太陽能熱水系統(tǒng)多天熱性能試驗

山東力諾瑞特新能源有限公司 ■ 馬迎昌 馬光柏 周玲

一 引言

家用太陽能熱水系統(tǒng)多天熱性能的測試方法，國內(nèi)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T18708—2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》，國際上主要依據(jù)ISO9459-2《Solar heating - Domestic water heating systems - Part 2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems》。在方法上，兩者相同的要求為：至少應(yīng)有4d試驗結(jié)果具有相近的(tad-tb)值，且太陽輻照量平均分布在8～25MJ/m2范圍內(nèi)。不同的是：ISO9459要求同時還應(yīng)包括另外2d的(tad-tb)值與前4d的(tad-tb)值相差超過±9℃的測試結(jié)果，每1d的(tad-tb)值應(yīng)在-5～20℃范圍內(nèi)。根據(jù)多天熱性能的數(shù)據(jù)，再用最小二乘法擬合得到家用太陽能熱水系統(tǒng)的能量輸入輸出方程：Q=a1H+a2(tad-tb)+a3。

為探討國標(biāo)采用至少4d的測試方法和國際標(biāo)準(zhǔn)采用至少6d的測試方法完成家用太陽能熱水系統(tǒng)多天熱性能測試的區(qū)別，本文在完成相關(guān)試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外檢測機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析，以期對多天熱性能測試方法的實施有所幫助。

二 檢測數(shù)據(jù)及分析

共有4臺家用太陽能熱水系統(tǒng)多天熱性能檢測的數(shù)據(jù)，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#。其中1#、2#為山東力諾瑞特新能源有限公司測試，3#、4#分別為德國和南非測試。數(shù)據(jù)來源信息見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源

1 1#樣品數(shù)據(jù)分析

1#樣品為分體式強制循環(huán)系統(tǒng)，容水量150L，原始數(shù)據(jù)見表2。

表2 1#樣品多天熱性能測試數(shù)據(jù)

分別按全部測試數(shù)據(jù)、滿足ISO9459-2要求選取的6d數(shù)據(jù)、滿足GB/T18708—2002要求選取的4d數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合。由于1#樣品的數(shù)據(jù)可選取兩組滿足要求的數(shù)據(jù)，得到兩組不同天數(shù)數(shù)據(jù)的能量輸入輸出方程，見表3。

將以上兩組共6個能量輸入輸出方程式取(tad-tb)=0，分別繪制系統(tǒng)得熱量Q與太陽輻照量H的關(guān)系圖，如圖1、圖2。

由表3的擬合結(jié)果和Q-H關(guān)系圖可見，第1組方程中，6d數(shù)據(jù)和全部數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果差別不大，但與4d數(shù)據(jù)擬合的方程差距較大，a3值達(dá)到-5.723，明顯不合理，tad-tb=0時的Q-H關(guān)系圖也直觀反映了三者的差別。第2組方程中，全部數(shù)據(jù)、6d數(shù)據(jù)、4d數(shù)據(jù)擬合結(jié)果差距不明顯，但4d數(shù)據(jù)與全部數(shù)據(jù)擬合的a1、a3有一定差別，在Q-H關(guān)系圖中也有一定體現(xiàn)。分析認(rèn)為兩組方程的差距，主要是由所選4d的(tad-tb)差距較大造成。第1組的(tad-tb)值平均達(dá)到10.4℃，而第2組較小，平均為-0.2℃。可見僅選取4d數(shù)據(jù)作為能量方程擬合數(shù)據(jù)時，有可能出現(xiàn)較大偏差。

表3 1#樣品兩組數(shù)擬合結(jié)果

2 2#樣品數(shù)據(jù)分析

2#樣品原始數(shù)據(jù)見表4。

表4 2#樣品多天熱性能數(shù)據(jù)

2#樣品所選取的數(shù)據(jù)中，4d的(tad-tb)值相近的有兩組可選，其中第1組“四”(tad-tb)較接近，第2組“4”輻照分布范圍較大，擬合結(jié)果見表5。

表5 2#樣品兩組數(shù)擬合結(jié)果

同樣，2#樣品的兩組能量輸入輸出方程式取(tad-tb)=0時，分別繪制得熱量Q與輻照量H的關(guān)系圖，如圖3、圖4所示。

由表5中2#樣品的兩組擬合結(jié)果及Q-H關(guān)系圖比較可見，第1組所選的數(shù)據(jù)中，4d擬合、6d擬合的結(jié)果與全部數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果差距較大，a3較大，已屬于不合理的數(shù)據(jù)，說明測試時總輻照量的分布對系統(tǒng)擬合結(jié)果影響較大。第2組選取的數(shù)據(jù)中，總輻照量的分布較寬，3種數(shù)據(jù)擬合得到的結(jié)果較第1組差別更小。另外，兩組擬合結(jié)果中，6d擬合的結(jié)果較全部數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果更接近，而4d擬合的結(jié)果差距較大，說明只用4d的數(shù)據(jù)擬合有較大偏差風(fēng)險。

3 3#樣品數(shù)據(jù)分析

3#樣品原始數(shù)據(jù)來源于德國斯圖加特大學(xué)ITW檢測中心，見表6。

表6 3#樣品多天熱性能測試數(shù)據(jù)

3#樣品選取兩組4d的數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)的區(qū)別在于其中有1d的數(shù)據(jù)選取不一樣，4d之外選取的另2d的數(shù)相同。該數(shù)據(jù)不足之處是沒有完全滿足“另外2d的(tad-tb)值與前4d的(tad-tb)值相差超過±9℃的測試結(jié)果”。但全部數(shù)據(jù)擬合結(jié)果依然可信。各組數(shù)擬合結(jié)果見表7。

