13第十三章太阳热水系统.docx
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13第十三章太阳热水系统
第十三章太阳能热水系统现场检测
1、概念
太阳，是离地球最近的一颗恒星，它的表面辐射温度在6000K左右，中心的温度高达几千万K，压强高达3•1016Pa，是一个直径约1390000公里的巨大炽热球体，不断地向空间释放能量。
地球大气层上界接收到的太阳辐射总功率约为1.73•1014kW。
据科学家估计，目前太阳上氢的储量还足以继续进行核聚变反应达数百亿年。
太阳，对于人类来说是一个取之不尽、用之不竭的巨大能源库。
我国太阳能利用起步较晚，近十年来的发展速度较快，但大量的产品是价格便宜的非承压式太阳能热水器产品，主要在广大的农村地区、边远地区使用。
随着科学技术和经济条件的不断发展，政府和百姓对能源危机意识的增强，节能减排任务的逐步落实，城市居民和公共设施已开始使用太阳能热水器了。
政府建设主管部门已开始从设计、安装、验收，着手规范太阳能热水系统的管理，并进一步考虑太阳能与建筑一体化的问题。
对于太阳能热水系统的检测，主要是太阳能集热器和家用太阳能热水器进行型式检验以及太阳能热水系统热性能、安全性能等项目的检测评定。
2、检测判定依据
2．1、标准名称及代号
《家用太阳热水系统技术条件》GB/T19141-2003
《太阳热水系统性能评定规范》GB/T20095-2006
《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002
《家用太阳热水系统热性能试验方法》GB/T18708-2002
《建筑太阳能热水系统设计、安装与验收规范》
《太阳能热水系统检测规程》
2．2、热性能判定指标
（1）贮热水箱容积<0.6m3的家用热水系统
试验结束时贮水温度≥45℃
日有用得热量（紧凑式与闷晒式）≥7.5MJ/㎡
日有用得热量（分离式与间接式）≥7.0MJ/㎡
平均热损因数（紧凑式与分离式）≤22W/（m3•K）
平均热损因数（闷晒式）≤90W/（m3•K）
（2）单个贮水箱有效容积≥0.6m3的热水系统
日有用得热量:
对于直接系统q17≥7.0MJ/㎡
对于间接系统q17≥6.3MJ/㎡
升温性能:
系统的△t17≥25℃
贮水箱保温性能:
V≤2m3时,△tsd≤8℃；
2m3≤V≤4m3时，△tsd≤6.5℃；
V>4m3时,△tsd≤5℃；
3、太阳热水器的定义、分类与命名
3．1、定义
太阳能热水器的定义：
太阳能热水器是利用温室原理，将太阳能转变为热能，以达到将水加热之目的的整套装置。
通常由太阳能集热器、储水箱、连接管道、支架、控制器和其他配件组合而成，必要时，还要增加辅助热源。
3．2、分类与命名
3.2.1、太阳能热水系统的类型
3.2.1.1、根据太阳能热水器的结构组合不同可分为紧凑式太阳能热水器（集热部件插入热水箱）和分离式太阳能热水器（集热部件离开水一段距离）。
3.2.1.2、按太阳能热水器集热原理可分为闷晒型太阳能热水器（集热器和水箱合二为一）、平板型太阳能热水器、全玻璃真空管型太阳能热水器、热管真空管型太阳能热水器和热泵型太阳能热水器。
3.2.1.3、按太阳能热水器的使用时间可分为季节性太阳能热水器（冬季不使用）、全年用太阳能热水器和全天候太阳能热水器（指任何时间都有热水供应）
3.2.1.4、考虑到工质循环次数不同，可分为一次循环太阳能热水器（或称直接系统）和二次循环太阳能热水器（或称间接系统）。
3.2.2、太阳热水器系统产品命名
3.2.2.1、家用太阳能热水系统的命名分为五个部分
第一部分
第二部分
第三部分
第四部分
第五部分
P：
平板
Q：
金属真空管
B：
玻璃－金属真空管
M：
闷晒
B：
水在玻璃管内
J：
水在金属管内
R：
热管
J：
紧凑
F：
分离
M：
闷晒
1：
直接
2：
间接
贮热水箱标称水量/标称采光面积/
额定压力，L/㎡/MPa
3.2.2.2、命名示例
以全玻璃真空管太阳能家用热水器系统为例：
3.2.2.3、平板型集热器的命名
3.2.2.3.1、产品标记内容：
第一部分：
用汉语拼音字母P表示平板型太阳能集热器。
第二部分：
用下表所示的汉语拼音字母表示吸热体的结构类型。
用阿拉伯数字表示以MPa为单位的太阳能集热器的工作压力，小数点后保留一位数字。
平板型太阳能能集热器吸热体结构类型符号表
符号
G
Y
B
S
类型
管板式
翼管式
扁盒式
蛇管式
