全玻璃真空管型太阳热水系统平均日效率的试验.pdf

第 3 O卷第 5期 2 0 0 9年 l O月 能源技术 ENERGY TECHNOL OGY V0 L 3 0 No 5 Oc t 2 0 0 9 全玻璃真空管型太 阳热 平均 日 水 系 效率的试验 统 魏 凤 1 。 ( 1 中国科学院武汉文献情报 中心， 武汉 4 3 0 0 7 1 ；2 国家太阳能热水器产品监督检验中心， 武汉 4 3 0 0 6 1 ) 摘要： 全玻璃真空管型太阳热水系统的平均日 效率是反映系统光一热转化能力的关键参数。 选用 6种不同型号规格的太阳能热水 系统， 在不同试验条件下分别用混水法和排水法测试 系统的 平均 日效率。分析结果表明， 采用排水法的测试结果得到是真正反映太阳能热水 系统光热转化能 力的平均日效率， 而混水法测试结果只能得到系统水箱的效率。试验发现， 同一样品的日有用得热 量随着太阳累计辐照量增加而增大， 而平均 日效率则在适 当的试验条件下达到最大。试验结果还 表明， 不 同样品在相 同条件下进行平均 日效率试验 ， 结果与其采光面积 、 容水量和集热器的吸热涂 层有关。 关键词 ： 全玻璃真空管；太阳热水系统；平均 日效率；排水法；混水法 中图分类号： $ 2 1 4 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5 7 4 3 9 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 2 8 6 - 0 4 S t u d y O i l Av e r a g e Da i l y - e f f i c i e n c y Ex p e r i me n t s o f S o l a r W a t e r He a t i n g S y s t e m wi t h Al l g l a s s Ev a c u a t e d Tu b e s WE I F e n g l 【 1 Wu h a n l i b r a r y o f t h e C h i n e s e a c a d e my o f s c i e n c e s - Wu h a n 4 3 0 0 7 1 ， C h i n a ； 2 N a t i o n a l s o l a r wa t e r h e a t e r s u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n c e n t e r o f p r o d u c t q u a l i t y 。 Wu h a n 4 3 0 0 6 1 。 C h i n a ) Ab s t r t ：Av e r a g e d a il y - e f f i c i e n c y o f s o l a r wa t e r h e a t i n g s y s t e ms wi t h a l l - -g l a s s e v a c u a t e d t u b e s i s r e g a r d e d a s a k e y p a r a me t e r r e f l e c ti ng t r a n s f o r m c a p a b i l i t y b e t we e n s o l a r l i g h t an d h e a t S i x d i f f e r e nt k i n d s o f s o l ar wa t e r h e a t e r s a r e s e l e c t e d a s t h e t e s t s am p l e s a n d c a r r i ed o n d i f f e r e n t t e s t s u n d e r d i f f e r e n t t e s t c o n d i t i o n s and d i f f e r e n t t e s t me t h o d s I t i s f o u n d t h a t t h e a v e rag e d a i l y - e f f i c i e n c y r e s u l t s f r o m d r ain a g e me t h o d c a r l o nly r e fl e c t t h e t r a n s f o 1 T n c a p a b i l i t y b e t we e n s o l a r l i g h t a n d h e a t o f t h e s y s t e m。