黃海泉，阮小麗，陳建豪

（南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 南通 226011）

水箱進出水結(jié)構(gòu)對平均熱損因數(shù)測試的影響

黃海泉，阮小麗，陳建豪

（南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 南通 226011）

平均熱損因數(shù)是家用太陽能熱水器熱性能的重要參數(shù)，通過對不同進出水結(jié)構(gòu)的家用太陽能熱水器進行試驗研究，試驗結(jié)束時采用混水法達到溫度平衡，結(jié)果表明進水口和出水口距離較遠且出水口位于水箱底部時平均熱損因數(shù)較低，當進水口與出水口位置較近以及出水口位于水箱側(cè)面時平均熱損因數(shù)較高。

家用太陽能熱水器；平均熱損因數(shù)；進出水結(jié)構(gòu)

1 引言

太陽能作為清潔的可再生能源，世界各國都非常重視對太陽能的研究與利用。我國有豐富的太陽能資源，太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)在我國得到了前所未有的關(guān)注和發(fā)展。全玻璃真空管太陽能熱水器由于集熱性能好、易于大規(guī)模化生產(chǎn)和運輸，價格相對低廉，因而深受消費者青睞。據(jù)統(tǒng)計表明，全玻璃真空管集熱器占我國的太陽能熱水器市場份額95%以上。

太陽能熱水器的最新標準是GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》[1]，平均熱損因數(shù)是其中的關(guān)鍵指標，它的物理含義是在沒有太陽輻照的外部環(huán)境下，太陽能熱水器防止水箱和集熱器中熱量損失的能力。近年來，人們不斷對其應用和影響因素進行分析和研究。張昕宇等通過測試研究分析了在目前的保溫工藝水平下，采用50mm厚的聚氨酯保溫就可以達到較好的保溫效果且能達到較低的平均熱損因數(shù)[2]；肖紅升通過試驗和計算提出了將平均熱損因數(shù)數(shù)值保留一位小數(shù)可以提高嚴謹性[3]；殷志強等研究了環(huán)境和測量不確定度對平均熱損因數(shù)的影響[4]；李郁武等研究了家用太陽能熱水器日有用得熱量及平均熱損因數(shù)的測量不確定度評定[5]，魏鳳等研究了外部環(huán)境參數(shù)對太陽能熱水器的日有用得熱量和平均熱損因數(shù)的影響[6]。

文中通過對幾種典型的水箱進出水結(jié)構(gòu)進行測試，找出不同的水箱進出水結(jié)構(gòu)對混水到達均勻的時間以及最終混水溫度的影響，并分析了不同進出水結(jié)構(gòu)影響平均熱損因數(shù)的原因，為家用太陽能熱水器的設(shè)計及選用提供參考。

2 平均熱損因數(shù)的測試

2.1 測試系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)GB/T 19141-2011[1]和GB/T 18708-2002[7]，家用太陽能熱水器的熱性能測試系統(tǒng)的工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件有水箱、總?cè)丈浔?、風速儀、環(huán)溫傳感器、集熱器列、三通閥門、溫度傳感器、混水泵等。文中探討的太陽能熱水器是目前應用最廣泛的緊湊式，全玻璃真空管接受太陽輻射把管內(nèi)的水進行加熱，水箱中的冷水和真空管中的熱水通過自然循環(huán)進行熱交換。

圖1 系統(tǒng)熱性能的試驗裝置示意圖

2.2 測試方法

試驗應在室外進行，根據(jù)GB/T 18708-2002，首先關(guān)掉水箱內(nèi)的加熱棒，從恒溫水箱中試驗所需的熱水注入太陽能熱水器的貯熱水箱，然后用混水泵連接水箱的出水口與入水口使之循環(huán),當水箱入水口的溫度在5min內(nèi)其變化范圍不超過±0.10℃時，可以認為水箱內(nèi)部各區(qū)域的溫度是均勻的。此時讀取水箱內(nèi)的平均溫度作為其初始溫度，根據(jù)GB/T 18708-2002此溫度不得低于50℃±1℃。然后關(guān)閉混水泵及其相關(guān)的閥門，讓太陽能熱水器自然降溫冷卻8h。

