高能效系數(shù)家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的實(shí)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(yáng)能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》已于2012年8月1日實(shí)施。國(guó)家節(jié)能產(chǎn)品惠民工程加速了該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施力度，太陽(yáng)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(yáng)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(biāo)準(zhǔn)編制啟動(dòng)開始，就著力研究和開發(fā)高能效系數(shù)的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，通過(guò)研究摸索、反復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了多款高能效系數(shù)家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和批量生產(chǎn)。本文通過(guò)總結(jié)兩年多來(lái)在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和做法，分析高能效產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)途徑，與行業(yè)共勉。

二 科學(xué)的研究

本文僅分析常見的緊湊式家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和分體式雙回路家用太陽(yáng)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(duì)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(yáng)能熱水系統(tǒng)的研究

家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，特別是緊湊式系統(tǒng)，看似非常簡(jiǎn)單，俗話描述為一個(gè)開孔的圓水箱插上真空管，用支架架好在太陽(yáng)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(yáng)能熱水系統(tǒng)，才能體會(huì)到科學(xué)研究的重要性。根據(jù)家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)的計(jì)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(yáng)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(jì)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(shuō)的容水量配比)越大，(te?tb)有可能同時(shí)會(huì)變小。因此，應(yīng)使m/Ac變大，而(te?tb)盡可能保持不變，這需對(duì)熱水系統(tǒng)進(jìn)行容水量配比和管間距的研究。

李德堅(jiān)等人[1]認(rèn)為真空集熱管密排并去掉漫反射板是提高太陽(yáng)熱水器日有用得熱量的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，但因?yàn)樯婕暗焦荛g遮陰的問(wèn)題，密排是有限度的。宋愛國(guó)[2,3]、麻一青[4]較早時(shí)曾進(jìn)行相關(guān)的研究，密排到一定程度，管間遮陰嚴(yán)重時(shí)效果并不明顯，且增加了成本和安裝維護(hù)難度。筆者在研發(fā)過(guò)程中，將ˉ58mm真空管熱水系統(tǒng)的管間距設(shè)計(jì)為70mm、75mm、78mm、80mm、83mm等規(guī)格，制做出樣機(jī)并進(jìn)行對(duì)比測(cè)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(dāng)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?yàn)闊崃可⑹鄬?duì)較少。但國(guó)標(biāo)規(guī)定熱水器試驗(yàn)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(wú)限大。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果以及筆者的研究經(jīng)驗(yàn)，容水量配比在65～75kg/m2(輪廓采光面積，下同)較合理。當(dāng)然，從區(qū)域適用性方面考慮，南方較暖和地區(qū)可適當(dāng)增加容水量配比，而北方較寒冷地區(qū)可考慮適當(dāng)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(yáng)能熱水系統(tǒng)的研究

分體式雙回路家用太陽(yáng)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(guò)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(yáng)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(jì)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(dāng)減小，推薦為70～75mm。另外考慮與建筑一體化結(jié)合時(shí)美觀性的要求，一般安裝時(shí)集熱器的角度較大，應(yīng)考慮增加集熱管進(jìn)行補(bǔ)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(yáng)能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，甚至還會(huì)影響系統(tǒng)的使用壽命。換熱器面積的計(jì)算方法可參見GB/T 26970-2011《家用分體雙回路太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》附錄B的內(nèi)容，但應(yīng)考慮強(qiáng)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(huì)較高。否則熱量在集熱器內(nèi)不能及時(shí)傳輸出來(lái)，只能通過(guò)集熱器散失，系統(tǒng)的熱性能較差，同時(shí)造成集熱器工作溫度較高，對(duì)集熱器的壽命影響很大，使用防凍液的系統(tǒng)還會(huì)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(guò)多年的系統(tǒng)研究和對(duì)比試驗(yàn)，確定循環(huán)管路的內(nèi)徑為14～16mm較合理，過(guò)小的內(nèi)徑會(huì)增加循環(huán)阻力，而過(guò)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(qiáng)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(shí)通過(guò)循環(huán)轉(zhuǎn)移到水箱中存貯起來(lái)，又避免循環(huán)泵過(guò)度工作導(dǎo)致的耗電浪費(fèi)和熱量損失。常見的系統(tǒng)換熱循環(huán)啟停溫度設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)轉(zhuǎn)移。

三 合理的設(shè)計(jì)

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

1 真空管的管徑管長(zhǎng)

常見的全玻璃真空集熱管直徑為ˉ47mm和ˉ58mm，根據(jù)李德堅(jiān)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(chǎng)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(zhǎng)規(guī)格一般有1600mm、1800mm、1900mm、2100mm。根據(jù)筆者廣泛意義上的檢測(cè)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(yàn)條件的檢測(cè))，結(jié)果表明管長(zhǎng)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(zhǎng)。

