累計(jì)太陽輻照量對(duì)真空管太陽能熱水器日得熱量的影響＊

李仁飛， 高文峰， 劉滔， 林文賢

（云南師范大學(xué) 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650092）

家用太陽能熱水器根據(jù)集熱器的不同，主要分為平板型和真空管型兩種類型.全玻璃真空管太陽能熱水器因其生產(chǎn)成本低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、應(yīng)用地域廣等優(yōu)點(diǎn)，已成了國(guó)內(nèi)太陽能熱水器的主流產(chǎn)品，其市場(chǎng)份額占國(guó)內(nèi)太陽能熱水器市場(chǎng)的90%以上［1－2］.在對(duì)家用熱水器熱性能研究中，許多學(xué)者已做了大量的工作，其中，管祚堯等［3］分析了日有用得熱量Q17判斷熱水系統(tǒng)性能的優(yōu)點(diǎn).魏鳳等人［4］分析了太陽輻照量、環(huán)境風(fēng)速和溫度對(duì)系統(tǒng)得熱量和熱損的影響規(guī)律，得出日有用得熱量Q17主要受日輻照量和風(fēng)速的影響.馬迎昌等人［5］對(duì)熱水系統(tǒng)的日有用得熱量Q17的實(shí)驗(yàn)影響條件做了研究.殷志強(qiáng)等人［6］對(duì)環(huán)境和測(cè)量不確定度對(duì)太陽熱水器能效等級(jí)遷移的影響做了分析和研究，得出日平均環(huán)境溫度不同會(huì)引起系統(tǒng)能效等級(jí)的遷移.劉雪平等人［7］對(duì)家用太陽能熱水器的兩種得熱量測(cè)試方法做了對(duì)比研究，得出排水法測(cè)得的日有用得熱量Q17略高于混水法.

日有用得熱量Q17是判斷家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能好壞的重要參數(shù)之一，主要是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T18708［8］作為熱性能測(cè)試方法，GB／T19141［9］作為測(cè)試依據(jù)，GB／T26969［10］則是利用前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)得產(chǎn)品的熱性能參數(shù)按一定的計(jì)算方法計(jì)算得到熱水器的能效值并規(guī)定了能效等級(jí).目前現(xiàn)行有效的 GB／T19141－2011是在GB／T19141－2003的基礎(chǔ)上修訂的，在對(duì)熱性能參數(shù)測(cè)試要求上，GB／T19141－2003中要求當(dāng)天8個(gè)小時(shí)的累計(jì)太陽輻射量≥17MJ／m2，而GB／T19141－2011只要求當(dāng)天8個(gè)小時(shí)的累計(jì)太陽輻射量≥16MJ／m2.但實(shí)際測(cè)試時(shí)，累計(jì)太陽輻射值變化較大，以昆明為例，實(shí)際可測(cè)得的累計(jì)太陽輻射值約在16～26MJ／m2.因此，有必要對(duì)不同輻照條件下家用熱水器的日有用得熱量進(jìn)行研究，并和折算成標(biāo)準(zhǔn)要求輻照條件下的日有用得熱量進(jìn)行對(duì)比.

本文對(duì)同一套真空管家用太陽能熱水器系統(tǒng)在輻照量不同、而其他測(cè)試條件相近的情況下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，為真空管太陽能熱水器的標(biāo)準(zhǔn)制定及修訂和企業(yè)對(duì)產(chǎn)品性能的測(cè)試與分析提供一些有益參考.

1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見的緊湊式全玻璃真空管太陽能熱水器為測(cè)試對(duì)象，該熱水器所用真空管數(shù)為20管，正南放置，傾角為45°，采光面積為2.45m2，水箱容水量為140.5L.檢測(cè)設(shè)備為TRM－2型太陽能熱水器熱性能測(cè)試系統(tǒng)，各測(cè)量?jī)x表均按期進(jìn)行過校準(zhǔn)，測(cè)試所用傳感器相關(guān)參數(shù)見表1.測(cè)試地點(diǎn)位于云南師范大學(xué)太陽能研究所樓頂，測(cè)試時(shí)間從2012年12月16日到2013年3月16日.

