高能效系數家用太陽能熱水系統的實現

山東力諾瑞特新能源有限公司 ■ 申文明 馬光柏 閆芳 豐中玉

一 引言

GB 26969-2011《家用太陽能熱水系統能效限定值及能效等級》已于2012年8月1日實施。國家節能產品惠民工程加速了該標準的實施力度，太陽能行業各企業均努力推出高能效系數的產品，這將有利于提升太陽能行業的技術水平。

山東力諾瑞特新能源有限公司從標準編制啟動開始，就著力研究和開發高能效系數的家用太陽能熱水系統，通過研究摸索、反復測試，實現了多款高能效系數家用太陽能熱水系統產品的開發和批量生產。本文通過總結兩年多來在產品實現過程中的經驗和做法，分析高能效產品的實現途徑，與行業共勉。

二 科學的研究

本文僅分析常見的緊湊式家用太陽能熱水系統和分體式雙回路家用太陽能熱水系統，不涉及使用如重力熱管、三腔管(三套管)、全玻璃熱管、縮口管等相對特殊吸熱部件的熱水系統，且分析基于集熱管光熱性能一致的情況。

1 緊湊式家用太陽能熱水系統的研究

家用太陽能熱水系統，特別是緊湊式系統，看似非常簡單，俗話描述為一個開孔的圓水箱插上真空管，用支架架好在太陽光下曬，就熱了，似乎沒有什么技術含量。但是，真正深入研究家用太陽能熱水系統，才能體會到科學研究的重要性。根據家用太陽能熱水系統能效系數的計算公式，可知日有用得熱量和平均熱損因數直接決定能效系數的大小，因此，提高日有用得熱量和降低平均熱損因數是提高能效系數的直接途徑。

根據GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統技術條件》，單位輪廓采光面積日有用得熱量q17的計算公式為：

由式(2)可知，17cpw/H不變，為使單位輪廓采光面積日有用得熱量q17增加，則需m(te?tb)增大、Ac減小。但一般m/Ac(即常說的容水量配比)越大，(te?tb)有可能同時會變小。因此，應使m/Ac變大，而(te?tb)盡可能保持不變，這需對熱水系統進行容水量配比和管間距的研究。

李德堅等人[1]認為真空集熱管密排并去掉漫反射板是提高太陽熱水器日有用得熱量的一個發展趨勢，但因為涉及到管間遮陰的問題，密排是有限度的。宋愛國[2,3]、麻一青[4]較早時曾進行相關的研究，密排到一定程度，管間遮陰嚴重時效果并不明顯，且增加了成本和安裝維護難度。筆者在研發過程中，將ˉ58mm真空管熱水系統的管間距設計為70mm、75mm、78mm、80mm、83mm等規格，制做出樣機并進行對比測試，結果表明間距為70mm的系統q17最大，但成本明顯增加，安裝難度大。推薦ˉ58mm真空管管間距為75～78mm。

容水量配比方面已有相當多的研究[5～8]，在此不做贅述。理論上分析，容水量配比越大，得熱量越高，這是因為熱量散失相對較少。但國標規定熱水器試驗結束貯水箱內的溫度應不低于45℃(起始20℃)，因此容水量配比不能無限大。根據相關研究結果以及筆者的研究經驗，容水量配比在65～75kg/m2(輪廓采光面積，下同)較合理。當然，從區域適用性方面考慮，南方較暖和地區可適當增加容水量配比，而北方較寒冷地區可考慮適當降低容水量配比，以保證有合適溫度的熱水使用。

2 分體式雙回路家用太陽能熱水系統的研究

分體式雙回路家用太陽能熱水系統與緊湊式系統最大的不同在于其增加了一道換熱過程，因而換熱效果不如緊湊式系統。分體式雙回路家用太陽能熱水系統的研究需注意以下方面：

(1)管間距和容水量配比。分體式雙回路系統的集熱器一般生產組裝比較方便(或應設計成方便拆裝的結構形式)，因此管間距與緊湊式系統相比可適當減小，推薦為70～75mm。另外考慮與建筑一體化結合時美觀性的要求，一般安裝時集熱器的角度較大，應考慮增加集熱管進行補償。由于換熱效果較緊湊式系統差，應降低分體雙回路系統的容水量配比，以獲得較高溫度的熱水，推薦真空管集熱器系統為55～65kg/m2，平板集熱器系統為50～60kg/m2。

(2)換熱器。換熱器是分體式雙回路家用太陽能熱水系統的關鍵部分，其好壞直接影響整個系統的性能，甚至還會影響系統的使用壽命。換熱器面積的計算方法可參見GB/T 26970-2011《家用分體雙回路太陽能熱水系統技術條件》附錄B的內容，但應考慮強制循環和自然循環系統的區別。

