太陽日輻照量對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能檢測影響研究

田玉蘭，朱 堅(jiān)，李 超

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京市建筑安裝工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 南京 210007）

太陽日輻照量對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能檢測影響研究

田玉蘭1，朱 堅(jiān)2，李 超2

（1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京市建筑安裝工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 南京 210007）

針對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能評價(jià)規(guī)范中對太陽輻照量要求差異較大，影響實(shí)際操作的問題，開展太陽輻照量對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能測試的影響規(guī)律研究。該文進(jìn)行86d太陽日輻照量監(jiān)測和27d對不同日輻照量下平板太陽能熱水系統(tǒng)熱性能的短期測試研究。結(jié)果顯示：南京市滿足測試規(guī)范要求的日輻照量天氣較少，在5～10月約占總天數(shù)的28%；隨著日輻照量的升高，水箱的溫升增加，當(dāng)日輻照量較大時(shí)，貯水箱溫升與日輻照量的線性關(guān)系不明顯；平板太陽能熱水系統(tǒng)熱性能評定指標(biāo)系統(tǒng)溫升性能Δt17與太陽日輻照量無關(guān)，由太陽能熱水系統(tǒng)本身性能決定。對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能檢測的日輻照量要求可適當(dāng)放寬，其標(biāo)準(zhǔn)需開展系統(tǒng)研究；太陽能熱水器熱水系統(tǒng)的日平均熱效率，可作為評定指標(biāo)之一。

太陽能熱水系統(tǒng)；太陽日輻照量；熱性能檢測；水箱溫升；日平均熱效率

0 引 言

太陽能熱水系統(tǒng)在國內(nèi)建筑中的應(yīng)用日益廣泛。太陽能熱水系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、貯水箱以及管路等組件組成。組件多數(shù)是在施工現(xiàn)場組裝，因此組裝后的系統(tǒng)性能會發(fā)生改變。為了保證太陽能熱水系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠，應(yīng)對建筑太陽能熱水系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢測與評定[1]。國內(nèi)外關(guān)于太陽能熱水系統(tǒng)檢測的規(guī)范較多，檢測方法、檢測條件和評定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。檢測方法分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。我國規(guī)范采用靜態(tài)測試，即在一天中連續(xù)測試數(shù)小時(shí)，而國際上一些檢測機(jī)構(gòu)多采用靜態(tài)測試和動態(tài)測試相結(jié)合的方法[2]。國內(nèi)規(guī)范對檢測條件的規(guī)定有室外環(huán)境溫度、室外風(fēng)速和太陽日輻照量，其中對太陽日輻照量要求最嚴(yán)格而且不盡相同[3-5]。

我國DGJ32/JT 90——2009《建筑太陽能熱水系統(tǒng)檢測與評定規(guī)程》[1]中規(guī)定日輻照量不應(yīng)小于473 W/m2（13.62MJ/m2），GB/T 18708——2002《家用太陽熱水系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法》[5]中規(guī)定日輻照量不應(yīng)小于700 W/m2（20.16 MJ/m2），GB/T 19141——2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》[6]規(guī)定日輻照量不應(yīng)小于16MJ/m2，GBT 20095——2006《太陽熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》[7]規(guī)定日輻照量不應(yīng)小于17MJ/m2。在實(shí)際操作中，南京市建筑安裝工程質(zhì)量檢測中心發(fā)現(xiàn)，在南京市符合日輻照量條件要求的天數(shù)較少，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量檢測驗(yàn)收。

目前國內(nèi)外學(xué)者研究了日輻照量對太陽能熱水器的影響，但只涉及到太陽日輻照量大小對特定的太陽能熱水器試驗(yàn)臺熱性能的影響，沒有指出太陽日輻照量大小對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能檢測的影響[8-10]。Joshi等[11]對國際檢測規(guī)范進(jìn)行了試驗(yàn)研究并分析了各規(guī)范間的異同點(diǎn)，認(rèn)為CNS B 7277：No.12558——1989規(guī)范中日采集熱量20 930 kJ/m2的規(guī)定不明確。He Tao等[12]對國內(nèi)的太陽能檢測標(biāo)準(zhǔn)GB/T1 8708——2002、GB/T 19141——2011及國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 94592——1995的檢測方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)對測試時(shí)間及熱性能的確定存在著差異，滿足國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的檢測天氣較少，為了更好地滿足國內(nèi)太陽能熱水器的檢測，建議采取短期檢測方法，但沒給出具體做法。