表1 太陽能熱水系統(tǒng)性能測(cè)試儀參數(shù)Table 1 The parameters of performance testing equipment for solar water heating system

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB／T 18708－2002的要求，系統(tǒng)日得熱量的測(cè)試方法采用混水法［6］進(jìn)行，具體步驟及方法如下：

系統(tǒng)工作8小時(shí)后用篷布遮擋起來，啟動(dòng)水泵，以400～600L／h的流量，將貯熱水箱內(nèi)的水循環(huán)起來直至貯熱水箱內(nèi)部的水溫均勻，保持5min以使上貯熱水箱入口溫度的變化保持在±0.2℃，采用數(shù)據(jù)采集儀記錄水箱內(nèi)上中下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度tb，三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均值即為真空管集熱系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫te，則貯熱水箱內(nèi)水的體積為Vs時(shí)所含的得熱量Qs，應(yīng)用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

ρ—水箱中水的密度，kg／m3；

С—水的比熱容，J／（kg·℃）；

Vs—水箱的容水量，m3；

te—熱水器集熱8小時(shí)，混水均勻后水箱內(nèi)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度，即終止溫度，℃；

tb—開始測(cè)試前，混水均勻后水箱內(nèi)三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度，即起始溫度，起始溫度在（20±0.2）℃以內(nèi)，℃；

用公式（1）計(jì)算得到的日得熱量QS來計(jì)算日有用得熱量Q17，計(jì)算公式為［7］

式中H為測(cè)試8小時(shí)的累計(jì)輻照量，MJ／m2；

系統(tǒng)的日平均效率定義為

1.3 系統(tǒng)的能效測(cè)試及計(jì)算

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 26969－2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)按（3）式計(jì)算［8］：

CTP—家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)；

Q17（e）—GB／T 19141－2011試驗(yàn)條件下測(cè)試與計(jì)算，相當(dāng)于日太陽輻照量為17MJ／m2所得的家用太陽能熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積日有用得熱量，MJ／m2；

Q17（m）—GB／T 19141－2011規(guī)定的家用太陽能熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積日有用得熱量的通過最小值，MJ／m2；

α—權(quán)重系數(shù)，表示平均熱損因數(shù)在家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)中的權(quán)重，在國(guó)標(biāo)中a取0.9；

USL（e）—試驗(yàn)條件下測(cè)試所得的家用太陽能熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)，W／（m3·K）；

USL（m）—GB 26970－2011規(guī)定的家用太陽能熱水系統(tǒng)的最大平均熱損因數(shù)，W／（m3·K）.

2 試驗(yàn)條件

為了減小試驗(yàn)中環(huán)境條件所帶來的誤差，試驗(yàn)均按照 GB／T 19141－2011［7］中太陽能熱水系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試條件進(jìn)行：

水箱內(nèi)起始溫度：（20±0.2）℃；

累計(jì)日太陽輻照量≥16MJ／m2；

日平均環(huán)境溫度范圍：8～30℃；

平均風(fēng)速≤4m／s.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)同一套真空管熱水器系統(tǒng)，在達(dá)到測(cè)試要求后，測(cè)得多天系統(tǒng)的起始溫度、終止溫度、日環(huán)境溫度范圍和累計(jì)輻照量.為了減小環(huán)境條件的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能選取在晴朗天氣狀況下、起始時(shí)間盡量一致、輻照波動(dòng)不大、單天試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性相關(guān)性較好的數(shù)據(jù).表2為采用混水法測(cè)試和計(jì)算得到的具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）和（2）計(jì)算得到系統(tǒng)的日得熱量和日有用得熱量.