b u t t h e r e s u l t s f r o m wa t e r - mi x i n g me t h o d c a n n o t r e fl e c t t h e c a p a b i l i t y a n d c a n o n l y g a i n t h e i r t a n k s e f f i c i e n c y At t h e s a me t i me 。i t i s a l s o f o u n d t h a t t h e h e a t o b t a i n i n g q u a n t i t y o f t h e s a me s am p l e i s i n c r e a s i n g wi t h a c c u mu l a t i v e s o l a r i r r a d i a t i o n an d i t s a v e r a g e d a i l y - e f f i c i e n c y c a n r eac h t h e b i g g e s t u n d e r t h e a p p r o p r i a t e t e s t c o n d i t i o n Th e a v e r a g e d a i l y e f f i c i e n c y r e s u l t s o f d i f f e r e n t s a mp l e s u n d e r t h e s a me t e s t c o n d i t i o n s i s r e l a t i ng t h c o n t o u r a p e r t u r e a r e a 、 wa t e r v o l u l T I e o f s t o r a g e t a nk a n d c o a t i n g l a y e r s o f h e a t c o l l e c t o r s Ke y wo r fl s ：a l l - g l a s s e v a c u a t e d t u b e s ；s o l a r wa t e r - h e a t i ng s y s t e m；a v e r a g e d a i l y - e f f i c i e n c y；d r a i n a g e me t h o d； wa t e r - mi x i ng me t h o d 随着我国对太阳能热利用技术 的开发 ， 太阳能 热水系统产业在我 国得到 了前所未有的关注和发 展， 截止到 2 0 0 6 年初， 我国的太阳能热水器的总保 有量达到了7 5 0 0 万 m 2 ( 按照太阳集热面积算) ， 年 产量达到了1 3 5 0 万 m 2 ， 其中全玻璃真空管型太阳 2 8 6 热水系统所占比例达到 8 7 以上， 是我国太阳能热 水器的主流产品叫， 因此， 科学研究并掌握全玻璃真 空管型太阳热水器的关键性能， 对于维护我国的太 阳能热水器产业的健康发展具有重要的现实意义。 太阳热水系统的平均 日 效率， 又称为得热效率， 魏 凤 ： 全玻璃真空管型太阳热水系统平均 日效率的试验 是指在有太阳辐照的一天内 ， 热水 器所 获得 的热量 与照射到热水器采光面上的太阳辐射能量之 比， 它 是评价太阳热水系统光热转化能力的关键指标 。目 前 ， 太阳热水系统得热量的测定方法有两种 ： 排水法 和混水法 。其中混水法主要依据热力学原理进行测 试和计算， 国内大多数实验室都能采用这种方法； 排 水法主要依据的是微积分理论进行测试和计算， 国 外实验室大部分是采用这种方法进行测试 ， 国内只 有国家级实验室才能进行这种方法的测试。目前， 国内能够同时采用这两种方法进行测试的设备非常 少 ， 因而对这两种测试方法进行 比较研究 的更 少。 本文采用联合国赠送的太阳能热水系统热性能测试 设备 ， 在采用混水法和排水法进行热性 能测试 的基 础上 ， 研究系统的平均 日效率。 