GB/T 50801——2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]對太陽能熱水系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用給出了具體的性能評價(jià)指標(biāo)和測試方法。其中關(guān)于太陽輻照量J規(guī)定為短期測試時(shí)應(yīng)至少有4 d分別分布在下列區(qū)間：1）J約8MJ/m2；2）8MJ/m2≤J約13MJ/m2；3）13MJ/m2≤J約18MJ/m2；4）18MJ/m2≤J。該標(biāo)準(zhǔn)雖然放寬了太陽輻照量最小限值，但同時(shí)對太陽輻照量分布區(qū)間進(jìn)行了嚴(yán)格劃分。

上述研究中反映了太陽輻照量對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能評價(jià)的影響，但存在較大差異，影響實(shí)際操作。太陽能熱水系統(tǒng)熱性能是其系統(tǒng)屬性，太陽輻照量對其測試的影響規(guī)律還需要進(jìn)一步開展實(shí)測試驗(yàn)研究。本文于2013年5～10月，對南京市典型天氣情況下日輻照量進(jìn)行了監(jiān)測，并于同年9～11月，測試不同的日輻照量下平板太陽能熱水系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)。

1 檢測方法及裝置

1.1 檢測方法

依據(jù)檢測規(guī)范和地方檢測規(guī)程，主要測試參數(shù)有環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽輻射、水箱的進(jìn)出水溫，貯水箱初始進(jìn)水溫度恒定在（20±2）℃，集熱傾角為70°。主要評價(jià)指標(biāo)有：太陽日輻照量G（MJ/m2）；太陽能集熱系統(tǒng)單位輪廓采光面積的日有用得熱量q（MJ/m2），計(jì)算見式（1）；貯水箱的系統(tǒng)溫升Δt（℃），計(jì)算見式（2）；集熱器日平均效率η，計(jì)算見式（3）[1]。

式中：q——太陽能集熱器單位輪廓采光面積的日有用得熱量，MJ/m2；

ρw——水的密度，kg/m3；

cpw——水的比熱容，kJ/（kg·℃）；

νs——貯水箱的檢測水量，L；

te、tb——集熱檢測結(jié)束時(shí)貯水箱中水的平均溫度和集熱檢測開始時(shí)貯水箱中水的平均溫度，℃；

Ac——太陽能集熱器的輪廓采光面積，m2；

H——太陽能集熱器采光口所在平面的日太陽輻照量，MJ/m2。

為了對熱性能進(jìn)行評價(jià)，在太陽日輻照量換算成日太陽輻照量為17 MJ/m2時(shí)，將太陽能集熱系統(tǒng)單位輪廓采光面積的日有用得熱量記為q17（MJ/m2），計(jì)算見式（4）；平板太陽能熱水器系統(tǒng)的系統(tǒng)溫升換算成日太陽輻照量為17MJ/m2時(shí)貯水箱的系統(tǒng)溫升，記為Δt17（℃），計(jì)算見式（5）[1]。

表1 熱水器系統(tǒng)部件相關(guān)參數(shù)

表2 太陽能測試儀器技術(shù)指標(biāo)

1.2 檢測試驗(yàn)裝置及儀器

本次檢測試驗(yàn)裝置位于南京市區(qū)某建筑屋頂，所設(shè)計(jì)安裝的熱水器系統(tǒng)部件相關(guān)參數(shù)見表1，太陽能測試儀器技術(shù)指標(biāo)見表2。

2 太陽日輻照量監(jiān)測與分析

本次監(jiān)測太陽日輻照量從2013年5月14日到10月31日，主要對典型的天氣情況進(jìn)行了太陽日輻照量監(jiān)測，監(jiān)測天數(shù)為86 d，約占總天數(shù)的50%，天氣分布見表3，太陽日輻照量監(jiān)測結(jié)果見表4。