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及日有用得熱量計(jì)算Table 2 Experimental data and calculation of daily useful energy

從日得熱量的計(jì)算公式和系統(tǒng)的熱平衡方程可以看出，假定水的密度、比熱容、涂層的參數(shù)和系統(tǒng)的熱損等在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中為定值，則日得熱量與水箱的體積、起始溫度和終止溫度有關(guān)，對(duì)于同一臺(tái)真空管熱水器，體積是不變的，所以只與起始溫度、終止溫度和輻照有關(guān)，本試驗(yàn)中，控制起始溫度在（20±0.2）℃以內(nèi)，所以日得熱量只受輻照量、風(fēng)速和環(huán)境溫度的影響.

3.2 試驗(yàn)對(duì)比及分析

從圖1可以看出，在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，其他測(cè)試條件相近，起始溫度在（20±0.2）℃以內(nèi)，測(cè)試?yán)塾?jì)輻照量從16.810MJ／m2增加到25.722MJ／m2，水箱內(nèi)測(cè)試終止溫度隨輻照量從50.1℃增加到67.9℃，增量為17.8℃，系統(tǒng)的終止溫度隨累計(jì)輻照量增加而增加.

由最小二乘法，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的效率計(jì)算公式（4）擬合得到系統(tǒng)的日得熱量與累計(jì)輻照量的關(guān)系如圖2.從圖2可看出：累計(jì)輻照量從16.81MJ／m2增加到25.72MJ／m2，日得熱量從7.98MJ增加到11.52MJ，增加了約4.34MJ，說明在測(cè)試要求H≥16MJ／m2的測(cè)試條件下，累計(jì)輻照量對(duì)系統(tǒng)的日得熱量的影響較大，且系統(tǒng)日得熱量隨累計(jì)輻照量的變化關(guān)系利用最小二乘法擬合得到的曲線斜率為0.44，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001，可以忽略不計(jì)，曲線斜率即為系統(tǒng)的日平均效率η.通過多天試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到系統(tǒng)的日平均有用得熱量為7.49MJ，通過效率公式計(jì)算系統(tǒng)的日有用得熱量為7.48MJ.效率曲線通過原點(diǎn)，說明系統(tǒng)的日得熱量與累計(jì)輻照量存在著線性關(guān)系，可以通過多天的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的日有用得熱量的平均值作為最終測(cè)試結(jié)果，以減小試驗(yàn)帶來的誤差.

圖1 水箱溫度與累計(jì)輻照量關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature of the tank and cumulative irradiation

圖2 日得熱量與累計(jì)輻照量關(guān)系Fig.2 Relationship between daily energy and cumulative irradiation

根據(jù) GB／T 19141－2011［7］中日有用得熱量的計(jì)算，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)日得熱量及日有用得熱量.系統(tǒng)日得熱量和日有用得熱量與累計(jì)輻照量的關(guān)系如圖3.

從圖3分析可知，隨著累計(jì)輻照量的增加日有用得熱量總體趨勢(shì)基本不變，在測(cè)試?yán)塾?jì)輻照范圍內(nèi)，日得熱量增量為4.34MJ，當(dāng)累計(jì)輻照量到17MJ／m2時(shí)，日得熱量和日有用得熱量很接近.說明累計(jì)輻照量對(duì)系統(tǒng)的日有用得熱量的影響基本可以忽略，總體上系統(tǒng)的日得熱量與測(cè)試?yán)塾?jì)輻照量呈線性關(guān)系.對(duì)于累計(jì)輻照量從17 MJ／m2降到16MJ／m2的情況，對(duì)系統(tǒng)的日有用得熱量的影響不是很大，說明熱水系統(tǒng)的測(cè)試條件累計(jì)輻照量下限的修訂對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果的影響很小，可以適當(dāng)?shù)亟档蜏y(cè)試條件輻照量.說明新國(guó)標(biāo)對(duì)測(cè)試條件的修改是合理的.從圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來看，太陽累計(jì)輻照量在達(dá)到測(cè)試最低要求16MJ／m2后，隨累計(jì)輻照量的增加，系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果更理想.