試驗期間空氣速率應不大于4m/s，每小時測量一次環(huán)境溫度，得出平均空氣溫度。

試驗至460min時，開啟混水泵使之運轉(zhuǎn)5min，用51℃的熱水循環(huán)加熱水箱外的管道，使其達到初始溫度，同時使得水箱進水口的溫度在1min內(nèi)變化幅度不大于±1℃；試驗至465min時，開啟混水泵使太陽能熱水器水箱內(nèi)的溫度均勻，當連續(xù)五分鐘內(nèi)水箱進水口的溫度波動不超過±1℃時，最終溫度tf就是這五分鐘內(nèi)的讀數(shù)平均值。

家用太陽能熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)用式（1）計算：

式中：ρw：水的密度，kg/m3；cpw水的比熱容,J/(kg℃)；Δτ：時間間隔，s；ti：水箱內(nèi)的熱損試驗起始溫度，℃；tf：水箱內(nèi)的熱損試驗終止溫度，℃；tas(av)：試驗時試樣附近的平均氣溫，℃。

2.3 常見的水箱進出水結(jié)構(gòu)

目前市場占有率最高的是緊湊式太陽能熱水器，采用全玻璃真空集熱管，水箱通常為圓柱形，常見的水箱進出水結(jié)構(gòu)有如下幾種，見圖2。

圖2 常見的水箱進出水結(jié)構(gòu)

3 四種水箱結(jié)構(gòu)的熱性能試驗

3.1 試樣參數(shù)

為了驗證不同的水箱進出水結(jié)構(gòu)對熱性能試驗結(jié)果的影響，本次試驗邀請南通某知名太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)定做了四臺集熱器面積和水箱容積以及其他參數(shù)完全相同的家用太陽能熱水器，其進出水結(jié)構(gòu)分別采用圖2中的四種結(jié)構(gòu)，其參數(shù)見表1。

表1 四臺定制太陽能熱水器的廠家標稱參數(shù)

3.2 試驗結(jié)果

熱損試驗時期間的平均環(huán)境溫度tad=18.5℃，試驗數(shù)據(jù)見表2。四臺家用太陽能熱水器熱損試驗結(jié)束時混水的溫度變化曲線見圖3～圖6。

圖3 試樣A混水溫度曲線

圖4 試樣B混水溫度曲線

圖5 試樣C混水溫度曲線

圖6 試樣D混水溫度曲線

表2 四臺定制太陽能熱水器的熱損試驗數(shù)據(jù)

3.3 試驗分析

從圖3～圖6可以看出，由于四個試樣進出水結(jié)構(gòu)的差異，混水時三個測溫點的溫度到達均勻所需的時間各不相同，試樣A最快為17min，結(jié)束溫度為48.0℃；試樣B最慢為31min，結(jié)束溫度為47.2℃。由此導致最終測得的平均熱損因數(shù)有3W/(m3?K)的差異。試樣A、D混水到達均勻的速度比試樣B、C要快，這是因為試樣A、D的進水口和出水口位于水箱的兩側(cè)，距離較遠，水箱內(nèi)大部分區(qū)域的水都參加了水循環(huán)；試樣B、C的進水口和出水口位于水箱的同側(cè)，距離較近，靠近進出水口的部分水參加了水循環(huán)，水箱另一側(cè)區(qū)域的水成了混水時的盲區(qū)，該區(qū)域只能通過熱擴散達到最終的熱平衡。此外圖中還顯示試樣A比D快，試樣C比B快，這是由于試樣B、D的出水口在水箱的側(cè)面，出水口以下有一部分水是放不出來的，不能參與水循環(huán)，這部分的水的水溫比較低只能靠熱擴散參與混水，導致混水到達均勻的速度變慢。試樣A、B、C、D在混水開始時的溫度基本一致，而混水用的時間越長，到達均勻的平均溫度就越低，這是因為整個測試系統(tǒng)的管路雖然有保溫層，水箱也有保溫層，但還是有較多的不保溫環(huán)節(jié)譬如排氣口、混水泵、三通閥門等，水循環(huán)的時間越長，耗散掉的熱量越多，最終的平均水溫就越低。

