太阳日辐照量对太阳能热水系统热性能检测影响研究

田玉兰，朱 坚，李 超

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京市建筑安装工程质量检测中心，江苏 南京 210007）

太阳日辐照量对太阳能热水系统热性能检测影响研究

田玉兰1，朱 坚2，李 超2

（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京市建筑安装工程质量检测中心，江苏 南京 210007）

针对太阳能热水系统热性能评价规范中对太阳辐照量要求差异较大，影响实际操作的问题，开展太阳辐照量对太阳能热水系统热性能测试的影响规律研究。该文进行86d太阳日辐照量监测和27d对不同日辐照量下平板太阳能热水系统热性能的短期测试研究。结果显示：南京市满足测试规范要求的日辐照量天气较少，在5～10月约占总天数的28%；随着日辐照量的升高，水箱的温升增加，当日辐照量较大时，贮水箱温升与日辐照量的线性关系不明显；平板太阳能热水系统热性能评定指标系统温升性能Δt17与太阳日辐照量无关，由太阳能热水系统本身性能决定。对太阳能热水系统热性能检测的日辐照量要求可适当放宽，其标准需开展系统研究；太阳能热水器热水系统的日平均热效率，可作为评定指标之一。

太阳能热水系统；太阳日辐照量；热性能检测；水箱温升；日平均热效率

0 引 言

太阳能热水系统在国内建筑中的应用日益广泛。太阳能热水系统主要由太阳能集热器、贮水箱以及管路等组件组成。组件多数是在施工现场组装，因此组装后的系统性能会发生改变。为了保证太阳能热水系统性能稳定、安全可靠，应对建筑太阳能热水系统的性能进行检测与评定[1]。国内外关于太阳能热水系统检测的规范较多，检测方法、检测条件和评定标准不尽相同。检测方法分为静态测试和动态测试。我国规范采用静态测试，即在一天中连续测试数小时，而国际上一些检测机构多采用静态测试和动态测试相结合的方法[2]。国内规范对检测条件的规定有室外环境温度、室外风速和太阳日辐照量，其中对太阳日辐照量要求最严格而且不尽相同[3-5]。

我国DGJ32/JT 90——2009《建筑太阳能热水系统检测与评定规程》[1]中规定日辐照量不应小于473 W/m2（13.62MJ/m2），GB/T 18708——2002《家用太阳热水系统性能试验方法》[5]中规定日辐照量不应小于700 W/m2（20.16 MJ/m2），GB/T 19141——2011《家用太阳能热水系统技术条件》[6]规定日辐照量不应小于16MJ/m2，GBT 20095——2006《太阳热水系统性能评定规范》[7]规定日辐照量不应小于17MJ/m2。在实际操作中，南京市建筑安装工程质量检测中心发现，在南京市符合日辐照量条件要求的天数较少，严重影响工程质量检测验收。

目前国内外学者研究了日辐照量对太阳能热水器的影响，但只涉及到太阳日辐照量大小对特定的太阳能热水器试验台热性能的影响，没有指出太阳日辐照量大小对太阳能热水系统热性能检测的影响[8-10]。Joshi等[11]对国际检测规范进行了试验研究并分析了各规范间的异同点，认为CNS B 7277：No.12558——1989规范中日采集热量20 930 kJ/m2的规定不明确。He Tao等[12]对国内的太阳能检测标准GB/T1 8708——2002、GB/T 19141——2011及国际标准ISO 94592——1995的检测方法进行了研究，发现这些标准对测试时间及热性能的确定存在着差异，满足国内标准的检测天气较少，为了更好地满足国内太阳能热水器的检测，建议采取短期检测方法，但没给出具体做法。

GB/T 50801——2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》[3]对太阳能热水系统在建筑中的应用给出了具体的性能评价指标和测试方法。其中关于太阳辐照量J规定为短期测试时应至少有4 d分别分布在下列区间：1）J约8MJ/m2；2）8MJ/m2≤J约13MJ/m2；3）13MJ/m2≤J约18MJ/m2；4）18MJ/m2≤J。该标准虽然放宽了太阳辐照量最小限值，但同时对太阳辐照量分布区间进行了严格划分。

上述研究中反映了太阳辐照量对太阳能热水系统热性能评价的影响，但存在较大差异，影响实际操作。太阳能热水系统热性能是其系统属性，太阳辐照量对其测试的影响规律还需要进一步开展实测试验研究。本文于2013年5～10月，对南京市典型天气情况下日辐照量进行了监测，并于同年9～11月，测试不同的日辐照量下平板太阳能热水系统的热性能指标。