表7 3#樣品兩組數(shù)擬合結(jié)果

同上，根據(jù)表7擬合的結(jié)果，分別繪制兩組(tad-tb)=0時的Q-H關(guān)系圖，如圖5、圖6。

從擬合結(jié)果和Q-H圖可見，第1組中4d的數(shù)據(jù)(tad-tb)很接近，擬合得到的方程顯然不正確。而選用6d的數(shù)據(jù)擬合，則得到與全部數(shù)據(jù)擬合結(jié)果很接近的方程。僅改變第1組中1d數(shù)據(jù)選取，得到第2組中4d的數(shù)據(jù)，擬合的結(jié)果顯著改變，與全部數(shù)據(jù)擬合得到的數(shù)據(jù)差別變小，6d數(shù)據(jù)擬合得到的結(jié)果更接近全部數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。由此可見，選取4d的(tad-tb)相近的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的方程可能有很大偏差，而選取6d的數(shù)據(jù)擬合一般可得到較準(zhǔn)確的方程。

4 4#樣品數(shù)據(jù)分析

4#樣品原始數(shù)據(jù)來源于南非SABS，見表8。

表8 4#樣品多天熱性能測試數(shù)據(jù)

分別按選取的4d、6d和全部數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得4#樣品的能量方程見表9。

表9 4#樣品兩組數(shù)擬合結(jié)果

繪制4#樣品(tad-tb)=0時的Q-H關(guān)系圖，見圖7。

該樣品所選取4d、6d和全部數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果差別很小，主要原因是(tad-tb)的差距已較大，加之這4d的輻照分布較好，因此4d擬合得到的結(jié)果較合理。該樣品的數(shù)據(jù)同樣也選取了不同的4d數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果無明顯差別，因此不再羅列比較。

三 討論

根據(jù)以上4臺樣品的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對于家用太陽能熱水系統(tǒng)的多天熱性能測試，有如下討論：

(1)在進(jìn)行家用太陽熱水系統(tǒng)多天熱性能測試時，按照GB/T18708—2002的要求，至少應(yīng)有4d試驗結(jié)果具有相近的(tad-tb)值，且太陽輻照量平均分布在8～25MJ/m2范圍內(nèi)，如果僅取4d的熱性能數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的系統(tǒng)能量輸入輸出方程出現(xiàn)偏差的風(fēng)險很大；而如果按照ISO9459-2的要求，“數(shù)據(jù)應(yīng)包括另外2d的(tad-tb)值與前4d的(tadtb)值相差超過±9℃的測試結(jié)果”，則擬合得到的結(jié)果準(zhǔn)確性較好。因此不應(yīng)僅選取4d滿足國標(biāo)條件的結(jié)果進(jìn)行擬合。當(dāng)然在實際進(jìn)行多天熱性能測試過程中，一般測試天數(shù)都較多，極少出現(xiàn)正好4d的測試就能滿足國標(biāo)條件的情況，此時建議在測試數(shù)據(jù)沒有異常的情況下，將全部測試進(jìn)行擬合，得到的方程更準(zhǔn)確。

(2)多天熱性能測試中，總太陽輻照量的分布非常重要，H平均分布在8～25MJ/m2范圍內(nèi)，擬合得到的結(jié)果更能反映系統(tǒng)的熱性能，因此在測試過程中應(yīng)注意進(jìn)行調(diào)整。相比之下，(tad-tb)的接近程度對系統(tǒng)擬合方程的影響較小，甚至測試中可不必刻意調(diào)節(jié)不同天的(tad-tb)使其近似。

(3)對于家用太陽能熱水系統(tǒng)，多天熱性能測試時間越長，太陽輻照量分布范圍越廣、(tad-tb)值的數(shù)量越多，全部數(shù)據(jù)擬合后的能量輸入輸出方程就越能夠真實反映出熱水系統(tǒng)的熱性能情況。

(4)以上4臺樣品中，未涉及我國目前已較常見的陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)。筆者在進(jìn)行該項研究時，對陽臺壁掛系統(tǒng)也進(jìn)行了多天熱性能測試，但由于其安裝角度的關(guān)系(一般為60?～75?)，集熱器采光面上的太陽輻照量H較低，很難達(dá)到17MJ/m2以上，更不用說20甚至25MJ/m2。因此，其多天熱性能擬合結(jié)果不理想，故未進(jìn)行深入分析。要完成陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)的多天熱性能測試，需要較長周期的測試，才有可能得到滿足輻照分布要求的數(shù)據(jù)。另一種方法是測試過程中改變集熱器的傾角，得到需要的H，但如此對系統(tǒng)性能的影響卻不得而知。因此，陽臺壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)的多天熱性能測試還需進(jìn)行更多試驗，才能總結(jié)出更合理可行的方法。

(5)由于我國特殊的發(fā)展需要，對于家用太陽能熱水系統(tǒng)，一般按照GB/T19141的要求，采用單天熱性能測試獲得單位輪廓面積日有用得熱量的方式，判斷系統(tǒng)的熱性能情況，這符合我國的需要。國外則多采用多天熱性能的方法，獲得系統(tǒng)的能量輸入輸出方程。因此，對于家用太陽能熱水系統(tǒng)，需進(jìn)行多天熱性能測試時，建議采用ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

四 結(jié)語

本文根據(jù)自身測試的數(shù)據(jù)和兩個國外檢測機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，分析了家用太陽能熱水系統(tǒng)多天熱性能測試方法中，采用不同標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)擬合得到系統(tǒng)能量輸入輸出方程的差異，總結(jié)出來供大家討論，籍此共同進(jìn)步。

符號表

[1]GB/T18708-2002, 家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法[S].

[2]ISO9459-2, Solar heating - Domestic water heating systems - Part 2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems[S].