圖3 系統(tǒng)日得熱和日有用得熱量與累計(jì)輻照量關(guān)系Fig.3 Relationship between daily energy＆daily useful energy of system and cumulative irradiation

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果中可以得出，總體上日得熱量隨累計(jì)輻照量的增加而呈線性關(guān)系，線性擬合得到的斜率即為系統(tǒng)的效率，但試驗(yàn)過程中，高累計(jì)輻照量所對(duì)應(yīng)的日有用得熱量不一定高于低累計(jì)輻照量所對(duì)應(yīng)的日有用得熱量，從試驗(yàn)的條件和文獻(xiàn)［2］分析是由于環(huán)境溫度、風(fēng)速等測(cè)試條件雖然盡量保持相近但還是有一些不同造成的.

圖4 能效系數(shù)和日有用得熱量關(guān)系Fig.4 Relationship betwe enenergy efficiency coefficient and daily useful energy

由圖4和能效系數(shù)的計(jì)算分析可知，系統(tǒng)的能效系數(shù)隨日有用得熱量的增加而增加，但增幅不是很大，不會(huì)引起系統(tǒng)能效等級(jí)的變化.且在本試驗(yàn)中，假定多天測(cè)試中系統(tǒng)的熱損是相同的，系統(tǒng)的能效系數(shù)就只與系統(tǒng)的日有用得熱量有關(guān)，從理論和試驗(yàn)結(jié)果得出，系統(tǒng)的能效系數(shù)和系統(tǒng)的日有用的熱量存在線性關(guān)系.通過試驗(yàn)和理論分析得出，達(dá)到測(cè)試條件后，累計(jì)日輻照量的變化對(duì)系統(tǒng)的日有用得熱量和能效系數(shù)的影響很小基本可以忽略不計(jì).

4 結(jié) 論

通過對(duì)全玻璃真空管熱水器系統(tǒng)在不同輻照條件下的多天試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在達(dá)到測(cè)試要求后，不同的累計(jì)輻照量對(duì)系統(tǒng)的日有用得熱量的影響可以忽略，但總體來說，在累計(jì)輻照量相對(duì)較高情況下，系統(tǒng)的日得熱量比較理想.具體結(jié)果如下：

（1）在達(dá)到系統(tǒng)測(cè)試條件后，累計(jì)輻照量越高，系統(tǒng)測(cè)試的終止水溫越高，系統(tǒng)的日得熱量越高，系統(tǒng)的日有用得熱量隨累計(jì)輻照量的變化呈線性關(guān)系.

（2）累計(jì)輻照量H≥17MJ／m2與H≥16MJ／m2的不同測(cè)試條件對(duì)系統(tǒng)的日有用得熱量的影響不大，說明熱水系統(tǒng)的測(cè)試條件累計(jì)輻照量下限的修訂對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果的影響很小，可以適當(dāng)放寬測(cè)試條件輻照量.因此國(guó)標(biāo)中累計(jì)輻照量的測(cè)試要求的修改是合理的.同時(shí)對(duì)熱水系統(tǒng)的測(cè)試天氣條件有所降低.

（3）根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析，起始溫度、日環(huán)境溫度范圍、累積輻照、風(fēng)速、熱損、平均環(huán)溫等因素都會(huì)影響系統(tǒng)的日有用得熱量和能效系數(shù)，因此為了減小誤差在做熱水器測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量選擇晴天條件下的多天測(cè)試的日有用得熱量的平均值作為最終的測(cè)試結(jié)果.

［1］何梓年.太陽能熱利用［M］.合肥：中國(guó)科學(xué)科技大學(xué)出版社，2009.

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［9］GB／T 19141－2011，家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.

［10］GB 26969－2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)［S］.