1 试验样品 测定样品采用开放式、 非承压型 、 自然循环、 直 插式的全玻璃真空管型太阳能热水系统， 它主要由 水箱 、 集热器和支架三部分组成 ， 如图 1 所示 。集热 器系统由数十支表面涂有选择性吸收涂层的真空玻 璃管并联而成， 无反射板 ； 安装时集热面与地面呈约 4 o 。 倾角。系统运行时集热器表面的选择性吸收涂 层不断接收的太 阳光并将太 阳能转化成热能传递给 集热器玻璃管内表面的液体工质水 ， 受 热后 的水在 玻璃管和水箱内产生 自然对流 ， 温度不断升高 。 连接管 图 1 太阳能热水系统简图 测定试样选用 目前应用得最 多的采用 5 8 mm 和 4 7 mm管径的太阳热水器产品，6 个试样的结构 尺寸如表 1 所示， 样品集热器的标准管长分别为 1 5 m和 1 8 m， 根据样品容水量不 同， 采光面积从 l _ 5 3 8 m2 至 2 3 1 6 mz 不等。 2 试验方法 测定方法的主要依据标准是 GB T 1 8 7 0 8 2 0 0 2 家用太阳热水系统热性能测定方法 和 NY T 3 4 3 -1 9 9 8 家用太阳热水器技术条件 ， 试验分别采 用混水法和排水法进行系统得热量。 采用混水法 】 ， 只要在测定前后用混水泵将热 水系统 中的水充分混和 ， 确保水箱中各部分工质温 度达到一致， 通过记录有关温度就可以计算得热量 ， 测定相对方便易行 。排水法要用密集的温度测量逼 近一个连续的排热过程， 记录排水过程中水温的变 化细节然后通过累加方法计算水箱通过排水排出的 全部热量得到热量， 结果虽然更为精确但是操作比 较复杂。两种方法在集热器开始工作前的准备工作 相同： 测定前将集热器遮挡起来， 系统中水温调到 2 O 1， 通过混水泵 ， 以 4 0 0 6 0 0 L h 的流量 ， 将 工质充分混合， 使得系统 中各部分水温保持均匀 ( 5 mi n 内水温变化不超过 0 1 K) ， 并记录水箱入 口和出口的温度。两种方法集热器的测定时间也相 同， 系统运行都是从 当地太 阳正午前 的 4 h开始接 受太阳能辐射到太阳正午时后 4 h 结束， 共 8 h 。但 是在系统工作结束后， 两种测定方法有不同的做法。 ( 1 )混法水采用混法水测定 ， 集热器运行结 束后立即将集热器遮挡起来 ， 然后用混水泵将水箱 里 的水混和均匀 ， 当水箱 出水 口的水 温波动不超过 0 1 K后 ， 记录水箱的出口水温 。根据 G B T 1 8 7 0 7 的要求 ， 系统 的得热量可计算为 ： 一 c ( 。 一 t D ( 1 ) 式中： 表示水的密度 ； c 表示水的比热容 ； t 和 t 分别表示热水系统初始状态和终止 状态 的温度 ； r m 表示水箱容水量 。 ( 2 )排 法水采用排水法进行测定时 ， 集热器 运行结束后也要立即将集热器遮挡起来， 然后从水 箱人 口处通人 2 O的水将水箱 中的热水排 出， 要求 进入水箱 的水温波动不超过0 2 5 K， 飘移不超过 0 2 K， 流量要求保持在 4 0 0 6 0 0 L h的范 围。排 水过程中不断测定进出口水温， 要求相邻两次的测 定 间隔要求不大于 1 5 s ； 把放 出的水 占水箱容积的 某个比例时作为一个测试周期( 这个比例要求不大 28 7 一 热 问一 勰 一 集 管 一 豫 阻 一 箱 水 几一 瑚m 一 水 容 量一 啪缸 一 一 黜 积 一一 一 一 一 一 一 一始 鲆 艟 一 蛐 一 一 一 一 骰 数 一 加 一 黼 婀 一 柞m 魏 凤： 全玻璃真空管型太阳热水系统平均日效率的试验 于十分之一) ， 确定周期 内的出 口水温平 均值 。最 后， 当进出口水温相差不超 0 1 K后可以结束测定。 假设 m 为测定期间第i 次记录数据时排水的质量， 和 分别为第i 次排出水温和进口水温， 那么， 采 用排水法计算系统的得热量应为 ： Qe x= Y Y I i C ( t d i 一 ) ( 2 ) l 一 1 这是一个用有限的点无限接近一个连续过程的 测定方法 ， 数据记录相隔时间越短 ， 记录次数越多( 值越大) ， 测定的得热量就越接近真实值， 测定的误 差越小。假设测定期间， 太 阳累计辐射量为 Qs 则 系统的平均 日效率为： 叩 一 Q Q ( 3 ) 式中： Q采用混水法时为 Q ； 采用排水法时为 Q 。 