1 检测方法及装置

1.1 检测方法

依据检测规范和地方检测规程，主要测试参数有环境温度、风速、太阳辐射、水箱的进出水温，贮水箱初始进水温度恒定在（20±2）℃，集热倾角为70°。主要评价指标有：太阳日辐照量G（MJ/m2）；太阳能集热系统单位轮廓采光面积的日有用得热量q（MJ/m2），计算见式（1）；贮水箱的系统温升Δt（℃），计算见式（2）；集热器日平均效率η，计算见式（3）[1]。

式中：q——太阳能集热器单位轮廓采光面积的日有用得热量，MJ/m2；

ρw——水的密度，kg/m3；

cpw——水的比热容，kJ/（kg·℃）；

νs——贮水箱的检测水量，L；

te、tb——集热检测结束时贮水箱中水的平均温度和集热检测开始时贮水箱中水的平均温度，℃；

Ac——太阳能集热器的轮廓采光面积，m2；

H——太阳能集热器采光口所在平面的日太阳辐照量，MJ/m2。

为了对热性能进行评价，在太阳日辐照量换算成日太阳辐照量为17 MJ/m2时，将太阳能集热系统单位轮廓采光面积的日有用得热量记为q17（MJ/m2），计算见式（4）；平板太阳能热水器系统的系统温升换算成日太阳辐照量为17MJ/m2时贮水箱的系统温升，记为Δt17（℃），计算见式（5）[1]。

表1 热水器系统部件相关参数

表2 太阳能测试仪器技术指标

1.2 检测试验装置及仪器

本次检测试验装置位于南京市区某建筑屋顶，所设计安装的热水器系统部件相关参数见表1，太阳能测试仪器技术指标见表2。

2 太阳日辐照量监测与分析

本次监测太阳日辐照量从2013年5月14日到10月31日，主要对典型的天气情况进行了太阳日辐照量监测，监测天数为86 d，约占总天数的50%，天气分布见表3，太阳日辐照量监测结果见表4。

表3 5～10月天气分布

表4 典型天气太阳日辐照量监测统计结果

表5 典型辐照量所占天数

表6 不同日辐照量下太阳能热水器热性能检测结果

从表中可以看出：多云和晴天约占60%，多云、晴天、阴天和雷阵雨天气都有比较大的平均太阳日辐照量。将日辐照量（J）分布分为下列4段：J约8MJ/m2、8MJ/m2≤J约13MJ/m2、13MJ/m2≤J约18MJ/m2、18MJ/m2≤J，根据所监测到的日辐照量情况，统计出4段所占的天数，具体见表5。

从表中可以看出，5～10月南京市区太阳日辐照量集中在8 MJ/m2≤J约13 MJ/m2和13 MJ/m2≤J约18MJ/m2这两段，其中大于13MJ/m2的天数约占28%，对于J≥18 MJ/m2的天数很少，南京地区日辐照量大的天数比较少。DGJ32/JT 90——2009规定，在江苏进行太阳能热水系统检测时，当天日辐照量必须大于473W/m2（13.62 MJ/m2），而根据此次南京市太阳日辐照量监测结果，大于13.62MJ/m2的天数大约占28%，这给太阳能热水系统的检测评价带来很多不利。

3 不同日辐照量下热性能检测结果及分析

3.1 不同日辐照量下热性能检测结果

太阳能热水器热性能试验从2013年9月23日到2013年11月8日，共测试了27d，检测和计算结果见表6。

从表中可以看出，检测试验共27d，其中：1）日辐照量不符合地方规程检测条件即小于13.62 MJ/m2的有11d，占样本总数的40.7%；2）系统温升性能或日有用得热量检测不合格的天数有3d，占样本总数的11.1%；3）日辐照量不符合检测条件而且系统温升性能或日有用得热量检测不合格的有1d，占样本总数的3.7%；4）热性能不合格的1d中，有2d的太阳日辐照量比较大，日有用得热量不符合要求。

图1 太阳日辐照量与贮水箱温升变化

图2 太阳日辐照量与系统温升的变化

3.2 不同太阳日辐照量下贮水箱的温升

测试期间的太阳日辐照量G与贮水箱温升Δt见图1，可以看出：贮水箱温升与日辐照量的大小有关，随着日辐照量的升高，水箱的温升增加，但当日辐照量较大时，贮水箱温升与日辐照量的线性关系不明显。太阳能热水系统热性能与太阳能集热器的效率、天气、风速等有关[7]，而影响集热器性能的因素有集热器的安装倾角[13]、集热器构造等[14]；因此，虽然太阳日辐照量很大，但贮水箱温升不是很大。

3.3 不同太阳日辐照量下系统温升性能

太阳日辐照量G与系统温升性能Δt17关系见图2，可以看出：随着日辐照量的增加系统温升性能Δt17离散性较大，当日辐照量为2.77MJ/m2时，Δt17为最小值24℃；Δt17最大值为47.44℃，而此时日辐照量仅为7.3MJ/m2；该太阳能热水器的系统温升性能Δt17平均值为39.2℃，标准差为1.6℃；太阳日辐照量大小对系统温升Δt17几乎没有影响，系统温升Δt17是太阳能热水系统的固有特性。