第三部分：
用下表所示的汉语拼音字母表示吸热体材料的类型，下表没有表示的新型材料一般用其汉语拼音的第一个字母表示。
对由不同材料组成的吸热体，应采用下列形式表达其材料类型“管材代号/板材代号，如铜铝符合的表达形式为“T/L”。
平板型太阳能集热器吸热体材料类型符号表
符号
材料
符号
材料
符号
材料
T
铜
L
铝
B
玻璃
U
不锈钢
G
钢
HG
黑铬
S
塑料
X
橡胶
吸热体涂层类型一般用其汉语拼音的第一个字母表示。
吸热体材料类型和吸热体涂层类型之间用“/”隔开。
第四部分：
用阿拉伯数字表示以㎡为单位的平板型太阳能集热器的采光面积，小数点后保留一位数字。
第五部分：
用阿拉伯数字表示该型号平板型太阳能集热器的改进序号。
3.2.2.3.2、产品标记示例
采光面积为2㎡的铜管板式涂层为黑铬的2型平板型太阳能集热器产品标记如下
3.2.2.4、真空管型太阳能集热器产品标记由如下部分组成：
3.2.2.4.1、产品标记内容
第一部分：
用汉语品应字母Z表示真空管型太阳能集热器。
第二部分：
用汉语拼音字母QB、BJ和RG分别表示全玻璃真空集热管型太阳能集热器、玻璃-金属真空管型太阳能集热器和热管式真空型太阳能集热器/用阿拉伯数字表示以MPa为单位的真空管型太阳能集热器工作压力。
第三部分：
用汉语拼音字母YF和WF分别表示有无反射器。
第四部分：
用阿拉伯数字表示以㎡为单位的真空管型太阳能集热器采光面积（小数点后保留一位数字）/真空太阳集热管根数。
第五部分：
用阿拉伯数字表示以㎜为单位的真空太阳集热管罩玻璃管外径/改进型号。
在各相邻部分之间用“-”隔开。
3.2.2.4.2、产品标记示例
以10根全玻璃真空太阳集热管构成的全玻璃真空型太阳能集热器产品为例。
a）无反射器的示例
b）有反射器的示例
4、热性能检测
4．1、检测条件
4.1.1、太阳辐照量测量
4.1.1.1、总日射表传感器应安装在太阳集热器高度的中间位置，并与太阳能集热器采光面平行，两平行面的平行度相差应小于±1º。
4.1.1.2、总日射表传感器的安装位置应避免太阳能集热器的反射对其测量结果产生影响。
4.1.1.3、应防止总日射表的座体及其外露导线被太阳晒热。
4.1.1.4、在整个测试期间，总日射表不应遮挡太阳集热器采光，并不被其他物体遮挡。
4.1.1.5、对于太阳能集热器处在不同采光平面上的太阳能热水系统，应根据太阳能集热器不同的采光平面分别设置总日射表。
各台总日射表的放置位置和要求同1～4条。
4.1.2、周围空气速率测量
应分别测量太阳能集热器和贮水箱周围的空气流速。
风速仪应分别放置在与太阳能集热器中心点同一高度和贮水箱中心点同一高度的遮荫处，分别距离太阳能集热器和贮水箱1.5m～10.0m的范围内，环境空气的平均流动速率不大于4m/s。
4.1.3、环境温度测量
应分别测量太阳能集热器和贮水箱周围的环境温度。
温度测量仪表应分别放置在与太阳能集热器中心点相同高度和贮水箱中心点相同高度的遮荫通风处，分别距离太阳能集热器和贮水箱1.5m～10.0m的范围内，试验期间环境温度应保持在8℃～39℃。
4.1.4、太阳能集热器轮廓采光面积测量
根据GB/T19141-2003中第3.3条的定义和计算方法，测量计算太阳能集热器的轮廓采光面积。
4.1.5、主要测量仪器及精度要求
4.1.5.1、主要仪器
1、一级总日射辐射表；
2、地球辐射表（散射辐射表）；
3、水温测量系统；
4、环境温度测量装置；
5、风速仪；
6、超声波流量仪；
7、直尺。
4.1.5.2、检测精度
1、应使用一级总日射表测量太阳辐照量，总辐射表精度为±5%W/m2，总辐射表应该按国家规定进行校准；
2、冷水入口、热水出口及水箱内温度测量装置，仪器精度应为±0.1℃，环境温度测量装置，仪器精度应为±0.2℃；测量空气流速的风速仪的准确度应为±0.5m/s。
3、计时的钟表的准确度应为±0.2%。
4、测量冷水体积或质量的仪表的准确度应为±1%。
5、测量长度的钢尺或钢板尺的准确度应为±1%。
6、测量压力的仪表的准确度应为±5%。
4．2、单个贮水箱容积≥0.6m3的太阳能热水系统热性能试验
4.2.1系统应按照原设计要求安装调试合格，并至少正常运行3d，才能进行热性能试验。
4.2.2试验所用冷水为该系统投入正常使用时的实际用水，水温8℃≤te≤25℃。
4.2.3日有用得热量和升温试验
