張海濤 梅利輝 董大江

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

關(guān)于提高南非排水法得熱量試驗的探討

張海濤 梅利輝 董大江

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101）

采用改變單一變量方法按照南非標(biāo)準(zhǔn)SANS 6211-1測定得熱量Qu，發(fā)現(xiàn)不同出水方式對得熱量影響較大。分析結(jié)果表明此種差異主要是冷熱水的混水情況不同造成的，本文根據(jù)測試結(jié)果提出了提高得熱量的有效方法。

全玻璃真空管；浮球箱；南非標(biāo)準(zhǔn)；排水法；得熱量

1 引言

隨著世界人口的增長和人們對能源依賴程度的增加，能源短缺已經(jīng)成為各國所面臨的越來越嚴(yán)重的問題，而太陽能作為一種可再生能源具有普遍、無害、巨大、長久等其它新能源無法比擬的優(yōu)勢。中國三分之二以上國土面積的太陽能年日照時間均大于2200h，年輻射總量平均大于5900MJ/m2，太陽能資源非常豐富并且有必要大力發(fā)展。目前我國太陽能的光熱利用技術(shù)日趨成熟，太陽熱能水器行業(yè)經(jīng)過20年的發(fā)展取得了大批科技成果并形成了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

得熱量是衡量太陽能熱水器質(zhì)量水平的核心指標(biāo)，主要意義是判定太陽能熱水系統(tǒng)在一天的太陽光照中可以吸收利用的太陽輻射量。本文通過采用排水法對只有不同出水結(jié)構(gòu)的太陽能熱水器進(jìn)行對比測試，以便得出提高熱水器得熱量的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。國標(biāo)GB 19141中提供了混水法和排水法進(jìn)行得熱量的測量，但是南非標(biāo)準(zhǔn)SANS 6211-1只提供了排水法測量，并且政府工程項目會依據(jù)得熱量數(shù)值的大小進(jìn)行政府補(bǔ)貼，以便大力推廣高效太陽能熱水器的使用。

2 試驗方案

2.1 試驗樣機(jī)

2套測試樣機(jī)均采用自然循環(huán)虹吸原理、非承壓式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)。樣機(jī)由35°支架、12支并排平行的58×1800普通真空管、100L大水箱和8L浮球箱組成，真空管管間距均為76mm，無反射板，如圖1所示。此系統(tǒng)加熱原理為：真空管是太陽能熱水器的核心，它的結(jié)

構(gòu)如同一個拉長的暖瓶膽，內(nèi)外層之間為真空。在內(nèi)玻璃管的外表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，用來最大限度的吸收太陽輻射能。太陽能照射在附著在全玻璃真空管內(nèi)管外壁上的選擇性吸收涂層上面，選擇性吸收涂層吸收太陽能熱量后加熱真空管內(nèi)的水，真空管內(nèi)的水溫升高同時水的密度變小，由于水箱內(nèi)水溫低而且密度相對大，憑借冷熱水密度壓力差及重力作用在真空管和水箱之間形成了對流循環(huán)，從而不斷提高大水箱的水溫。2臺樣機(jī)只有大水箱的出水方式不同，其它規(guī)格都一樣。我們分別定義為樣機(jī)Ⅰ和樣機(jī)Ⅱ。樣機(jī)Ⅰ采用上進(jìn)水加進(jìn)水襯管、側(cè)上出水方式；樣機(jī)Ⅱ采用上進(jìn)水、側(cè)下出水方式，如圖2所示。

2.2 試驗原理和方法

本試驗采用的測量方法依據(jù)南非標(biāo)準(zhǔn)SANS 6211-1《家用太陽熱水器使用室外測試方法測量熱性能》。

具體方法為：每次測試包括不少于6小時的太陽能加熱期，以正午太陽在最高點為界相隔相同的時間間隔（即正午太陽達(dá)最高點前后不少于3小時的時長）。按照如下所述的試驗方法至少連續(xù)進(jìn)行3次結(jié)果有效的測試。

（1）完全遮蓋住真空管，并已通過系統(tǒng)的整體沖洗保持其溫度的穩(wěn)定，直到傳輸水的溫度恒定并且供應(yīng)水溫Tc處于1℃之內(nèi)。

（2）打開真空管的蓋子并立即接通日射表和風(fēng)速記錄器，同時以大約每30分鐘的間隔記錄環(huán)境溫度。讓太陽能收集器在太陽達(dá)最高點之前和之后依次加熱不少于3小時。

（3）在試驗期（至少6小時）結(jié)束時，蓋上真空管，然后立即斷開日射表、風(fēng)速計和環(huán)境溫度記錄器。打開儲水容器的出口閥，接著打開冷水供應(yīng)開關(guān)，然后將系統(tǒng)的熱水以600L/h±10L/ h流速放出，同時記錄排水溫度，并測量以大約Vs/20的增量輸送的水的容積。

（4）把積累的熱水排出，直到三次連續(xù)溫度測量值的變化量相比Tc值均不超過1℃，或直到將儲水箱的水容量排出3倍后為止，兩個條件以先達(dá)到者為準(zhǔn)。

排水過程中，在容積減少量為Vs/20時進(jìn)行溫度測量。溫度值與容積減少量的比由排水曲線圖表示（見圖3）。每個試驗日的能量輸出可通過計算曲線以下、Tc以上的區(qū)域面積測得。Vs為儲水箱中的熱水容積（單位：升）。

