家用太陽能熱水系統熱性能及能效等級探討

劉彥佐，孫金棟，劉建鵬，丁海濤

（1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044；2.北京建筑材料檢驗研究院有限公司，北京 100041）

1 引言

太陽能是清潔可再生能源，是21世紀以后人類可期待的，最有希望的能源之一。太陽能熱水器是利用太陽輻射能的裝置，對陽光進行吸收并傳遞熱能給水箱內水，以達到提高水溫并向人們供給生活熱水的目的。太陽能熱水系統的發明和普及改善了人們的生活，更重要的是減少了對生活中常規能源尤其是化石能源的消耗。

太陽能熱水系統是我國在太陽能熱利用領域具有自主知識產權、技術最成熟、依賴國內市場產業化發展最快、市場潛力最大的技術，也是我國在可再生能源領域唯一達到了國際領先水平的自主開發技術。我國家用太陽能熱水系統產品檢測主要依據《家用太陽能熱水系統技術條件》（GB/T 19141-2011），其能效的評定則是依據《家用太陽能熱水系統能效限定值及能效等級》（GB 26969-2011）。本文將對家用太陽能熱水系統的核心指標熱性能及能效等級做些探討。

2 熱性能

《家用太陽能熱水系統技術條件》（GB/T19141-2011）[1]中熱性能的檢測包括3個參數，即太陽輻照量為17JM時單位輪廓采光面積日有用得熱量，貯熱水箱結束水溫和家用太陽能熱水系統的平均熱損因數。

2.1 單位輪廓采光面積日有用得熱量

試驗條件：

①日太陽輻照量H≥16MJ/㎡；

②集熱試驗開始時貯熱水箱內的水溫 tb=（20.0±1.0）℃；

③集熱試驗期間日平均環境溫度8℃≤tad≤35℃；

④環境空氣的流動速率v≤4m/s。

試驗期間單位輪廓采光面積的日有用得熱量q計算公式如下：

cρwm水的比熱容，單位為J/（kg·℃）；

m貯熱水箱容水質量，單位為kg；

te集熱試驗結束時貯熱水箱內的水溫，單位℃；

tb集熱試驗開始時貯熱水箱內的水溫，單位為℃；

Ac輪廓采光面積測量值，單位為㎡。

從單位輪廓采光面積的日有用得熱量q計算公式可知，主要影響因素為貯熱水箱容水質量、集熱試驗結束時貯熱水箱內的溫差和輪廓采光面積測量值。而家用真空管型太陽能熱水系統貯熱水箱容水質量和集熱試驗結束時貯熱水箱內的溫差主要受真空集熱管、集熱器設計角度和容水量配比等因素影響。

標準中對輪廓采光面積（無反射器）定義如圖1、圖2所示。

平板型太陽能熱水系統的輪廓采光面積即為太陽能集熱面積，而真空管型太陽能熱水系統輪廓采光面積包括太陽能集熱面積和真空管之間的間距面積。也就是說真空管型太陽能熱水系統真空管的管間距也是熱性能影響的重要因素。

同一廠家同一貯熱水箱水量的管徑58mm管長1800mm的16支管緊湊直插式家用太陽能熱水系統，一臺管間距為80mm，一臺管間距為75mm。管間距80mm太陽能熱水器輪廓采光面積實測為2.076㎡，管間距75mm太陽能熱水器輪廓采光面積測試為1.952㎡，輪廓彩光面積相差6%，通過我們實驗測試這兩臺熱水器太陽輻照量17JM時日有用得熱量基本相同，按照標準的太陽輻照量為17JM時單位輪廓采光面積日有用得熱量卻相差6%。

圖1 平板太陽集熱器

圖2 真空管太陽集熱器

建議把評定參數單位輪廓采光面積改為單位采光面積作為家用太陽能熱水系統熱性能的考核指標，避免真空管型家用太陽能熱水系統簡單縮小管間距來提升熱性能數據。

2.2 貯熱水箱結束水溫

太陽輻照量為17JM/（㎡·d）時，貯水箱結束水溫計算公式如下：

tb為集熱試驗開始時貯熱水箱內的水溫（20.0±1.0）℃，t17取決于 te測試值，主要由貯熱水箱水量和集熱器采光面積配比，集熱器性能等產品特性決定。除此之外集熱試驗期間日平均環境溫度8℃≤tad≤35℃，環溫范圍較大對貯熱水箱結束水溫的不確定性也有一定的影響。建議增加環溫對貯熱水箱結束水溫的修正或者減少試驗時環溫的范圍，減少試驗結果的不確定性。

