累计太阳辐照量对真空管太阳能热水器日得热量的影响＊

李仁飞， 高文峰， 刘滔， 林文贤

（云南师范大学 太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南 昆明650092）

家用太阳能热水器根据集热器的不同，主要分为平板型和真空管型两种类型.全玻璃真空管太阳能热水器因其生产成本低廉、运行稳定、应用地域广等优点，已成了国内太阳能热水器的主流产品，其市场份额占国内太阳能热水器市场的90%以上［1－2］.在对家用热水器热性能研究中，许多学者已做了大量的工作，其中，管祚尧等［3］分析了日有用得热量Q17判断热水系统性能的优点.魏凤等人［4］分析了太阳辐照量、环境风速和温度对系统得热量和热损的影响规律，得出日有用得热量Q17主要受日辐照量和风速的影响.马迎昌等人［5］对热水系统的日有用得热量Q17的实验影响条件做了研究.殷志强等人［6］对环境和测量不确定度对太阳热水器能效等级迁移的影响做了分析和研究，得出日平均环境温度不同会引起系统能效等级的迁移.刘雪平等人［7］对家用太阳能热水器的两种得热量测试方法做了对比研究，得出排水法测得的日有用得热量Q17略高于混水法.

日有用得热量Q17是判断家用太阳热水系统热性能好坏的重要参数之一，主要是按国家标准GB／T18708［8］作为热性能测试方法，GB／T19141［9］作为测试依据，GB／T26969［10］则是利用前两个标准为基础，对测得产品的热性能参数按一定的计算方法计算得到热水器的能效值并规定了能效等级.目前现行有效的 GB／T19141－2011是在GB／T19141－2003的基础上修订的，在对热性能参数测试要求上，GB／T19141－2003中要求当天8个小时的累计太阳辐射量≥17MJ／m2，而GB／T19141－2011只要求当天8个小时的累计太阳辐射量≥16MJ／m2.但实际测试时，累计太阳辐射值变化较大，以昆明为例，实际可测得的累计太阳辐射值约在16～26MJ／m2.因此，有必要对不同辐照条件下家用热水器的日有用得热量进行研究，并和折算成标准要求辐照条件下的日有用得热量进行对比.

本文对同一套真空管家用太阳能热水器系统在辐照量不同、而其他测试条件相近的情况下的测试结果进行了分析，为真空管太阳能热水器的标准制定及修订和企业对产品性能的测试与分析提供一些有益参考.

1 试验装置及测试方法

1.1试验装置

本试验采用国内市场常见的紧凑式全玻璃真空管太阳能热水器为测试对象，该热水器所用真空管数为20管，正南放置，倾角为45°，采光面积为2.45m2，水箱容水量为140.5L.检测设备为TRM－2型太阳能热水器热性能测试系统，各测量仪表均按期进行过校准，测试所用传感器相关参数见表1.测试地点位于云南师范大学太阳能研究所楼顶，测试时间从2012年12月16日到2013年3月16日.

表1 太阳能热水系统性能测试仪参数Table 1 The parameters of performance testing equipment for solar water heating system

1.2 试验方法

根据GB／T 18708－2002的要求，系统日得热量的测试方法采用混水法［6］进行，具体步骤及方法如下：

系统工作8小时后用篷布遮挡起来，启动水泵，以400～600L／h的流量，将贮热水箱内的水循环起来直至贮热水箱内部的水温均匀，保持5min以使上贮热水箱入口温度的变化保持在±0.2℃，采用数据采集仪记录水箱内上中下三个测温点的温度tb，三个测温点的平均值即为真空管集热系统试验结束时贮热水箱内的水温te，则贮热水箱内水的体积为Vs时所含的得热量Qs，应用式（1）进行计算：

ρ—水箱中水的密度，kg／m3；

С—水的比热容，J／（kg·℃）；

Vs—水箱的容水量，m3；

te—热水器集热8小时，混水均匀后水箱内三个测温点的平均温度，即终止温度，℃；

tb—开始测试前，混水均匀后水箱内三个测温点的平均温度，即起始温度，起始温度在（20±0.2）℃以内，℃；

用公式（1）计算得到的日得热量QS来计算日有用得热量Q17，计算公式为［7］

式中H为测试8小时的累计辐照量，MJ／m2；

系统的日平均效率定义为

1.3 系统的能效测试及计算

根据国标GB 26969－2011，家用太阳能热水系统能效系数按（3）式计算［8］：

CTP—家用太阳能热水系统能效系数；

Q17（e）—GB／T 19141－2011试验条件下测试与计算，相当于日太阳辐照量为17MJ／m2所得的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量，MJ／m2；