式中：

Qu表示吸收的有效能（單位：兆焦?fàn)枺?/p>

Cs表示熱水儲水箱的熱容積（單位：焦耳/千克×攝氏溫度）；

n表示添加到測量水箱中的水的總質(zhì)量增量；

Mm表示添加到測量水箱中的水的質(zhì)量增量，（單位：千克）；

Tm表示熱水儲水箱中，添加到測量水箱中的水的各質(zhì)量增量的平均溫度（單位：攝氏度）；

T20表示冷水的進(jìn)水溫度（單位：攝氏度；20℃）。

為了盡量減小環(huán)境因素對試驗結(jié)果的影響，我們設(shè)定2臺樣機(jī)在結(jié)束一天的太陽能照射后的溫度均為一個固定值，并用循環(huán)泵把水箱的水充分混合為穩(wěn)定的狀態(tài)，使水箱中的各部分工質(zhì)溫度波動不超過0.1℃則視為穩(wěn)定狀態(tài)，排水測試參數(shù)及步驟按照如上要求測量。

表1 出熱水量測試數(shù)據(jù)分析

表2 出熱水量測試數(shù)據(jù)分析

表3 65℃測試條件下通氣孔剩余水溫度

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)比較

3.1 65℃初始溫度試驗原始數(shù)據(jù)（見表1）

通過公式可以計算出圖4中排水法的面積。

樣機(jī)ⅠQu值=23470.2；

樣機(jī)ⅡQu值=20884.8；

樣機(jī)ⅠQu值/樣機(jī)ⅡQu值=1.12。

通過計算在65℃的2個排水法排出的熱水面積得出，側(cè)上出水口的得熱量明顯高于采用側(cè)下出水口的得熱量。

3.2 48℃初始溫度試驗原始數(shù)據(jù)（見表2）

通過公式可以計算出圖5中排水法的面積。

樣機(jī)ⅠQu值=15100.4；

樣機(jī)ⅡQu值=12732.7；

樣機(jī)ⅠQu值/樣機(jī)ⅡQu值=1.18。

同樣通過計算在48℃的2個排水法排出的熱水面積得出，側(cè)上出水口的得熱量明顯高于采用側(cè)下出水口的得熱量，試驗結(jié)果與第一組相近。

4 結(jié)果不同的原因分析

由于只改變單一變量即出水方式的不同，很明顯側(cè)上出水口的得熱量明顯高于采用側(cè)下出水口的得熱量。試驗結(jié)束后從通氣孔分別測量水箱的上、中、下部位剩余水的溫度。

從表3中數(shù)據(jù)分析得知樣機(jī)Ⅰ的水箱水溫分布差別不大，說明水箱的熱水已經(jīng)幾乎被進(jìn)水全部排出，冷水由大水箱底部進(jìn)入，慢慢把水箱上部的熱水幾乎全部頂出，即此種結(jié)構(gòu)能有效避免大水箱中冷熱水的混水。反觀樣機(jī)Ⅱ，冷水進(jìn)入大水箱后直接和大水箱底部的熱水混水，在冷水進(jìn)水的流量沖擊下直接從側(cè)下出水口排出，而大水箱上部通氣孔附近還有部分28.4℃的熱水沒有排出，即此種結(jié)構(gòu)未能充分排出大水箱的可用熱水，從而導(dǎo)致了2種水管結(jié)構(gòu)的得熱量不同。

5 結(jié)論

根據(jù)樣機(jī)Ⅰ的排水曲線得知：水箱排水的過程可以分為三個階段：高溫穩(wěn)定階段、出水水溫快速下降階段和低溫穩(wěn)定階段，各個階段持續(xù)時間的長短不同，與進(jìn)水溫度有直接關(guān)系，同樣測試環(huán)境下此種出水方式的排水曲線面積大。樣機(jī)Ⅰ的出水方式更能夠滿足南非標(biāo)準(zhǔn)。

通過以上對比試驗數(shù)據(jù)得知：采用側(cè)上出水增加襯管的結(jié)構(gòu)能最大限度使冷、熱水分層，避免混水，在用戶實際使用此結(jié)構(gòu)的太陽能熱水時也能充分利用大水箱的熱水，提高太陽能利用效率。以上結(jié)論可作為新設(shè)計浮球箱供水式大水箱水管結(jié)構(gòu)的分布參考，以提高太陽能熱水利用率，避免浪費(fèi)太陽能資源。

圖1 試驗樣機(jī)

圖2 樣機(jī)的進(jìn)出水方式示意圖

圖3 排水曲線圖

圖4 65℃新老結(jié)構(gòu)對比排水曲線

圖5 48℃新老結(jié)構(gòu)排水曲線

[1] 王淅芬, 魏鳳. 太陽能熱水器得熱量的兩種測定方法比較[J].能源技術(shù). 30(2): 92-95

[2] 吳振一, 竇建清. 全玻璃真空太陽能集熱管熱水器及熱水系統(tǒng).[M]. 清華大學(xué)出版社2008, 34-35

Discussion on improving the drainage method in South Africa to improve the heat obtaining quantity

ZHANG Haitao MEI Lihui DONG Dajiang
（Qingdao Economic and Technological Development District Haier water heater co., ltd. Qingdao 266101）

Heat obtaining quantity by changing a single variable in accordance with the South African standard method and found a large impact on the different ways of water draining. The results show that this difference is mainly caused by different hot and cold mixing water, according to test results obtained an effective method to improve the heat obtaining quantity.

All-glass vacuum tube; Float tank; South Africa's standard; Drainage method; Heat-obtaining quantity