工程加速了該標準的實施力度，太陽能行業(yè)各企業(yè)均努力推出高能效系數(shù)的產(chǎn)品，這將有利于提升太陽能行業(yè)的技術(shù)水平。

山東力諾瑞特新能源有限公司從標準編制啟動開始，就著力研究和開發(fā)高能效系數(shù)的家用太陽能熱水系統(tǒng)，通過研究摸索、反復(fù)測試，實現(xiàn)了多款高能效系數(shù)家用太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和批量生產(chǎn)。本文通過總結(jié)兩年多來在產(chǎn)品實現(xiàn)過程中的經(jīng)驗和做法，分析高能效產(chǎn)品的實現(xiàn)途徑，與行業(yè)共勉。

二 科學的研究

本文僅分析常見的緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)和分體式雙回路家用太陽能熱水系統(tǒng)，不涉及使用如重力熱管、三腔管(三套管)、全玻璃熱管、縮口管等相對特殊吸熱部件的熱水系統(tǒng)，且分析基于集熱管光熱性能一致的情況。

1 緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)的研究

家用太陽能熱水系統(tǒng)，特別是緊湊式系統(tǒng)，看似非常簡單，俗話描述為一個開孔的圓水箱插上真空管，用支架架好在太陽光下曬，就熱了，似乎沒有什么技術(shù)含量。但是，真正深入研究家用太陽能熱水系統(tǒng)，才能體會到科學研究的重要性。根據(jù)家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)的計算公式，可知日有用得熱量和平均熱損因數(shù)直接決定能效系數(shù)的大小，因此，提高日有用得熱量和降低平均熱損因數(shù)是提高能效系數(shù)的直接途徑。

根據(jù)GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》，單位輪廓采光面積日有用得熱量q17的計算公式為：

由式(2)可知，17cpw/H不變，為使單位輪廓采光面積日有用得熱量q17增加，則需m(te?tb)增大、Ac減小。但一般m/Ac(即常說的容水量配比)越大，(te?tb)有可能同時會變小。因此，應(yīng)使m/Ac變大，而(te?tb)盡可能保持不變，這需對熱水系統(tǒng)進行容水量配比和管間距的研究。

李德堅等人[1]認為真空集熱管密排并去掉漫反射板是提高太陽熱水器日有用得熱量的一個發(fā)展趨勢，但因為涉及到管間遮陰的問題，密排是有限度的。宋愛國[2,3]、麻一青[4]較早時曾進行相關(guān)的研究，密排到一定程度，管間遮陰嚴重時效果并不明顯，且增加了成本和安裝維護難度。筆者在研發(fā)過程中，將ˉ58mm真空管熱水系統(tǒng)的管間距設(shè)計為70mm、75mm、78mm、80mm、83mm等規(guī)格，制做出樣機并進行對比測試，結(jié)果表明間距為70mm的系統(tǒng)q17最大，但成本明顯增加，安裝難度大。推薦ˉ58mm真空管管間距為75～78mm。

容水量配比方面已有相當多的研究[5～8]，在此不做贅述。理論上分析，容水量配比越大，得熱量越高，這是因為熱量散失相對較少。但國標規(guī)定熱水器試驗結(jié)束貯水箱內(nèi)的溫度應(yīng)不低于45℃(起始20℃)，因此容水量配比不能無限大。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果以及筆者的研究經(jīng)驗，容水量配比在65～75kg/m2(輪廓采光面積，下同)較合理。當然，從區(qū)域適用性方面考慮，南方較暖和地區(qū)可適當增加容水量配比，而北方較寒冷地區(qū)可考慮適當降低容水量配比，以保證有合適溫度的熱水使用。

2 分體式雙回路家用太陽能熱水系統(tǒng)的研究

分體式雙回路家用太陽能熱水系統(tǒng)與緊湊式系統(tǒng)最大的不同在于其增加了一道換熱過程，因而換熱效果不如緊湊式系統(tǒng)。分體式雙回路家用太陽能熱水系統(tǒng)的研究需注意以下方面：