Q17（m）—GB／T 19141－2011规定的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量的通过最小值，MJ／m2；

α—权重系数，表示平均热损因数在家用太阳能热水系统能效系数中的权重，在国标中a取0.9；

USL（e）—试验条件下测试所得的家用太阳能热水系统的平均热损因数，W／（m3·K）；

USL（m）—GB 26970－2011规定的家用太阳能热水系统的最大平均热损因数，W／（m3·K）.

2 试验条件

为了减小试验中环境条件所带来的误差，试验均按照 GB／T 19141－2011［7］中太阳能热水系统的试验测试条件进行：

水箱内起始温度：（20±0.2）℃；

累计日太阳辐照量≥16MJ／m2；

日平均环境温度范围：8～30℃；

平均风速≤4m／s.

3 试验数据分析

3.1 试验结果

根据测试要求，对同一套真空管热水器系统，在达到测试要求后，测得多天系统的起始温度、终止温度、日环境温度范围和累计辐照量.为了减小环境条件的影响，试验数据尽可能选取在晴朗天气状况下、起始时间尽量一致、辐照波动不大、单天试验数据线性相关性较好的数据.表2为采用混水法测试和计算得到的具有代表性的试验数据，根据公式（1）和（2）计算得到系统的日得热量和日有用得热量.

表2 试验数据及日有用得热量计算Table 2 Experimental data and calculation of daily useful energy

从日得热量的计算公式和系统的热平衡方程可以看出，假定水的密度、比热容、涂层的参数和系统的热损等在整个实验过程中为定值，则日得热量与水箱的体积、起始温度和终止温度有关，对于同一台真空管热水器，体积是不变的，所以只与起始温度、终止温度和辐照有关，本试验中，控制起始温度在（20±0.2）℃以内，所以日得热量只受辐照量、风速和环境温度的影响.

3.2 试验对比及分析

从图1可以看出，在试验时间段内，其他测试条件相近，起始温度在（20±0.2）℃以内，测试累计辐照量从16.810MJ／m2增加到25.722MJ／m2，水箱内测试终止温度随辐照量从50.1℃增加到67.9℃，增量为17.8℃，系统的终止温度随累计辐照量增加而增加.

由最小二乘法，利用试验数据，通过系统的效率计算公式（4）拟合得到系统的日得热量与累计辐照量的关系如图2.从图2可看出：累计辐照量从16.81MJ／m2增加到25.72MJ／m2，日得热量从7.98MJ增加到11.52MJ，增加了约4.34MJ，说明在测试要求H≥16MJ／m2的测试条件下，累计辐照量对系统的日得热量的影响较大，且系统日得热量随累计辐照量的变化关系利用最小二乘法拟合得到的曲线斜率为0.44，标准偏差为0.001，可以忽略不计，曲线斜率即为系统的日平均效率η.通过多天试验数据计算得到系统的日平均有用得热量为7.49MJ，通过效率公式计算系统的日有用得热量为7.48MJ.效率曲线通过原点，说明系统的日得热量与累计辐照量存在着线性关系，可以通过多天的试验测试数据计算得到的日有用得热量的平均值作为最终测试结果，以减小试验带来的误差.

图1 水箱温度与累计辐照量关系Fig.1 Relationship between temperature of the tank and cumulative irradiation

图2 日得热量与累计辐照量关系Fig.2 Relationship between daily energy and cumulative irradiation

根据 GB／T 19141－2011［7］中日有用得热量的计算，利用试验数据得到系统日得热量及日有用得热量.系统日得热量和日有用得热量与累计辐照量的关系如图3.