(3)循環管路。循環管路是集熱器吸收的能量傳輸至水箱的途徑，只有該途徑暢通，換熱效果良好，系統的日有用得熱量才會較高。否則熱量在集熱器內不能及時傳輸出來，只能通過集熱器散失，系統的熱性能較差，同時造成集熱器工作溫度較高，對集熱器的壽命影響很大，使用防凍液的系統還會影響到防凍液。循環管路可選擇內壁光滑的金屬材料，如銅管。循環管路的內徑選擇也十分關鍵，通過多年的系統研究和對比試驗，確定循環管路的內徑為14～16mm較合理，過小的內徑會增加循環阻力，而過大的內徑成本增加明顯而效果提升不顯著。管路的選擇還應考慮耐空曬溫度、耐壓、安裝方便等因素。

(4)控制器。自然循環系統可不考慮此內容。強制循環系統應設置合理的控制邏輯，以使系統合理的工作，既能將熱量及時通過循環轉移到水箱中存貯起來，又避免循環泵過度工作導致的耗電浪費和熱量損失。常見的系統換熱循環啟停溫度設計為8～3℃、10～5℃、6～2℃等。不同產品需根據集熱器類型、系統的結構類型、系統的配置等方面綜合考慮設置，再根據實驗確定。另外需要注意的是，傳感器安裝位置和安裝方式的合理設計也很重要，應保證傳感器能感應到正確的溫度，否則將出現控制混亂，熱量不能及時轉移。

三 合理的設計

確定合理的管間距和容水量配比后，還需經過合理的設計才能實現從研究到產品的轉變。家用太陽能熱水系統的設計主要涉及以下方面的內容：

1 真空管的管徑管長

常見的全玻璃真空集熱管直徑為ˉ47mm和ˉ58mm，根據李德堅等人[1]的研究，采用這兩種管徑的集熱管，系統的日有用得熱量沒有明顯差別，關鍵是集熱管本身的熱性能要良好。目前市場上多采用ˉ58mm直徑的集熱管，主要與產品的外形有關，其更顯大方，視覺效果更好。以ˉ58mm集熱管為例，其管長規格一般有1600mm、1800mm、1900mm、2100mm。根據筆者廣泛意義上的檢測數據(各種規格集熱管的系統，其他參數也有不同，非相同試驗條件的檢測)，結果表明管長為1900mm的系統平均日有用得熱量最高，1800mm系統次之，推薦使用這兩種管長。

2 內膽的直徑

管間距、容水量配比、管徑和管長確定后，水箱內膽的直徑就可以基本確定。雖然兩側真空管外側延伸的水箱長度也會影響到水箱直徑，但從美觀性角度考慮，延伸的長度不宜過大。例如：ˉ58mm×1800mm真空管管間距定為76mm，20支管，則輪廓采光面積約為2.60m2，容水量配比為70kg/m2，則水箱凈容積182L。取最外側真空管中心至水箱內膽邊緣距離為100mm，則內膽長度為19×76+2×100=1644mm，按圓形柱計算，可得水箱直徑應為375mm。內膽直徑的選擇會直接影響生產過程中的各種模具選配，由于管間距和容水量配比是區間數，不是定數，因此內膽直徑也可稍微變化。新開發模具除外，從節約成本的角度出發，內膽直徑盡量選用已有模具相近的尺寸。另外，調整最外側真空管中心至水箱內膽邊緣的距離也可改變容水量配比。

3 保溫層的厚度

根據GB 26969-2011《家用太陽能熱水系統能效限定值及能效等級》中能效系數的計算公式，取與國標規定相同的數據修約進行計算，發現平均熱損因數對能效系數的影響非常大，甚至很小的差異就會改變產品的能效等級。因此，提高保溫性能、降低平均熱損因數對提高能效系數具有顯著效果，從而確定合理的保溫層厚度是設計的關鍵。

真空管吸收到的太陽輻射能量，除去水箱散失掉的部分，另一部分用來加熱水箱中水的同時，還要被水箱內膽周圍的保溫層吸收。隨著水箱保溫層的加厚，保溫材料的質量及體積就越大，被保溫層吸收的太陽輻射能量就越多，當保溫層的保溫效果與其吸熱效果達到平衡時，其厚度達到最優。根據GB/T 50176-93《民用建筑熱工設計規范》的要求，以及相關研究[9,10]和經驗，保溫層的最佳厚度為55～60mm。