(1)管間距和容水量配比。分體式雙回路系統(tǒng)的集熱器一般生產(chǎn)組裝比較方便(或應(yīng)設(shè)計成方便拆裝的結(jié)構(gòu)形式)，因此管間距與緊湊式系統(tǒng)相比可適當減小，推薦為70～75mm。另外考慮與建筑一體化結(jié)合時美觀性的要求，一般安裝時集熱器的角度較大，應(yīng)考慮增加集熱管進行補償。由于換熱效果較緊湊式系統(tǒng)差，應(yīng)降低分體雙回路系統(tǒng)的容水量配比，以獲得較高溫度的熱水，推薦真空管集熱器系統(tǒng)為55～65kg/m2，平板集熱器系統(tǒng)為50～60kg/m2。

(2)換熱器。換熱器是分體式雙回路家用太陽能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能，甚至還會影響系統(tǒng)的使用壽命。換熱器面積的計算方法可參見GB/T 26970-2011《家用分體雙回路太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》附錄B的內(nèi)容，但應(yīng)考慮強制循環(huán)和自然循環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別。

(3)循環(huán)管路。循環(huán)管路是集熱器吸收的能量傳輸至水箱的途徑，只有該途徑暢通，換熱效果良好，系統(tǒng)的日有用得熱量才會較高。否則熱量在集熱器內(nèi)不能及時傳輸出來，只能通過集熱器散失，系統(tǒng)的熱性能較差，同時造成集熱器工作溫度較高，對集熱器的壽命影響很大，使用防凍液的系統(tǒng)還會影響到防凍液。循環(huán)管路可選擇內(nèi)壁光滑的金屬材料，如銅管。循環(huán)管路的內(nèi)徑選擇也十分關(guān)鍵，通過多年的系統(tǒng)研究和對比試驗，確定循環(huán)管路的內(nèi)徑為14～16mm較合理，過小的內(nèi)徑會增加循環(huán)阻力，而過大的內(nèi)徑成本增加明顯而效果提升不顯著。管路的選擇還應(yīng)考慮耐空曬溫度、耐壓、安裝方便等因素。

(4)控制器。自然循環(huán)系統(tǒng)可不考慮此內(nèi)容。強制循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置合理的控制邏輯，以使系統(tǒng)合理的工作，既能將熱量及時通過循環(huán)轉(zhuǎn)移到水箱中存貯起來，又避免循環(huán)泵過度工作導(dǎo)致的耗電浪費和熱量損失。常見的系統(tǒng)換熱循環(huán)啟停溫度設(shè)計為8～3℃、10～5℃、6～2℃等。不同產(chǎn)品需根據(jù)集熱器類型、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型、系統(tǒng)的配置等方面綜合考慮設(shè)置，再根據(jù)實驗確定。另外需要注意的是，傳感器安裝位置和安裝方式的合理設(shè)計也很重要，應(yīng)保證傳感器能感應(yīng)到正確的溫度，否則將出現(xiàn)控制混亂，熱量不能及時轉(zhuǎn)移。

三 合理的設(shè)計

確定合理的管間距和容水量配比后，還需經(jīng)過合理的設(shè)計才能實現(xiàn)從研究到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。家用太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計主要涉及以下方面的內(nèi)容：

1 真空管的管徑管長

常見的全玻璃真空集熱管直徑為ˉ47mm和ˉ58mm，根據(jù)李德堅等人[1]的研究，采用這兩種管徑的集熱管，系統(tǒng)的日有用得熱量沒有明顯差別，關(guān)鍵是集熱管本身的熱性能要良好。目前市場上多采用ˉ58mm直徑的集熱管，主要與產(chǎn)品的外形有關(guān)，其更顯大方，視覺效果更好。以ˉ58mm集熱管為例，其管長規(guī)格一般有1600mm、1800mm、1900mm、2100mm。根據(jù)筆者廣泛意義上的檢測數(shù)據(jù)(各種規(guī)格集熱管的系統(tǒng)，其他參數(shù)也有不同，非相同試驗條件的檢測)，結(jié)果表明管長為1900mm的系統(tǒng)平均日有用得熱量最高，1800mm系統(tǒng)次之，推薦使用這兩種管長。