从图3分析可知，随着累计辐照量的增加日有用得热量总体趋势基本不变，在测试累计辐照范围内，日得热量增量为4.34MJ，当累计辐照量到17MJ／m2时，日得热量和日有用得热量很接近.说明累计辐照量对系统的日有用得热量的影响基本可以忽略，总体上系统的日得热量与测试累计辐照量呈线性关系.对于累计辐照量从17 MJ／m2降到16MJ／m2的情况，对系统的日有用得热量的影响不是很大，说明热水系统的测试条件累计辐照量下限的修订对系统的测试结果的影响很小，可以适当地降低测试条件辐照量.说明新国标对测试条件的修改是合理的.从图和试验数据分析来看，太阳累计辐照量在达到测试最低要求16MJ／m2后，随累计辐照量的增加，系统的测试结果更理想.

图3 系统日得热和日有用得热量与累计辐照量关系Fig.3 Relationship between daily energy＆daily useful energy of system and cumulative irradiation

从试验数据和计算结果中可以得出，总体上日得热量随累计辐照量的增加而呈线性关系，线性拟合得到的斜率即为系统的效率，但试验过程中，高累计辐照量所对应的日有用得热量不一定高于低累计辐照量所对应的日有用得热量，从试验的条件和文献［2］分析是由于环境温度、风速等测试条件虽然尽量保持相近但还是有一些不同造成的.

图4 能效系数和日有用得热量关系Fig.4 Relationship betwe enenergy efficiency coefficient and daily useful energy

由图4和能效系数的计算分析可知，系统的能效系数随日有用得热量的增加而增加，但增幅不是很大，不会引起系统能效等级的变化.且在本试验中，假定多天测试中系统的热损是相同的，系统的能效系数就只与系统的日有用得热量有关，从理论和试验结果得出，系统的能效系数和系统的日有用的热量存在线性关系.通过试验和理论分析得出，达到测试条件后，累计日辐照量的变化对系统的日有用得热量和能效系数的影响很小基本可以忽略不计.

4 结 论

通过对全玻璃真空管热水器系统在不同辐照条件下的多天试验研究发现：在达到测试要求后，不同的累计辐照量对系统的日有用得热量的影响可以忽略，但总体来说，在累计辐照量相对较高情况下，系统的日得热量比较理想.具体结果如下：

（1）在达到系统测试条件后，累计辐照量越高，系统测试的终止水温越高，系统的日得热量越高，系统的日有用得热量随累计辐照量的变化呈线性关系.

（2）累计辐照量H≥17MJ／m2与H≥16MJ／m2的不同测试条件对系统的日有用得热量的影响不大，说明热水系统的测试条件累计辐照量下限的修订对系统的测试结果的影响很小，可以适当放宽测试条件辐照量.因此国标中累计辐照量的测试要求的修改是合理的.同时对热水系统的测试天气条件有所降低.

（3）根据试验测试结果分析，起始温度、日环境温度范围、累积辐照、风速、热损、平均环温等因素都会影响系统的日有用得热量和能效系数，因此为了减小误差在做热水器测试时应尽量选择晴天条件下的多天测试的日有用得热量的平均值作为最终的测试结果.

［1］何梓年.太阳能热利用［M］.合肥：中国科学科技大学出版社，2009.

［2］丁祥，林文贤，许玲，等.热管式真空集热管及其太阳集热器的研究与应用［J］.云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（4）：41－49.

［3］管祚尧，王建伟.“日有用得热量”测试探讨［J］.太阳能，2004 （4）：41－42.

［4］魏凤，张晓黎，辛礼.环境条件对全玻璃真空太阳能热水器热性能的影响［J］.能源技术，2006，27（3）：63－65.

［5］马迎昌，周玲，马光柏.对日有用得热量试验条件的实验研究［J］.太阳能，2011（14）：46－48.

［6］殷志强，马光柏，李郁武，等.环境与测量不确定度对太阳热水器能效等级迁移的影响［J］.太阳能，2012（13）：18－22.

［7］刘雪平，高文峰，许玲，等.平板型立式水箱太阳热水器两种得热量测试方法对比研究［J］.云南师范大学学报：自然科学版，2011，31（4）：36－40.

［8］GB／T 18708－2002，家用太阳热水系统热性能试验方法［S］.

［9］GB／T 19141－2011，家用太阳热水系统技术条件［S］.

［10］GB 26969－2011，家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级［S］.