4 分體式雙回路太陽能熱水系統的集熱器

集熱器是熱水系統的核心部件，緊湊式系統通過管徑管長和管間距的選取完成集熱部分的設計，分體式雙回路系統則通過集熱器的合理設計實現高集熱性能。集熱器的設計首先應保證循環暢通，不宜發生集熱器回路內互相阻塞的情況；其次應選用導熱系數高的材料，如銅管；再次，要有加強換熱的部件，如導熱鋁翼，且鋁翼與真空管內壁應充分接觸；最后要注意集熱器聯箱內的保溫，選用合適的保溫材料且生產制作方便，如巖棉。

四 先進的工藝和優質的生產

高能效系數家用太陽能熱水系統的特點，不僅體現在產品的能效系數高，還應體現在產品的質量好、壽命長，能為用戶提供持續的高效熱能。因此，完成產品的研發和設計，還需通過先進的工藝實現產品研發和設計的意圖，通過高質量的生產為用戶提供高質量的產品。

(1)焊接工藝尤其重要。根據板材的材質、厚度對焊接電流、焊接壓力、焊接速度等參數進行相應的策劃及嚴格的執行，以防止虛焊、漏焊、焊漏的發生，確保焊接區域具備較高的耐腐蝕性能。工藝文件的不斷完善和員工對工藝的嚴格執行是焊接質量的重要保證。

(2)發泡工藝影響產品的保溫性能。發泡工藝總體較復雜，特別是冬季發泡，穩定性相對更難控制。發泡過程中必須嚴格確保的是：發泡層厚度均勻性、尺寸穩定性和整體密度。發泡層厚度均勻性主要通過發泡工裝和發泡模具的設計實現，如采用環形內托；尺寸穩定性和整體密度的保證通過對發泡料流動性、料溫、料比等進行不斷調節，以適應不斷變化的環境溫濕度，確保穩定性的基礎上盡量使泡體芯密度趨向最佳保溫密度范圍，經驗數據為34～36kg/m3。

(3)質量管理體系是產品生產過程中高質量的重要保證。我們的管理體系建立并持續運行了10余年，積累了豐富的實施經驗，員工積極參與改進改善，對提高產品質量、甚至產品性能有很大幫助。

五 嚴謹的檢測

檢測是指產品(或樣品)完成后熱性能的測試，在產品實現的過程中也是一個非常重要的保障。檢測雖然不屬于產品研發設計的步驟，而是對研發設計結果的驗證，但高能效產品的實現離不開檢測。

(1)須建立家用太陽能熱水系統的熱性能測試系統。我們的檢測系統能同時檢測20臺以上的家用太陽能熱水系統，可很方便地進行各種不同產品的對比檢測，或專門針對產品某一方面的改進進行對比測試，從細微處對產品進行研究，達到深度研發的效果。檢測設備在投入使用前應校準，必要時，進行實驗室間比對試驗，確保檢測設備的準確性及穩定性。

(2)由經驗豐富、熟悉相關國家標準、具有檢測分析能力的檢測人員進行檢測。2011年下半年發布的一系列國家標準，以及能效強制性標準，需要系統、細致的解讀，同時通過實際操作熟悉標準，對產品檢測結果做到合理分析。

(3)產品檢測過程做到科學嚴謹、實事求是。在高能效系數產品檢測中產品性能變化可能較大，不能以以往經驗數據去分析和判定，而應從科學嚴謹的檢測中獲得實事求是的數據，才能正確地分析結果，得到正確方向的指示。

(4)檢測人員與設計人員、工藝技術人員有良好的溝通和交流，共同分析總結提升產品熱性能的手段和方法。

六 結語

(1)高能效系數家用太陽能熱水系統的實現過程，并非只是在產品研發層面上完成的，而是涉及研發、設計、工藝、生產、檢測等各環節，產品實現過程中每一個環節均發揮著非常重要的作用，缺一不可。

(2)高能效系數的家用太陽能熱水系統，不僅能效系數要高，產品的質量也應足夠好，才能“名副其實”，為用戶提供持續的高效熱能。

(3)本文是在假設全玻璃真空太陽集熱管光熱性能一致的條件下，通過分析產品配置和生產工藝等方面進行闡述的。作為家用太陽能熱水系統的核心部件，全玻璃真空太陽集熱管熱性能的提升也是高能效系數產品實現的主要手段，而且效果比較明顯，行業各企業還可從此處著手進行研究。

(4)對于重力熱管、三腔管(三套管)、全玻璃熱管、縮口管等家用太陽能熱水系統，我們也進行了相應的研發并推出了系列產品，因篇幅有限，本文不作詳述。這幾種方式也是提高家用太陽能熱水系統熱性能的良好途徑之一，相信行業內有部分企業也進行了研究。但這些產品在成本或安全或安裝維護或壽命等方面還需有待市場的深入檢驗。誠然，產品研發是一個不斷創新和發展的過程，相信現有技術會得到逐步完善和提升，同時會有更多、更好的技術能實現突破。

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