關于提高南非排水法得熱量試驗的探討

張海濤 梅利輝 董大江

（青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

關于提高南非排水法得熱量試驗的探討

張海濤 梅利輝 董大江

（青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

采用改變單一變量方法按照南非標準SANS 6211-1測定得熱量Qu，發現不同出水方式對得熱量影響較大。分析結果表明此種差異主要是冷熱水的混水情況不同造成的，本文根據測試結果提出了提高得熱量的有效方法。

全玻璃真空管；浮球箱；南非標準；排水法；得熱量

1 引言

隨著世界人口的增長和人們對能源依賴程度的增加，能源短缺已經成為各國所面臨的越來越嚴重的問題，而太陽能作為一種可再生能源具有普遍、無害、巨大、長久等其它新能源無法比擬的優勢。中國三分之二以上國土面積的太陽能年日照時間均大于2200h，年輻射總量平均大于5900MJ/m2，太陽能資源非常豐富并且有必要大力發展。目前我國太陽能的光熱利用技術日趨成熟，太陽熱能水器行業經過20年的發展取得了大批科技成果并形成了產業化生產。

得熱量是衡量太陽能熱水器質量水平的核心指標，主要意義是判定太陽能熱水系統在一天的太陽光照中可以吸收利用的太陽輻射量。本文通過采用排水法對只有不同出水結構的太陽能熱水器進行對比測試，以便得出提高熱水器得熱量的關鍵設計參數。國標GB 19141中提供了混水法和排水法進行得熱量的測量，但是南非標準SANS 6211-1只提供了排水法測量，并且政府工程項目會依據得熱量數值的大小進行政府補貼，以便大力推廣高效太陽能熱水器的使用。

2 試驗方案

2.1 試驗樣機

2套測試樣機均采用自然循環虹吸原理、非承壓式全玻璃真空管太陽能熱水系統。樣機由35°支架、12支并排平行的58×1800普通真空管、100L大水箱和8L浮球箱組成，真空管管間距均為76mm，無反射板，如圖1所示。此系統加熱原理為：真空管是太陽能熱水器的核心，它的結

構如同一個拉長的暖瓶膽，內外層之間為真空。在內玻璃管的外表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，用來最大限度的吸收太陽輻射能。太陽能照射在附著在全玻璃真空管內管外壁上的選擇性吸收涂層上面，選擇性吸收涂層吸收太陽能熱量后加熱真空管內的水，真空管內的水溫升高同時水的密度變小，由于水箱內水溫低而且密度相對大，憑借冷熱水密度壓力差及重力作用在真空管和水箱之間形成了對流循環，從而不斷提高大水箱的水溫。2臺樣機只有大水箱的出水方式不同，其它規格都一樣。我們分別定義為樣機Ⅰ和樣機Ⅱ。樣機Ⅰ采用上進水加進水襯管、側上出水方式；樣機Ⅱ采用上進水、側下出水方式，如圖2所示。

2.2 試驗原理和方法

本試驗采用的測量方法依據南非標準SANS 6211-1《家用太陽熱水器使用室外測試方法測量熱性能》。

具體方法為：每次測試包括不少于6小時的太陽能加熱期，以正午太陽在最高點為界相隔相同的時間間隔（即正午太陽達最高點前后不少于3小時的時長）。按照如下所述的試驗方法至少連續進行3次結果有效的測試。

（1）完全遮蓋住真空管，并已通過系統的整體沖洗保持其溫度的穩定，直到傳輸水的溫度恒定并且供應水溫Tc處于1℃之內。

（2）打開真空管的蓋子并立即接通日射表和風速記錄器，同時以大約每30分鐘的間隔記錄環境溫度。讓太陽能收集器在太陽達最高點之前和之后依次加熱不少于3小時。

（3）在試驗期（至少6小時）結束時，蓋上真空管，然后立即斷開日射表、風速計和環境溫度記錄器。打開儲水容器的出口閥，接著打開冷水供應開關，然后將系統的熱水以600L/h±10L/ h流速放出，同時記錄排水溫度，并測量以大約Vs/20的增量輸送的水的容積。

（4）把積累的熱水排出，直到三次連續溫度測量值的變化量相比Tc值均不超過1℃，或直到將儲水箱的水容量排出3倍后為止，兩個條件以先達到者為準。

排水過程中，在容積減少量為Vs/20時進行溫度測量。溫度值與容積減少量的比由排水曲線圖表示（見圖3）。每個試驗日的能量輸出可通過計算曲線以下、Tc以上的區域面積測得。Vs為儲水箱中的熱水容積（單位：升）。