得热量的测试采用了联合 国赠送 的太阳能热水 系统热性能测试装置 ， 该装置主要由控制系统、 数据 采集系统和测量系统三大部分组成 ， 该系统 自动化 程度较高 ， 进 出水量可由微机控制 ， 在测定期 间各种 数据( 水温、 流速、 风速 、 环温 、 辐照量等) 由微机适时 监控并采集 。其 中， 太阳辐照量采用太阳辐照表测 量 ， 测试装置每小时 自行记录一次累计太阳辐照量， 测定期间共记录 8 次 3 测定结果及其分析 为了比较测试方法和测试条件对全玻璃真空管 太阳热水器产品的平均 日效率的影响 ， 对不同样品 采用相同测试方法的测定结果进行 了比较 ， 又对 同 一 样品在不同的测试条件下采用不同测试方法得到 的结果进行比较 。 3 1 相同样品的混水法测试结果分析 同一台太阳热水器的性能测定， 可能因为环境 条件不同带来的散热或者辐照不 同， 导致最后 的测 定结果也不同 2 。表 2是样品 6 在不同的太 阳累 计辐照量、 环境风速和环温下， 采用混水法进行 3次 测定的结果。 表2 6 样品在不同测定条件下采用混水法测定的结果 注 ： “ 标态” 即是换算到太阳累计辐照量 1 7 M， mz 下的得热量 1 - 2 j 从表 2中可看到， 尽管测定的环境条件不同， 采 用混水法测定样品 6 的得热量也不同， 但是平均 日 效率还是很接近的， 分别为 4 7 8 8 ， 4 9 2 9 9 5 和 4 8 7 6 ， 平均值为 4 8 6 4 ， 相对误差小于 1 6 。 3次测定 的环境温度和平均环境风速相差不大， 测 定开始 时样 品水温分别 为 l 9 。 7 0， 2 0 。 5 4和 2 O 1 0， 温差不超过 0 8 4 K， 所带来的误差也可 忽略， 但是太 阳累计辐照量分别为 l 7 4 0 MJ I l l 2 ， 1 9 3 2 MJ m 和 2 1 2 0 MJ m2 ， 差异 比较 明显 ， 可 能是导致 3 次测定平均日 效率差异的主要原因。从 表中可以看到， 随着太阳辐照量的增加 ， 日有用得热 量分别为 8 3 3 ， 9 5 2 ， 1 0 3 3 MJ m2 ， 这表明在环境 风速和环温相差不大的条件下， 样品日有用得热量 随太阳辐照量的增加而增加， 但是平均日效率随着 太阳辐照量的增加先增加后减少， 可以认为存在一 个最佳的太 阳累计辐照量， 在这个太阳累计辐照量 2 8 8 下平均 日效率达到最大 。 3 2 不同样品的混水法测试分析 对表 1 所列的 6 个样品分别采用混水法进行了 平均日效率的测定测试， 这些样品的结构不尽相同， 测定结果也不同， 如表 3 所示。其中样品 2 # 一 5 是 在环境温温、 太阳累计辐照量、 环境风速几乎都相同 的测试条件下采用混水法进行 的， 但是得到 的平均 日效率值不同， 这种差别 主要是被测样品的采光面 积、 容水量和集热器吸收涂层不同造成 的。具体情 况还将做进一步研究。 3 3 同一样 品不同测试方法的结果分析 在不同测定条件下对 1 样品进行 了 4次排水 法测试， 并将排水法测试结果和混水法结果进行了 比较 ， 见表 4 。1 样品 4次排水法测得的平均 日效 率分别为 6 3 5 3 ， 6 7 5 9 ， 6 5 5 2 和 6 4 5 3 ， 4 次测定的平均值为6 5 2 9 ， 而采用混水法测得 的 魏 凤 ： 全玻璃真空管型太阳热水系统平均 日 效率的试验 平均 日效率仅为 4 5 2 9 ， 明显低于各次排水法， 仅 为排水法平均值的 6 9 3 7 。混水法测定结果较低 的原因， 是测试中只计算 了系统中水箱 中水的蓄热 量， 但是没有计及集热器和系统中其他管道 内水 的 蓄热， 因此仅反映 了热水器产品的光热转化在水箱 中集热的效果 。排水法测得到 的热量是系统通过集 热器获得全部热能 ， 除了水 箱的蓄热外还包括集热 器和系统 中其他管道 内水 的蓄热 ， 由此得到的平均 日效率更反映了热水器产 品光热转化真实的能力。 从表 4中还可以看到 ， 采用排水法测试 ， 当太阳 辐照量分别为 2 0 3 ， 1 6 3， 1 6 3， 1 4 1 M J m 2 时， 1 #样 品 的 日有 用 得 热 量 分 别 为 1 2 6 9 ， 1 O 6 6 ， 1 O 5 4 ， 9 5 4 MJ m2 ， 即样品的 日有用得热量随着太 阳辐照量增加 ， 这个结果与混水法相 同。从表中还 可看到 ， 当太 阳累计辐照量为 1 4 1 MJ m 时， 1 # 样 品的平均 日效率