太陽(yáng)日輻照量對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能檢測(cè)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(cè)中心，江蘇 南京 210007）

太陽(yáng)日輻照量對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能檢測(cè)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(cè)中心，江蘇 南京 210007）

針對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能評(píng)價(jià)規(guī)范中對(duì)太陽(yáng)輻照量要求差異較大，影響實(shí)際操作的問(wèn)題，開(kāi)展太陽(yáng)輻照量對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能測(cè)試的影響規(guī)律研究。該文進(jìn)行86d太陽(yáng)日輻照量監(jiān)測(cè)和27d對(duì)不同日輻照量下平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能的短期測(cè)試研究。結(jié)果顯示：南京市滿足測(cè)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(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能評(píng)定指標(biāo)系統(tǒng)溫升性能Δt17與太陽(yáng)日輻照量無(wú)關(guān)，由太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)本身性能決定。對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能檢測(cè)的日輻照量要求可適當(dāng)放寬，其標(biāo)準(zhǔn)需開(kāi)展系統(tǒng)研究；太陽(yáng)能熱水器熱水系統(tǒng)的日平均熱效率，可作為評(píng)定指標(biāo)之一。

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

0 引 言

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)建筑中的應(yīng)用日益廣泛。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)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(chǎng)組裝，因此組裝后的系統(tǒng)性能會(huì)發(fā)生改變。為了保證太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠，應(yīng)對(duì)建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)定[1]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)檢測(cè)的規(guī)范較多，檢測(cè)方法、檢測(cè)條件和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。檢測(cè)方法分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。我國(guó)規(guī)范采用靜態(tài)測(cè)試，即在一天中連續(xù)測(cè)試數(shù)小時(shí)，而國(guó)際上一些檢測(cè)機(jī)構(gòu)多采用靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試相結(jié)合的方法[2]。國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)檢測(cè)條件的規(guī)定有室外環(huán)境溫度、室外風(fēng)速和太陽(yáng)日輻照量，其中對(duì)太陽(yáng)日輻照量要求最嚴(yán)格而且不盡相同[3-5]。

我國(guó)DGJ32/JT 90——2009《建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)檢測(cè)與評(píng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)熱水系統(tǒng)性能評(píng)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(cè)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(cè)驗(yàn)收。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了日輻照量對(duì)太陽(yáng)能熱水器的影響，但只涉及到太陽(yáng)日輻照量大小對(duì)特定的太陽(yáng)能熱水器試驗(yàn)臺(tái)熱性能的影響，沒(méi)有指出太陽(yáng)日輻照量大小對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能檢測(cè)的影響[8-10]。Joshi等[11]對(duì)國(guó)際檢測(cè)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(duì)國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1 8708——2002、GB/T 19141——2011及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 94592——1995的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試時(shí)間及熱性能的確定存在著差異，滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)天氣較少，為了更好地滿足國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱水器的檢測(cè)，建議采取短期檢測(cè)方法，但沒(méi)給出具體做法。

GB/T 50801——2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用給出了具體的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法。其中關(guān)于太陽(yáng)輻照量J規(guī)定為短期測(cè)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(yáng)輻照量最小限值，但同時(shí)對(duì)太陽(yáng)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(yáng)輻照量對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能評(píng)價(jià)的影響，但存在較大差異，影響實(shí)際操作。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能是其系統(tǒng)屬性，太陽(yáng)輻照量對(duì)其測(cè)試的影響規(guī)律還需要進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)測(cè)試驗(yàn)研究。本文于2013年5～10月，對(duì)南京市典型天氣情況下日輻照量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并于同年9～11月，測(cè)試不同的日輻照量下平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)。

1 檢測(cè)方法及裝置

1.1 檢測(cè)方法

依據(jù)檢測(cè)規(guī)范和地方檢測(cè)規(guī)程，主要測(cè)試參數(shù)有環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)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(píng)價(jià)指標(biāo)有：太陽(yáng)日輻照量G（MJ/m2）；太陽(yáng)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(jiàn)式（1）；貯水箱的系統(tǒng)溫升Δt（℃），計(jì)算見(jiàn)式（2）；集熱器日平均效率η，計(jì)算見(jiàn)式（3）[1]。

式中：q——太陽(yáng)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(cè)水量，L；

te、tb——集熱檢測(cè)結(jié)束時(shí)貯水箱中水的平均溫度和集熱檢測(cè)開(kāi)始時(shí)貯水箱中水的平均溫度，℃；

Ac——太陽(yáng)能集熱器的輪廓采光面積，m2；

H——太陽(yáng)能集熱器采光口所在平面的日太陽(yáng)輻照量，MJ/m2。

為了對(duì)熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，在太陽(yáng)日輻照量換算成日太陽(yáng)輻照量為17 MJ/m2時(shí)，將太陽(yáng)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(jiàn)式（4）；平板太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的系統(tǒng)溫升換算成日太陽(yáng)輻照量為17MJ/m2時(shí)貯水箱的系統(tǒng)溫升，記為Δt17（℃），計(jì)算見(jiàn)式（5）[1]。

