家用太阳能热水系统热性能及能效等级探讨

刘彦佐，孙金栋，刘建鹏，丁海涛

（1.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044；2.北京建筑材料检验研究院有限公司，北京 100041）

1 引言

太阳能是清洁可再生能源，是21世纪以后人类可期待的，最有希望的能源之一。太阳能热水器是利用太阳辐射能的装置，对阳光进行吸收并传递热能给水箱内水，以达到提高水温并向人们供给生活热水的目的。太阳能热水系统的发明和普及改善了人们的生活，更重要的是减少了对生活中常规能源尤其是化石能源的消耗。

太阳能热水系统是我国在太阳能热利用领域具有自主知识产权、技术最成熟、依赖国内市场产业化发展最快、市场潜力最大的技术，也是我国在可再生能源领域唯一达到了国际领先水平的自主开发技术。我国家用太阳能热水系统产品检测主要依据《家用太阳能热水系统技术条件》（GB/T 19141-2011），其能效的评定则是依据《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》（GB 26969-2011）。本文将对家用太阳能热水系统的核心指标热性能及能效等级做些探讨。

2 热性能

《家用太阳能热水系统技术条件》（GB/T19141-2011）[1]中热性能的检测包括3个参数，即太阳辐照量为17JM时单位轮廓采光面积日有用得热量，贮热水箱结束水温和家用太阳能热水系统的平均热损因数。

2.1 单位轮廓采光面积日有用得热量

试验条件：

①日太阳辐照量H≥16MJ/㎡；

②集热试验开始时贮热水箱内的水温 tb=（20.0±1.0）℃；

③集热试验期间日平均环境温度8℃≤tad≤35℃；

④环境空气的流动速率v≤4m/s。

试验期间单位轮廓采光面积的日有用得热量q计算公式如下：

cρwm水的比热容，单位为J/（kg·℃）；

m贮热水箱容水质量，单位为kg；

te集热试验结束时贮热水箱内的水温，单位℃；

tb集热试验开始时贮热水箱内的水温，单位为℃；

Ac轮廓采光面积测量值，单位为㎡。

从单位轮廓采光面积的日有用得热量q计算公式可知，主要影响因素为贮热水箱容水质量、集热试验结束时贮热水箱内的温差和轮廓采光面积测量值。而家用真空管型太阳能热水系统贮热水箱容水质量和集热试验结束时贮热水箱内的温差主要受真空集热管、集热器设计角度和容水量配比等因素影响。

标准中对轮廓采光面积（无反射器）定义如图1、图2所示。

平板型太阳能热水系统的轮廓采光面积即为太阳能集热面积，而真空管型太阳能热水系统轮廓采光面积包括太阳能集热面积和真空管之间的间距面积。也就是说真空管型太阳能热水系统真空管的管间距也是热性能影响的重要因素。

同一厂家同一贮热水箱水量的管径58mm管长1800mm的16支管紧凑直插式家用太阳能热水系统，一台管间距为80mm，一台管间距为75mm。管间距80mm太阳能热水器轮廓采光面积实测为2.076㎡，管间距75mm太阳能热水器轮廓采光面积测试为1.952㎡，轮廓彩光面积相差6%，通过我们实验测试这两台热水器太阳辐照量17JM时日有用得热量基本相同，按照标准的太阳辐照量为17JM时单位轮廓采光面积日有用得热量却相差6%。

图1 平板太阳集热器

图2 真空管太阳集热器

建议把评定参数单位轮廓采光面积改为单位采光面积作为家用太阳能热水系统热性能的考核指标，避免真空管型家用太阳能热水系统简单缩小管间距来提升热性能数据。

2.2 贮热水箱结束水温

太阳辐照量为17JM/（㎡·d）时，贮水箱结束水温计算公式如下：

tb为集热试验开始时贮热水箱内的水温（20.0±1.0）℃，t17取决于 te测试值，主要由贮热水箱水量和集热器采光面积配比，集热器性能等产品特性决定。除此之外集热试验期间日平均环境温度8℃≤tad≤35℃，环温范围较大对贮热水箱结束水温的不确定性也有一定的影响。建议增加环温对贮热水箱结束水温的修正或者减少试验时环温的范围，减少试验结果的不确定性。

2.3 平均热损因数

家用太阳能热水系统的平均热损因数USL的计算公式为

ti为热损试验中贮热水箱内的初始水温，单位为℃；

tf为热损试验中贮热水箱内的最终水温，单位为℃；

tas(av)为热损试验过程环境温度的平均值，单位为℃；

Δτ为时间间隔，单位为s。

式中 ρw、cpw、Δτ均为固定计算值，家用太阳能热损的计算主要取决于热损试验中的贮热水箱的初始水温、终止水温及环境温度。主要是由水箱的保温效果决定的，可以通过增加水箱保温层厚度、改善发泡工艺、合理设计水箱上的孔洞等方法提高水箱的保温效果。除了产品的特性影响因素外，热损试验时的初始贮热水箱温度高低对热损也有些的影响。一定的环境温度下，初始水温越高，则热损越大[2]。

3 能效等级

家用太阳能热水系统能效等级依据的《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》（GB 26969-2011）标准实施多年，对家用太阳能热水系统低能效产品的淘汰提供了保证。然而家用太阳能热水系统产品日趋成熟，使得现有备案能效等级产品大部分满足1级最高能效要求，这就要求提高能效标准的要求，促使热水系统生产厂家研发更高效的产品。

家用太阳能热水系统能效等级主要是根据能效系数CTP决定的，其计算公式如下：

其中，单位轮廓采光面积日有用得热量Qs(e)和平均热损因数 Qsl(e)依据GB/T 19141测试得出。GB/T 19141中规定：紧凑式家用太阳能热水系统的单位轮廓采光面积日有用得热量最小值Qs(m)为7.7MJ/m2，平均热损因数最大值Qsl(M)为16W/（m3·K）。由于平均热损因数精确度标准要求是整数位，可能导致同一CTP而实际效果会有些偏差。设定台两台紧凑式家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量9.1MJ/m2，平均热损因数结果都是12W/（m3·K），但平均热损因数实测值一个可能是11.6W/（m3·K），另一个可能 12.4W/（m3·K），按照同一个单位轮廓采光面积日有用得热量9.1MJ/m2，计算标准的CTP为0.51，平均热损因数12.4W/（m3·K）的CTP实际为0.53，平均热损因数11.6W/（m3·K）的 CTP 实际为 0.48，热损因数越大的实际CTP跟标准CTP偏差可能会越大。建议GB/T 19141中对平均热损因数的规定准确到小数点后一位，如紧凑式家用太阳能热水系统平均热损因数最大值 Qsl(M)为 16.0W/（m3·K）。

另外，《新能源效率标识管理办法》于2016年6月1日起实行，其中规定能效标识的名称为“中国能效标识”，应包括以下基本内容：

①生产者名称或者简称；

②产品规格型号；

③能效等级；

④能效指标；

⑤依据的能源效率强制性国家标准编号；

⑥能效信息码。

比2004年8月13日发布的《能源效率标识管理办法》中增加了能效信息码，现生产销售的家用太阳能热水系统应按《新能源效率标识管理办法》要求实施。

4 总结

家用太阳能热水系统是太阳能热利用中最广泛的应用，GB/T 19141-2011和GB 26969-2011构成了产品较为完善的评价标准。随着产品的性能提升，标准的一些指标和细节之处希望可以进一步加强完善，从而保证促进太阳能光热行业更加快速健康的发展。