2.3 平均熱損因數

家用太陽能熱水系統的平均熱損因數USL的計算公式為

ti為熱損試驗中貯熱水箱內的初始水溫，單位為℃；

tf為熱損試驗中貯熱水箱內的最終水溫，單位為℃；

tas(av)為熱損試驗過程環境溫度的平均值，單位為℃；

Δτ為時間間隔，單位為s。

式中 ρw、cpw、Δτ均為固定計算值，家用太陽能熱損的計算主要取決于熱損試驗中的貯熱水箱的初始水溫、終止水溫及環境溫度。主要是由水箱的保溫效果決定的，可以通過增加水箱保溫層厚度、改善發泡工藝、合理設計水箱上的孔洞等方法提高水箱的保溫效果。除了產品的特性影響因素外，熱損試驗時的初始貯熱水箱溫度高低對熱損也有些的影響。一定的環境溫度下，初始水溫越高，則熱損越大[2]。

3 能效等級

家用太陽能熱水系統能效等級依據的《家用太陽能熱水系統能效限定值及能效等級》（GB 26969-2011）標準實施多年，對家用太陽能熱水系統低能效產品的淘汰提供了保證。然而家用太陽能熱水系統產品日趨成熟，使得現有備案能效等級產品大部分滿足1級最高能效要求，這就要求提高能效標準的要求，促使熱水系統生產廠家研發更高效的產品。

家用太陽能熱水系統能效等級主要是根據能效系數CTP決定的，其計算公式如下：

其中，單位輪廓采光面積日有用得熱量Qs(e)和平均熱損因數 Qsl(e)依據GB/T 19141測試得出。GB/T 19141中規定：緊湊式家用太陽能熱水系統的單位輪廓采光面積日有用得熱量最小值Qs(m)為7.7MJ/m2，平均熱損因數最大值Qsl(M)為16W/（m3·K）。由于平均熱損因數精確度標準要求是整數位，可能導致同一CTP而實際效果會有些偏差。設定臺兩臺緊湊式家用太陽能熱水系統單位輪廓采光面積日有用得熱量9.1MJ/m2，平均熱損因數結果都是12W/（m3·K），但平均熱損因數實測值一個可能是11.6W/（m3·K），另一個可能 12.4W/（m3·K），按照同一個單位輪廓采光面積日有用得熱量9.1MJ/m2，計算標準的CTP為0.51，平均熱損因數12.4W/（m3·K）的CTP實際為0.53，平均熱損因數11.6W/（m3·K）的 CTP 實際為 0.48，熱損因數越大的實際CTP跟標準CTP偏差可能會越大。建議GB/T 19141中對平均熱損因數的規定準確到小數點后一位，如緊湊式家用太陽能熱水系統平均熱損因數最大值 Qsl(M)為 16.0W/（m3·K）。

另外，《新能源效率標識管理辦法》于2016年6月1日起實行，其中規定能效標識的名稱為“中國能效標識”，應包括以下基本內容：

①生產者名稱或者簡稱；

②產品規格型號；

③能效等級；

④能效指標；

⑤依據的能源效率強制性國家標準編號；

⑥能效信息碼。

比2004年8月13日發布的《能源效率標識管理辦法》中增加了能效信息碼，現生產銷售的家用太陽能熱水系統應按《新能源效率標識管理辦法》要求實施。

4 總結

家用太陽能熱水系統是太陽能熱利用中最廣泛的應用，GB/T 19141-2011和GB 26969-2011構成了產品較為完善的評價標準。隨著產品的性能提升，標準的一些指標和細節之處希望可以進一步加強完善，從而保證促進太陽能光熱行業更加快速健康的發展。