表1 熱水器系統(tǒng)部件相關(guān)參數(shù)

表2 太陽(yáng)能測(cè)試儀器技術(shù)指標(biāo)

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)裝置及儀器

本次檢測(cè)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(jiàn)表1，太陽(yáng)能測(cè)試儀器技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

2 太陽(yáng)日輻照量監(jiān)測(cè)與分析

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

表3 5～10月天氣分布

表4 典型天氣太陽(yáng)日輻照量監(jiān)測(cè)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(yáng)能熱水器熱性能檢測(cè)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(yáng)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(cè)到的日輻照量情況，統(tǒng)計(jì)出4段所占的天數(shù)，具體見(jiàn)表5。

從表中可以看出，5～10月南京市區(qū)太陽(yáng)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(duì)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(yáng)能熱水系統(tǒng)檢測(cè)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(yáng)日輻照量監(jiān)測(cè)結(jié)果，大于13.62MJ/m2的天數(shù)大約占28%，這給太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的檢測(cè)評(píng)價(jià)帶來(lái)很多不利。

3 不同日輻照量下熱性能檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 不同日輻照量下熱性能檢測(cè)結(jié)果

太陽(yáng)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(cè)試了27d，檢測(cè)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

從表中可以看出，檢測(cè)試驗(yàn)共27d，其中：1）日輻照量不符合地方規(guī)程檢測(cè)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(cè)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(cè)條件而且系統(tǒng)溫升性能或日有用得熱量檢測(cè)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(yáng)日輻照量比較大，日有用得熱量不符合要求。

圖1 太陽(yáng)日輻照量與貯水箱溫升變化

圖2 太陽(yáng)日輻照量與系統(tǒng)溫升的變化

3.2 不同太陽(yáng)日輻照量下貯水箱的溫升

測(cè)試期間的太陽(yáng)日輻照量G與貯水箱溫升Δt見(jiàn)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(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能與太陽(yáng)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(yáng)日輻照量很大，但貯水箱溫升不是很大。

3.3 不同太陽(yáng)日輻照量下系統(tǒng)溫升性能

太陽(yáng)日輻照量G與系統(tǒng)溫升性能Δt17關(guān)系見(jiàn)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?jī)H為7.3MJ/m2；該太陽(yáng)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(yáng)日輻照量大小對(duì)系統(tǒng)溫升Δt17幾乎沒(méi)有影響，系統(tǒng)溫升Δt17是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的固有特性。

圖3 太陽(yáng)日輻照量與集熱器日平均效率的變化

3.4 不同太陽(yáng)日輻照量下集熱器日平均效率

太陽(yáng)日輻照量G與集熱器日平均效率關(guān)系見(jiàn)圖3，可以看出本試驗(yàn)臺(tái)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(cè)過(guò)程中，總輻射表測(cè)量值包括直射和散射，對(duì)集熱器真正發(fā)揮作用的是直射光，而散射光對(duì)集熱器的效果不好，在監(jiān)測(cè)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(duì)比較多，因此總?cè)丈浔頊y(cè)得的輻射中有一部分對(duì)太陽(yáng)能熱水溫升效果不大，因此造成了太陽(yáng)輻照數(shù)值較大，而集熱器日平均效率不大。

由此可見(jiàn)，在不同的太陽(yáng)日輻照量下，對(duì)同一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行系統(tǒng)熱性能檢測(cè)，日輻照量大小對(duì)熱性能檢測(cè)影響較小，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r，在檢測(cè)時(shí)適當(dāng)做調(diào)整；但日輻照量過(guò)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(cè)評(píng)定不合格時(shí)，可以根據(jù)天氣情況增加檢測(cè)天數(shù)，同時(shí)可將集熱器的日平均效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，這將擴(kuò)大太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)全年的檢測(cè)時(shí)間，提高評(píng)估效率，有利于太陽(yáng)能熱水器的推廣使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)86 d太陽(yáng)日輻照量監(jiān)測(cè)和27 d對(duì)不同日輻照量下平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能的短期測(cè)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(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能評(píng)定指標(biāo)系統(tǒng)溫升性能Δt17與太陽(yáng)日輻照量無(wú)關(guān)，由太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)本身性能決定。

3）對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能檢測(cè)的日輻照量要求可適當(dāng)放寬，其標(biāo)準(zhǔn)需開(kāi)展系統(tǒng)研究。

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

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

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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(shì)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)。