表3 5～10月天氣分布

表4 典型天氣太陽日輻照量監(jiān)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5 典型輻照量所占天數(shù)

表6 不同日輻照量下太陽能熱水器熱性能檢測結(jié)果

從表中可以看出：多云和晴天約占60%，多云、晴天、陰天和雷陣雨天氣都有比較大的平均太陽日輻照量。將日輻照量（J）分布分為下列4段：J約8MJ/m2、8MJ/m2≤J約13MJ/m2、13MJ/m2≤J約18MJ/m2、18MJ/m2≤J，根據(jù)所監(jiān)測到的日輻照量情況，統(tǒng)計(jì)出4段所占的天數(shù)，具體見表5。

從表中可以看出，5～10月南京市區(qū)太陽日輻照量集中在8 MJ/m2≤J約13 MJ/m2和13 MJ/m2≤J約18MJ/m2這兩段，其中大于13MJ/m2的天數(shù)約占28%，對于J≥18 MJ/m2的天數(shù)很少，南京地區(qū)日輻照量大的天數(shù)比較少。DGJ32/JT 90——2009規(guī)定，在江蘇進(jìn)行太陽能熱水系統(tǒng)檢測時(shí)，當(dāng)天日輻照量必須大于473W/m2（13.62 MJ/m2），而根據(jù)此次南京市太陽日輻照量監(jiān)測結(jié)果，大于13.62MJ/m2的天數(shù)大約占28%，這給太陽能熱水系統(tǒng)的檢測評價(jià)帶來很多不利。

3 不同日輻照量下熱性能檢測結(jié)果及分析

3.1 不同日輻照量下熱性能檢測結(jié)果

太陽能熱水器熱性能試驗(yàn)從2013年9月23日到2013年11月8日，共測試了27d，檢測和計(jì)算結(jié)果見表6。

從表中可以看出，檢測試驗(yàn)共27d，其中：1）日輻照量不符合地方規(guī)程檢測條件即小于13.62 MJ/m2的有11d，占樣本總數(shù)的40.7%；2）系統(tǒng)溫升性能或日有用得熱量檢測不合格的天數(shù)有3d，占樣本總數(shù)的11.1%；3）日輻照量不符合檢測條件而且系統(tǒng)溫升性能或日有用得熱量檢測不合格的有1d，占樣本總數(shù)的3.7%；4）熱性能不合格的1d中，有2d的太陽日輻照量比較大，日有用得熱量不符合要求。

圖1 太陽日輻照量與貯水箱溫升變化

圖2 太陽日輻照量與系統(tǒng)溫升的變化

3.2 不同太陽日輻照量下貯水箱的溫升

測試期間的太陽日輻照量G與貯水箱溫升Δt見圖1，可以看出：貯水箱溫升與日輻照量的大小有關(guān)，隨著日輻照量的升高，水箱的溫升增加，但當(dāng)日輻照量較大時(shí)，貯水箱溫升與日輻照量的線性關(guān)系不明顯。太陽能熱水系統(tǒng)熱性能與太陽能集熱器的效率、天氣、風(fēng)速等有關(guān)[7]，而影響集熱器性能的因素有集熱器的安裝傾角[13]、集熱器構(gòu)造等[14]；因此，雖然太陽日輻照量很大，但貯水箱溫升不是很大。

3.3 不同太陽日輻照量下系統(tǒng)溫升性能

太陽日輻照量G與系統(tǒng)溫升性能Δt17關(guān)系見圖2，可以看出：隨著日輻照量的增加系統(tǒng)溫升性能Δt17離散性較大，當(dāng)日輻照量為2.77MJ/m2時(shí)，Δt17為最小值24℃；Δt17最大值為47.44℃，而此時(shí)日輻照量僅為7.3MJ/m2；該太陽能熱水器的系統(tǒng)溫升性能Δt17平均值為39.2℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.6℃；太陽日輻照量大小對系統(tǒng)溫升Δt17幾乎沒有影響，系統(tǒng)溫升Δt17是太陽能熱水系統(tǒng)的固有特性。