2 內(nèi)膽的直徑

管間距、容水量配比、管徑和管長確定后，水箱內(nèi)膽的直徑就可以基本確定。雖然兩側(cè)真空管外側(cè)延伸的水箱長度也會影響到水箱直徑，但從美觀性角度考慮，延伸的長度不宜過大。例如：ˉ58mm×1800mm真空管管間距定為76mm，20支管，則輪廓采光面積約為2.60m2，容水量配比為70kg/m2，則水箱凈容積182L。取最外側(cè)真空管中心至水箱內(nèi)膽邊緣距離為100mm，則內(nèi)膽長度為19×76+2×100=1644mm，按圓形柱計算，可得水箱直徑應(yīng)為375mm。內(nèi)膽直徑的選擇會直接影響生產(chǎn)過程中的各種模具選配，由于管間距和容水量配比是區(qū)間數(shù)，不是定數(shù)，因此內(nèi)膽直徑也可稍微變化。新開發(fā)模具除外，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，內(nèi)膽直徑盡量選用已有模具相近的尺寸。另外，調(diào)整最外側(cè)真空管中心至水箱內(nèi)膽邊緣的距離也可改變?nèi)菟颗浔取?/p>

3 保溫層的厚度

根據(jù)GB 26969-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級》中能效系數(shù)的計算公式，取與國標規(guī)定相同的數(shù)據(jù)修約進行計算，發(fā)現(xiàn)平均熱損因數(shù)對能效系數(shù)的影響非常大，甚至很小的差異就會改變產(chǎn)品的能效等級。因此，提高保溫性能、降低平均熱損因數(shù)對提高能效系數(shù)具有顯著效果，從而確定合理的保溫層厚度是設(shè)計的關(guān)鍵。

真空管吸收到的太陽輻射能量，除去水箱散失掉的部分，另一部分用來加熱水箱中水的同時，還要被水箱內(nèi)膽周圍的保溫層吸收。隨著水箱保溫層的加厚，保溫材料的質(zhì)量及體積就越大，被保溫層吸收的太陽輻射能量就越多，當保溫層的保溫效果與其吸熱效果達到平衡時，其厚度達到最優(yōu)。根據(jù)GB/T 50176-93《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》的要求，以及相關(guān)研究[9,10]和經(jīng)驗，保溫層的最佳厚度為55～60mm。

4 分體式雙回路太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器

集熱器是熱水系統(tǒng)的核心部件，緊湊式系統(tǒng)通過管徑管長和管間距的選取完成集熱部分的設(shè)計，分體式雙回路系統(tǒng)則通過集熱器的合理設(shè)計實現(xiàn)高集熱性能。集熱器的設(shè)計首先應(yīng)保證循環(huán)暢通，不宜發(fā)生集熱器回路內(nèi)互相阻塞的情況；其次應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，如銅管；再次，要有加強換熱的部件，如導(dǎo)熱鋁翼，且鋁翼與真空管內(nèi)壁應(yīng)充分接觸；最后要注意集熱器聯(lián)箱內(nèi)的保溫，選用合適的保溫材料且生產(chǎn)制作方便，如巖棉。

四 先進的工藝和優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)

高能效系數(shù)家用太陽能熱水系統(tǒng)的特點，不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品的能效系數(shù)高，還應(yīng)體現(xiàn)在產(chǎn)品的質(zhì)量好、壽命長，能為用戶提供持續(xù)的高效熱能。因此，完成產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計，還需通過先進的工藝實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計的意圖，通過高質(zhì)量的生產(chǎn)為用戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。

(1)焊接工藝尤其重要。根據(jù)板材的材質(zhì)、厚度對焊接電流、焊接壓力、焊接速度等參數(shù)進行相應(yīng)的策劃及嚴格的執(zhí)行，以防止虛焊、漏焊、焊漏的發(fā)生，確保焊接區(qū)域具備較高的耐腐蝕性能。工藝文件的不斷完善和員工對工藝的嚴格執(zhí)行是焊接質(zhì)量的重要保證。

(2)發(fā)泡工藝影響產(chǎn)品的保溫性能。發(fā)泡工藝總體較復(fù)雜，特別是冬季發(fā)泡，穩(wěn)定性相對更難控制。發(fā)泡過程中必須嚴格確保的是：發(fā)泡層厚度均勻性、尺寸穩(wěn)定性和整體密度。發(fā)泡層厚度均勻性主要通過發(fā)泡工裝和發(fā)泡模具的設(shè)計實現(xiàn)，如采用環(huán)形內(nèi)托；尺寸穩(wěn)定性和整體密度的保證通過對發(fā)泡料流動性、料溫、料比等進行不斷調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境溫濕度，確保穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡量使泡體芯密度趨向最佳保溫密度范圍，經(jīng)驗數(shù)據(jù)為34～36kg/m3。

