陽臺(tái)式太陽能熱水器熱性能測(cè)試分析

陳煥懿 韋 瑛

（南寧紅菱能源科技有限公司，廣西 南寧 530003）

前言

環(huán)境污染與能源危機(jī)是當(dāng)今社會(huì)的兩大難題，解決環(huán)境污染與能源危機(jī)是全人類的共同課題。隨著國(guó)家綠色居住計(jì)劃的進(jìn)行，在建設(shè)低碳生態(tài)城市的進(jìn)程中，綠色建筑將做出重大貢獻(xiàn)。在綠色建筑的推廣過程中，大力推廣節(jié)能產(chǎn)品的應(yīng)用。太陽能與建筑結(jié)合創(chuàng)造的低能耗高舒適度的健康居住環(huán)境，不僅讓住戶家庭生活得更自然更環(huán)保，而且能節(jié)能、能減污，對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。太陽能作為一種免費(fèi)、清潔的能源，在住宅建筑中的利用，將關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，可謂意義深遠(yuǎn)。太陽能與建筑的結(jié)合，也在住宅建設(shè)中越發(fā)呈現(xiàn)出其不可替代的地位，并成為住宅建設(shè)中的一個(gè)最新發(fā)展趨勢(shì)，但是城市在不斷發(fā)展，可利用土地資源越來越小，使得現(xiàn)今住宅基本上是高密度高層的建筑。這影響著目前最節(jié)能最環(huán)保的可再生能源產(chǎn)品太陽能熱水器的推廣應(yīng)用，即給常規(guī)的太陽能熱水器在高層建筑安裝帶來極大的困難。為了弄清在廣西地區(qū)的氣候條件下，陽臺(tái)式太陽能熱水器的全年運(yùn)行的熱性能，我們從2013年初開始建立了陽臺(tái)式太陽能熱水器的測(cè)試裝置，針對(duì)陽臺(tái)式太陽能熱水器全年運(yùn)行的熱性能，進(jìn)行了一年多的連續(xù)測(cè)試分析研究。整理分析了全年測(cè)定獲得的數(shù)據(jù)，得出了測(cè)試分析研究的結(jié)果，為陽臺(tái)式太陽能熱水器在廣西的開發(fā)和推廣應(yīng)用提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為一套2m2陽臺(tái)式太陽能熱水器裝置，由集熱器、儲(chǔ)熱水箱、連接管道、自動(dòng)控制器等組成裝置，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 熱損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 陽臺(tái)式太陽能熱水系統(tǒng)測(cè)試

2 測(cè)試分析

2.1 為了了解太陽能熱水器的熱性能，通過以下測(cè)試儀器測(cè)試：

計(jì)算機(jī)、RM-ZS1氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)主機(jī)、總幅射傳感器TBQ-2、環(huán)境溫濕度傳感器（帶防輻射罩）PTS-3、風(fēng)速傳感器EC-9S、流量計(jì)、溫度計(jì)。

測(cè)試前，做好調(diào)整儀器等一切準(zhǔn)備工作。試驗(yàn)開始時(shí)，將輻射表頭的罩子揭開，使集熱器吸熱面與其同時(shí)接受陽光的照射，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)可進(jìn)行熱量與效率的計(jì)算。

太陽能熱水系統(tǒng)的熱性能通常用日有用得熱量、升溫性能、日平均效率等指標(biāo)來表征。在一定的太陽輻照量下，太陽熱水系統(tǒng)中輪廓采光面積貯水箱內(nèi)水的日得熱量為

表3 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)表

日平均效率為

式中：

Qs為儲(chǔ)水箱內(nèi)水的日有用得熱量，MJ；

CP為水的比熱容，kJ／（kg·℃）；

Te為水箱終止水溫，℃；

Tb為水箱起始水溫，℃；

AC為太陽集熱器輪廓采光面積，m2，1.826

G為太陽集熱器采光面上太陽輻照量 MJ；

M為水箱的容量kg

儲(chǔ)熱水箱容量：150kg，立式,有上下兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，放在水箱的1/2分界線位置，上循環(huán)管接口低于水箱中心線,

運(yùn)行方式：溫差強(qiáng)制循環(huán)；

在2013年4月、8月、11月、12月份對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行4天的測(cè)試，結(jié)果如下：

由表2可見太陽能熱水系統(tǒng)日平均效率超過50%。

2.2 通過擬合，陽臺(tái)式太陽熱水器的得熱量表示式為：

2.3 陽臺(tái)式太陽能熱水器平均熱損因數(shù)

儲(chǔ)熱水箱熱損系數(shù)Us和系統(tǒng)平均熱損因數(shù)USL的關(guān)系為：

儲(chǔ)熱水箱熱損系數(shù)為：

經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算得表3數(shù)據(jù)

由表3看出，儲(chǔ)熱水箱熱損系數(shù)US為1.657，熱水器的熱失損因數(shù)USL為 11.047 W/（m3·K），符 合 國(guó) 標(biāo)關(guān)于分離式太陽熱水器平均熱損因數(shù)USL≤ 22 W/（m3·K）的要求，說明熱水箱的保溫性能較好。

2.4 通過測(cè)試，我們對(duì)陽臺(tái)式太陽能熱水器在設(shè)計(jì)上做出二點(diǎn)改進(jìn)措施，以提高太陽能的效率。

①陽臺(tái)分體式太陽能熱水器的儲(chǔ)熱水箱與電加熱系統(tǒng)采用整體式，加熱水箱上層熱水對(duì)太陽能利用更為合理，更省電，使用更方便且降低成本，能確保一年四季源源不斷提供熱水。

②陽臺(tái)式太陽能熱水器與輔助能源的空氣源熱水器設(shè)計(jì)為一體機(jī)，確保全天候提供熱水。

3 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過一年多的測(cè)試，選取其代表性的原始數(shù)據(jù)（見表2）進(jìn)行熱性能計(jì)算，并得到了廣西地區(qū)陽臺(tái)式太陽能熱水器的日平均效率（表2）表明了在不同氣候下，廣西地區(qū)日輻射量的變化。廣西地區(qū)一天中輻射值較高的時(shí)間是中午12：00時(shí)左右，從設(shè)計(jì)上來考慮問題在11：00～14：00時(shí)間內(nèi)應(yīng)盡量避免有陰影投射在熱水器表面上。測(cè)得的系統(tǒng)日平均產(chǎn)水量分別為夏季晴好天產(chǎn)50～65℃熱水75kg/m2·日。冬季陰天水箱上層溫度比自來水溫度高出10℃以上。廣西地區(qū)太陽能輻射強(qiáng)度大，日照小時(shí)數(shù)在1600～2200小時(shí)，一年內(nèi)能使用太陽能熱水器的天數(shù)可達(dá)280天，少也有240天，年平均天數(shù)大約為260天左右。因此，廣西發(fā)展太陽能熱水器大有潛力。

結(jié)語

通過進(jìn)行熱性能測(cè)試分析，對(duì)廣西地區(qū)的陽臺(tái)太陽能熱水系統(tǒng)在全年的運(yùn)行中的產(chǎn)水量、熱水系統(tǒng)的平均日效率、熱損失系數(shù)等，有了較為確切的了解，對(duì)今后設(shè)計(jì)陽臺(tái)式太陽能熱水器提供了較為可靠的依據(jù)，從而使陽臺(tái)式太陽能熱水器的設(shè)計(jì)更為合理，對(duì)陽臺(tái)式太陽能熱水器的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

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