圖3 太陽日輻照量與集熱器日平均效率的變化

3.4 不同太陽日輻照量下集熱器日平均效率

太陽日輻照量G與集熱器日平均效率關(guān)系見圖3，可以看出本試驗(yàn)臺集熱器日平均效率η為0.34～0.65。試驗(yàn)中出現(xiàn)了當(dāng)日輻照量比較高時(shí)，集熱器日平均效率較低的情況，文獻(xiàn)[7]表明在監(jiān)測過程中，總輻射表測量值包括直射和散射，對集熱器真正發(fā)揮作用的是直射光，而散射光對集熱器的效果不好，在監(jiān)測的這段時(shí)間內(nèi)，南京空氣污染程度不一，污染造成散射光相對比較多，因此總?cè)丈浔頊y得的輻射中有一部分對太陽能熱水溫升效果不大，因此造成了太陽輻照數(shù)值較大，而集熱器日平均效率不大。

由此可見，在不同的太陽日輻照量下，對同一臺太陽能熱水器進(jìn)行系統(tǒng)熱性能檢測，日輻照量大小對熱性能檢測影響較小，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r，在檢測時(shí)適當(dāng)做調(diào)整；但日輻照量過小時(shí)，貯水箱溫升、系統(tǒng)溫升性能以及集熱器日平均效率不大。如果出現(xiàn)檢測評定不合格時(shí)，可以根據(jù)天氣情況增加檢測天數(shù)，同時(shí)可將集熱器的日平均效率作為評價(jià)指標(biāo)，這將擴(kuò)大太陽能熱水系統(tǒng)全年的檢測時(shí)間，提高評估效率，有利于太陽能熱水器的推廣使用。

4 結(jié)束語

本文通過86 d太陽日輻照量監(jiān)測和27 d對不同日輻照量下平板太陽能熱水系統(tǒng)熱性能的短期測試研究，得到以下結(jié)論：

1）隨著日輻照量的升高，水箱的溫升增加，但當(dāng)日輻照量較大時(shí)，貯水箱溫升與日輻照量的線性關(guān)系不是很明顯。

2）平板太陽能熱水系統(tǒng)熱性能評定指標(biāo)系統(tǒng)溫升性能Δt17與太陽日輻照量無關(guān)，由太陽能熱水系統(tǒng)本身性能決定。

3）對太陽能熱水系統(tǒng)熱性能檢測的日輻照量要求可適當(dāng)放寬，其標(biāo)準(zhǔn)需開展系統(tǒng)研究。

4）太陽能熱水器熱水系統(tǒng)的日平均熱效率，可作為評定指標(biāo)之一。

[1]DGJ32/JT 90—2009建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程檢測與評定標(biāo)準(zhǔn)[S].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

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[6]GB/T 19141—2011家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

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Study on daily solar radiation effect of the thermal performance testing for solar water heating system

TIAN Yulan1，ZHU Jian2，LI Chao2
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China；2.Nanjing Quality Inspection Center of Construction and Installation，Nanjing 210007，China）

The requirement of solar radiation varied greatly in the codes and standards of solar water heating system performance assessment，which affecting the practical application.So it is very imperative to decide the influencing rule of solar radiation on solar water heating system performance testing.In this paper，86 days of solar radiation monitoring and 27 days of short timeplatesolarwaterheating system performancetesting accordingto differentdailysolar radiations were conducted.The results showed that there were only 28%of all the days from May to october that can meet the daily solar radiation required by testing standard.The temperature rise in water tank showed positive linear relationship with the daily solar radiation except the daily radiation is high.The system temperature rise performance index（Δt17）is determined by performance of solar water heating system itself rather than daily solar irradiation.It is suggested that the requirement of daily radiation could be handled flexibly when testing the performance of solar heating system and systematic research needs to be conducted on the performance assessment of solar water heating system.The average daily thermal efficiency of solar water heating system can be recommended as one of testing indexes.

solarwaterheating system；daily solarradiation；thermalperformance testing；temperature rise of water tank；average daily thermal efficiency

A

：1674-5124（2015）05-0107-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.027

2014-09-21；

：2014-11-28

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（2014-K1-059）

田玉蘭（1971-），女，講師，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能技術(shù)。