(3)質(zhì)量管理體系是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中高質(zhì)量的重要保證。我們的管理體系建立并持續(xù)運行了10余年，積累了豐富的實施經(jīng)驗，員工積極參與改進改善，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、甚至產(chǎn)品性能有很大幫助。

五 嚴謹?shù)臋z測

檢測是指產(chǎn)品(或樣品)完成后熱性能的測試，在產(chǎn)品實現(xiàn)的過程中也是一個非常重要的保障。檢測雖然不屬于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的步驟，而是對研發(fā)設(shè)計結(jié)果的驗證，但高能效產(chǎn)品的實現(xiàn)離不開檢測。

(1)須建立家用太陽能熱水系統(tǒng)的熱性能測試系統(tǒng)。我們的檢測系統(tǒng)能同時檢測20臺以上的家用太陽能熱水系統(tǒng)，可很方便地進行各種不同產(chǎn)品的對比檢測，或?qū)ｉT針對產(chǎn)品某一方面的改進進行對比測試，從細微處對產(chǎn)品進行研究，達到深度研發(fā)的效果。檢測設(shè)備在投入使用前應(yīng)校準，必要時，進行實驗室間比對試驗，確保檢測設(shè)備的準確性及穩(wěn)定性。

(2)由經(jīng)驗豐富、熟悉相關(guān)國家標準、具有檢測分析能力的檢測人員進行檢測。2011年下半年發(fā)布的一系列國家標準，以及能效強制性標準，需要系統(tǒng)、細致的解讀，同時通過實際操作熟悉標準，對產(chǎn)品檢測結(jié)果做到合理分析。

(3)產(chǎn)品檢測過程做到科學嚴謹、實事求是。在高能效系數(shù)產(chǎn)品檢測中產(chǎn)品性能變化可能較大，不能以以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)去分析和判定，而應(yīng)從科學嚴謹?shù)臋z測中獲得實事求是的數(shù)據(jù)，才能正確地分析結(jié)果，得到正確方向的指示。

(4)檢測人員與設(shè)計人員、工藝技術(shù)人員有良好的溝通和交流，共同分析總結(jié)提升產(chǎn)品熱性能的手段和方法。

六 結(jié)語

(1)高能效系數(shù)家用太陽能熱水系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，并非只是在產(chǎn)品研發(fā)層面上完成的，而是涉及研發(fā)、設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、檢測等各環(huán)節(jié)，產(chǎn)品實現(xiàn)過程中每一個環(huán)節(jié)均發(fā)揮著非常重要的作用，缺一不可。

(2)高能效系數(shù)的家用太陽能熱水系統(tǒng)，不僅能效系數(shù)要高，產(chǎn)品的質(zhì)量也應(yīng)足夠好，才能“名副其實”，為用戶提供持續(xù)的高效熱能。

(3)本文是在假設(shè)全玻璃真空太陽集熱管光熱性能一致的條件下，通過分析產(chǎn)品配置和生產(chǎn)工藝等方面進行闡述的。作為家用太陽能熱水系統(tǒng)的核心部件，全玻璃真空太陽集熱管熱性能的提升也是高能效系數(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)的主要手段，而且效果比較明顯，行業(yè)各企業(yè)還可從此處著手進行研究。

(4)對于重力熱管、三腔管(三套管)、全玻璃熱管、縮口管等家用太陽能熱水系統(tǒng)，我們也進行了相應(yīng)的研發(fā)并推出了系列產(chǎn)品，因篇幅有限，本文不作詳述。這幾種方式也是提高家用太陽能熱水系統(tǒng)熱性能的良好途徑之一，相信行業(yè)內(nèi)有部分企業(yè)也進行了研究。但這些產(chǎn)品在成本或安全或安裝維護或壽命等方面還需有待市場的深入檢驗。誠然，產(chǎn)品研發(fā)是一個不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過程，相信現(xiàn)有技術(shù)會得到逐步完善和提升，同時會有更多、更好的技術(shù)能實現(xiàn)突破。

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