2 內(nèi)膽的直徑

管間距、容水量配比、管徑和管長(zhǎng)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(zhǎng)度也會(huì)影響到水箱直徑，但從美觀性角度考慮，延伸的長(zhǎng)度不宜過(guò)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(zhǎng)度為19×76+2×100=1644mm，按圓形柱計(jì)算，可得水箱直徑應(yīng)為375mm。內(nèi)膽直徑的選擇會(huì)直接影響生產(chǎn)過(guò)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(yáng)能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》中能效系數(shù)的計(jì)算公式，取與國(guó)標(biāo)規(guī)定相同的數(shù)據(jù)修約進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)平均熱損因數(shù)對(duì)能效系數(shù)的影響非常大，甚至很小的差異就會(huì)改變產(chǎn)品的能效等級(jí)。因此，提高保溫性能、降低平均熱損因數(shù)對(duì)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(jì)的關(guān)鍵。

真空管吸收到的太陽(yáng)輻射能量，除去水箱散失掉的部分，另一部分用來(lái)加熱水箱中水的同時(shí)，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(yáng)輻射能量就越多，當(dāng)保溫層的保溫效果與其吸熱效果達(dá)到平衡時(shí)，其厚度達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)GB/T 50176-93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，以及相關(guān)研究[9,10]和經(jīng)驗(yàn)，保溫層的最佳厚度為55～60mm。

4 分體式雙回路太陽(yáng)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(guò)管徑管長(zhǎng)和管間距的選取完成集熱部分的設(shè)計(jì)，分體式雙回路系統(tǒng)則通過(guò)集熱器的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高集熱性能。集熱器的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jìn)的工藝和優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)

高能效系數(shù)家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(zhǎng)，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(jì)，還需通過(guò)先進(jìn)的工藝實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)的意圖，通過(guò)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(duì)焊接電流、焊接壓力、焊接速度等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的策劃及嚴(yán)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(duì)工藝的嚴(yán)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(duì)更難控制。發(fā)泡過(guò)程中必須嚴(yán)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(guò)發(fā)泡工裝和發(fā)泡模具的設(shè)計(jì)實(shí)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(guò)對(duì)發(fā)泡料流動(dòng)性、料溫、料比等進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)為34～36kg/m3。

(3)質(zhì)量管理體系是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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(yùn)行了10余年，積累了豐富的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，員工積極參與改進(jìn)改善，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、甚至產(chǎn)品性能有很大幫助。

五 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測(cè)

檢測(cè)是指產(chǎn)品(或樣品)完成后熱性能的測(cè)試，在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中也是一個(gè)非常重要的保障。檢測(cè)雖然不屬于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的步驟，而是對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證，但高能效產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)離不開檢測(cè)。

(1)須建立家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱性能測(cè)試系統(tǒng)。我們的檢測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)檢測(cè)20臺(tái)以上的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，可很方便地進(jìn)行各種不同產(chǎn)品的對(duì)比檢測(cè)，或?qū)ｉT針對(duì)產(chǎn)品某一方面的改進(jìn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，從細(xì)微處對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研究，達(dá)到深度研發(fā)的效果。檢測(cè)設(shè)備在投入使用前應(yīng)校準(zhǔn)，必要時(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)試驗(yàn)，確保檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。

(2)由經(jīng)驗(yàn)豐富、熟悉相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、具有檢測(cè)分析能力的檢測(cè)人員進(jìn)行檢測(cè)。2011年下半年發(fā)布的一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以及能效強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，需要系統(tǒng)、細(xì)致的解讀，同時(shí)通過(guò)實(shí)際操作熟悉標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果做到合理分析。

(3)產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是。在高能效系數(shù)產(chǎn)品檢測(cè)中產(chǎn)品性能變化可能較大，不能以以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)去分析和判定，而應(yīng)從科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z測(cè)中獲得實(shí)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(cè)人員與設(shè)計(jì)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(yǔ)

(1)高能效系數(shù)家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(jì)、工藝、生產(chǎn)、檢測(cè)等各環(huán)節(jié)，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程中每一個(gè)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(yáng)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(shí)”，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(yáng)集熱管光熱性能一致的條件下，通過(guò)分析產(chǎn)品配置和生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行闡述的。作為家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的核心部件，全玻璃真空太陽(yáng)集熱管熱性能的提升也是高能效系數(shù)產(chǎn)品實(shí)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(jìn)行研究。

(4)對(duì)于重力熱管、三腔管(三套管)、全玻璃熱管、縮口管等家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，我們也進(jìn)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(yáng)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(jìn)行了研究。但這些產(chǎn)品在成本或安全或安裝維護(hù)或壽命等方面還需有待市場(chǎng)的深入檢驗(yàn)。誠(chéng)然，產(chǎn)品研發(fā)是一個(gè)不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過(guò)程，相信現(xiàn)有技術(shù)會(huì)得到逐步完善和提升，同時(shí)會(huì)有更多、更好的技術(shù)能實(shí)現(xiàn)突破。

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