图3 太阳日辐照量与集热器日平均效率的变化

3.4 不同太阳日辐照量下集热器日平均效率

太阳日辐照量G与集热器日平均效率关系见图3，可以看出本试验台集热器日平均效率η为0.34～0.65。试验中出现了当日辐照量比较高时，集热器日平均效率较低的情况，文献[7]表明在监测过程中，总辐射表测量值包括直射和散射，对集热器真正发挥作用的是直射光，而散射光对集热器的效果不好，在监测的这段时间内，南京空气污染程度不一，污染造成散射光相对比较多，因此总日射表测得的辐射中有一部分对太阳能热水温升效果不大，因此造成了太阳辐照数值较大，而集热器日平均效率不大。

由此可见，在不同的太阳日辐照量下，对同一台太阳能热水器进行系统热性能检测，日辐照量大小对热性能检测影响较小，可以根据当地的情况，在检测时适当做调整；但日辐照量过小时，贮水箱温升、系统温升性能以及集热器日平均效率不大。如果出现检测评定不合格时，可以根据天气情况增加检测天数，同时可将集热器的日平均效率作为评价指标，这将扩大太阳能热水系统全年的检测时间，提高评估效率，有利于太阳能热水器的推广使用。

4 结束语

本文通过86 d太阳日辐照量监测和27 d对不同日辐照量下平板太阳能热水系统热性能的短期测试研究，得到以下结论：

1）随着日辐照量的升高，水箱的温升增加，但当日辐照量较大时，贮水箱温升与日辐照量的线性关系不是很明显。

2）平板太阳能热水系统热性能评定指标系统温升性能Δt17与太阳日辐照量无关，由太阳能热水系统本身性能决定。

3）对太阳能热水系统热性能检测的日辐照量要求可适当放宽，其标准需开展系统研究。

4）太阳能热水器热水系统的日平均热效率，可作为评定指标之一。

[1]DGJ32/JT 90—2009建筑太阳能热水系统工程检测与评定标准[S].南京：江苏科学技术出版社，2010.

[2]刘文强.欧盟实施太阳能热水器标准检测认证对我国的启示及建议[J].可再生能源，2003（110）：6-8.

[3]GB/T 50801—2013可再生能源建筑应用工程评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]GB/T 4271—2007太阳能集热器热性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[5]GB/T 18708—2002家用太阳热水系统性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2002.

[6]GB/T 19141—2011家用太阳能热水系统技术条件[S].北京：中国质检出版社，2011.

[7]GB/T 20095—2006太阳热水系统性能评定规范[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8]王美地，李明，季旭，等.平板型太阳能热水器性能试验及其模拟对比[J].可再生能源，2013，31（5）：22-25.

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[13]何世钧，张雨，周文君.太阳能热水系统集热器最佳倾角的确定[J].太阳能学报，2012，33（6）：922-927.

[14]扬庆，丁昀，周朝晖.考虑热负荷的太阳能热水系统集热器最佳倾角确定[J].太阳能学报，2007，28（3）：309-313.

Study on daily solar radiation effect of the thermal performance testing for solar water heating system

TIAN Yulan1，ZHU Jian2，LI Chao2
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China；2.Nanjing Quality Inspection Center of Construction and Installation，Nanjing 210007，China）

The requirement of solar radiation varied greatly in the codes and standards of solar water heating system performance assessment，which affecting the practical application.So it is very imperative to decide the influencing rule of solar radiation on solar water heating system performance testing.In this paper，86 days of solar radiation monitoring and 27 days of short timeplatesolarwaterheating system performancetesting accordingto differentdailysolar radiations were conducted.The results showed that there were only 28%of all the days from May to october that can meet the daily solar radiation required by testing standard.The temperature rise in water tank showed positive linear relationship with the daily solar radiation except the daily radiation is high.The system temperature rise performance index（Δt17）is determined by performance of solar water heating system itself rather than daily solar irradiation.It is suggested that the requirement of daily radiation could be handled flexibly when testing the performance of solar heating system and systematic research needs to be conducted on the performance assessment of solar water heating system.The average daily thermal efficiency of solar water heating system can be recommended as one of testing indexes.

solarwaterheating system；daily solarradiation；thermalperformance testing；temperature rise of water tank；average daily thermal efficiency

A

：1674-5124（2015）05-0107-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.027

2014-09-21；

：2014-11-28

江苏省高校优势学科建设工程资助项目（2014-K1-059）

田玉兰（1971-），女，讲师，研究方向为建筑节能技术。