式中：

Qu表示吸收的有效能（單位：兆焦爾）；

Cs表示熱水儲水箱的熱容積（單位：焦耳/千克×攝氏溫度）；

n表示添加到測量水箱中的水的總質量增量；

Mm表示添加到測量水箱中的水的質量增量，（單位：千克）；

Tm表示熱水儲水箱中，添加到測量水箱中的水的各質量增量的平均溫度（單位：攝氏度）；

T20表示冷水的進水溫度（單位：攝氏度；20℃）。

為了盡量減小環境因素對試驗結果的影響，我們設定2臺樣機在結束一天的太陽能照射后的溫度均為一個固定值，并用循環泵把水箱的水充分混合為穩定的狀態，使水箱中的各部分工質溫度波動不超過0.1℃則視為穩定狀態，排水測試參數及步驟按照如上要求測量。

表1 出熱水量測試數據分析

表2 出熱水量測試數據分析

表3 65℃測試條件下通氣孔剩余水溫度

3 試驗結果及數據比較

3.1 65℃初始溫度試驗原始數據（見表1）

通過公式可以計算出圖4中排水法的面積。

樣機ⅠQu值=23470.2；

樣機ⅡQu值=20884.8；

樣機ⅠQu值/樣機ⅡQu值=1.12。

通過計算在65℃的2個排水法排出的熱水面積得出，側上出水口的得熱量明顯高于采用側下出水口的得熱量。

3.2 48℃初始溫度試驗原始數據（見表2）

通過公式可以計算出圖5中排水法的面積。

樣機ⅠQu值=15100.4；

樣機ⅡQu值=12732.7；

樣機ⅠQu值/樣機ⅡQu值=1.18。

同樣通過計算在48℃的2個排水法排出的熱水面積得出，側上出水口的得熱量明顯高于采用側下出水口的得熱量，試驗結果與第一組相近。

4 結果不同的原因分析

由于只改變單一變量即出水方式的不同，很明顯側上出水口的得熱量明顯高于采用側下出水口的得熱量。試驗結束后從通氣孔分別測量水箱的上、中、下部位剩余水的溫度。

從表3中數據分析得知樣機Ⅰ的水箱水溫分布差別不大，說明水箱的熱水已經幾乎被進水全部排出，冷水由大水箱底部進入，慢慢把水箱上部的熱水幾乎全部頂出，即此種結構能有效避免大水箱中冷熱水的混水。反觀樣機Ⅱ，冷水進入大水箱后直接和大水箱底部的熱水混水，在冷水進水的流量沖擊下直接從側下出水口排出，而大水箱上部通氣孔附近還有部分28.4℃的熱水沒有排出，即此種結構未能充分排出大水箱的可用熱水，從而導致了2種水管結構的得熱量不同。

5 結論

根據樣機Ⅰ的排水曲線得知：水箱排水的過程可以分為三個階段：高溫穩定階段、出水水溫快速下降階段和低溫穩定階段，各個階段持續時間的長短不同，與進水溫度有直接關系，同樣測試環境下此種出水方式的排水曲線面積大。樣機Ⅰ的出水方式更能夠滿足南非標準。

通過以上對比試驗數據得知：采用側上出水增加襯管的結構能最大限度使冷、熱水分層，避免混水，在用戶實際使用此結構的太陽能熱水時也能充分利用大水箱的熱水，提高太陽能利用效率。以上結論可作為新設計浮球箱供水式大水箱水管結構的分布參考，以提高太陽能熱水利用率，避免浪費太陽能資源。

圖1 試驗樣機

圖2 樣機的進出水方式示意圖

圖3 排水曲線圖

圖4 65℃新老結構對比排水曲線

圖5 48℃新老結構排水曲線

[1] 王淅芬, 魏鳳. 太陽能熱水器得熱量的兩種測定方法比較[J].能源技術. 30(2): 92-95

[2] 吳振一, 竇建清. 全玻璃真空太陽能集熱管熱水器及熱水系統.[M]. 清華大學出版社2008, 34-35

Discussion on improving the drainage method in South Africa to improve the heat obtaining quantity

ZHANG Haitao MEI Lihui DONG Dajiang
（Qingdao Economic and Technological Development District Haier water heater co., ltd. Qingdao 266101）

Heat obtaining quantity by changing a single variable in accordance with the South African standard method and found a large impact on the different ways of water draining. The results show that this difference is mainly caused by different hot and cold mixing water, according to test results obtained an effective method to improve the heat obtaining quantity.

All-glass vacuum tube; Float tank; South Africa's standard; Drainage method; Heat-obtaining quantity