4 結(jié)論

（1）由于太陽能熱水器熱性能測試系統(tǒng)不是一個理想的保溫系統(tǒng)，存在排氣口較多的散熱環(huán)節(jié)，因此用混水法獲得結(jié)束溫度時，所用的時間越短耗散到大氣中的熱量就越少，讀數(shù)越接近真實值。混水過程越長，結(jié)束溫度的讀數(shù)越低，進而使得測試出的平均熱損因數(shù)變大。

（2）水箱的進水口和出水口位于水箱的兩側(cè)，距離較遠時，由于水箱內(nèi)大部分區(qū)域的水都參加了水循環(huán)，因而混水速度較快，對平均熱損因數(shù)測試的影響較小。水箱的進水口和出水口位于水箱的同側(cè)，不論是底部的同側(cè)還是同一個側(cè)面時，由于它們距離較近，水箱內(nèi)遠離進出水口的區(qū)域成了混水時的盲區(qū)，造成混水速度較慢，散熱增大，對平均熱損因數(shù)測試的影響較大。

（3）水箱的出水口位于側(cè)面時，出水口以下有一部分水最是放不出來的，不能參與水循環(huán)，這部分水的溫度比較低只能靠熱擴散參與混水，導致混水的速度變慢，最終導致日有用得熱量的讀數(shù)偏小。相比較而言，出水口位于水箱底部時，對平均熱損因數(shù)測試的影響較小。

（4）平均熱損因數(shù)的高低關(guān)系到能效系數(shù)計算和能效等級判定。當水箱外殼、保溫層、內(nèi)膽材料、真空玻璃管、支架等原材料相同，并且工人熟練度和生產(chǎn)工藝也相同的條件下，為了降低家用太陽能熱水器的平均熱損因數(shù)，建議采用進水口和出水口距離較遠且出水口位于水箱底部的結(jié)構(gòu)。

[1]GB/T 19141-2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[2]張昕宇,徐偉,王敏,等.全玻璃真空管型家用太陽能熱水器熱性能影響因素試驗研究[J].建筑科學,2016,32(8):87-92.

[3]肖紅升.家用太陽能熱水系統(tǒng)平均熱損因數(shù)數(shù)值的探討[J].標準科學,2012,(11):49-51.

[4]殷志強,馬光柏,李郁武,等.環(huán)境與測量不確定度對太陽熱水器能效等級遷移的影響[J].太陽能,2012,(13):18-22.

[5]李郁武,馬光柏,劉磊,等.家用太陽能熱水器日有用得熱量及平均熱損因數(shù)的測量不確定度評定[A].2011中國太陽能熱利用行業(yè)年會暨高峰論壇[C].2011年.

[6]魏鳳,張曉黎,辛禮.環(huán)境條件對全玻璃真空太陽能熱水系統(tǒng)熱性能的影響[J].能源技術(shù),2006,27(3):63-65.

[7]GB/T 18708-2002,家用太陽熱水系統(tǒng)性能試驗方法[S].

In fluence of Water Inlet and Outlet Structure on Average Heat Loss Factor

HUANG Hai-Quan,RUAN Xiao-Li,CHEN Jian-Hao
(Nantong Institute of Supervision ＆Inspection on Product Quality,Nantong 226011,Jiangsu,China)

The average heat loss factor is an important parameter for the thermal performance of domestic solar water heaters. The domestic solar water heaters with the different water inlet and outlet structures are studied. The mixing method is used to achieve temperature balance at the end of the experiment. The results show that average heat loss factor is low when the water inlet and outlet is far distance and the water outlet at the bottom of the water tank. The average heat loss factor is high when the water inlet and the water outlet location close and the water outlet is positioned on the side of the water tank.

Domestic solar water heater; Average heat loss factor; Water inlet and outlet structure

2017-01-19

黃海泉，男，南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，機械電氣部，檢驗員，工程師，研究生

阮小麗，女，南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，機械電氣部，檢驗員，工程師

陳建豪，男，南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，所長室，所長，研究員級高級工程師，研究生