4.2.3.1对于太阳能集热器采光面正南放置和南偏东、南偏西放置且试验时间可以达到8h的太阳热水系统，H≥17MJ/㎡；对于太阳能集热器采光面南偏东、南偏西、正东、正西放置但试验时间达不到8h的太阳能热水系统，在当地太阳正午时前4h到太阳正午后4h期间，正南方向与太阳能集热器同一倾角斜面上的太阳辐照量应大于或等于17MJ/㎡。
4.2.3.2试验只测试系统的太阳能加热部分。
对于太阳能带辅助热源系统，试验期间应关闭辅助热源。
4.2.3.3试验起止时间
当太阳能集热器采光面正南放置时，对于自然循环和强制循环系统，试验起止时间为当地太阳正午时前4h到正午后4h，共计8h；对于直流式系统，试验起止时间为当地太阳正午前4h左右到太阳正午时后4h左右，共计8h±0.5h。
当太阳能集热器采光面南偏东、南偏西、正东、正西放置时，试验起止时间应调整到太阳能集热器能够最大限度地采集太阳光的时间区间，但试验时间最长不超过太阳能集热器采光面正南放置时规定的试验时间，最短不少于4h。
4.2.3.4贮水箱内的水是自然循环或强制循环的太阳能热水系统的试验方法
4.2.3.4.1打开系统冷水阀门向系统充水，充水过程中，应及时排除系统内的空气。
系统充满水后，应测量计算出系统贮水箱的试验水量Vs。
4.2.3.4.2在试验开始前30min，启动贮水箱的混水装置进行混水，使贮水箱上下部水温差别在1℃以内。
对于强迫循环系统，还应同时手动启动太阳能热水系统的循环泵。
4.2.3.4.3试验开始时，应同时记录总日射表太阳辐照量读数，并将强制循环系统循环泵置于正常运行控制状态，同时应关闭贮水箱的混水装置，记录贮水箱上下部水温。
贮水箱上下部水温的平均值就是试验开始时贮水箱内的水温tb。
4.2.3.4.4试验结束时，应记录总日射表太阳辐照量读数，同时关闭系统上下循环管路与贮水箱之间的阀门，关闭强制循环系统的循环泵，启动贮水箱的混水装置。
当贮水箱上下部水温差值降到1℃以内时，记录贮水箱上下部水温，取其平均值，作为试验结束时贮水箱内的水温te。
4.2.3.4.5试验结束与开始时太阳辐照量读数的差值就是试验期间单位轮廓采光面积的太阳辐照量H。
对处在不同采光面积上的太阳能热水系统，应分别计算试验期间不同采光平面单位轮廓采光面积的太阳辐照量。
4.2.3.5贮水箱内的水是单一的直流式加热的太阳能热水系统和刚开始加热时是直流式加热、待贮水箱内的水位达到设定高度后又转入强制循环的太阳能热水系统的试验方法
4.2.3.5.1手动打开系统进水管路上起定温作用的阀门或水泵，向系统充水。
充水过程中，应及时排除系统内的空气。
系统充满水后，将定温控制器置于正常工作状态。
打开系统贮水箱的排污阀，排净贮水箱内的水，并使排污阀一直处于打开状态，以排除系统试验开始前产生的热水。
4.2.3.5.2当地太阳正午前4h左右，当系统产生定温热水，起定温作用的阀门或水泵自动启动又自动停止后，试验开始。
此时应记录试验开始时间、冷水进水管路上的流量仪表的流量读数和冷水温度、总日射表太阳辐照量读数等数据。
当贮水箱排出系统试验开始前产生的热水后，关闭贮水箱的排污阀，确保系统试验开始后所产生的热水全部贮存在贮水箱内。
4.2.3.5.3试验开始后，起定温作用的阀门或水泵每次启动又停止后，应记录停止的时间、冷水进水管路上的流量和冷水温度tc、总日射表太阳辐照量读数等数据，直到试验结束。
4.2.3.5.4对于单一的直流式加热的太阳能热水系统，如果试验期间系统产生的热水可能使贮水箱满水溢流时，以贮水箱可能溢流前系统起定温作用的阀门或水泵自动启动又自动停止后的时间作为试验结束时间；如果试验期间系统产生的热水不会使贮水箱满水溢流的，以当地太阳正午后4h，起定温作用的阀门或水泵自动启动又自动停止后的时间作为试验结束时间；如果过了当地时间正午后4h，系统30min内未产生热水，则以系统前一次产生热水的时间作为试验结束时间。
4.2.3.5.5对于刚开始加热时是直流式加热、待到贮水箱内的水位达到设定高度后又转入强制循环的太阳能热水系统，如果试验期间系统一直处于直流式加热状态的，应按单一的直流式加热的太阳能热水系统来确定试验结束时间；如果试验期间系统转入了强制循环的，以当地太阳正午后4h作为试验结束时间。
4.2.3.5.6系统试验结束时，对于单一的直流式加热的太阳能热水系统，应立即关闭系统起定温作用的阀门或水泵前后的阀门；对于刚开始加热时是直流式加热、待到贮水箱内的水位达到设定高度后又转入强制循环的太阳能热水系统，还应关闭系统上下循环管路与贮水箱之间的阀门，关闭贮水箱的循环泵。
同时应记录试验结束时间、冷水进水管路上的流量和冷水温度、总日射表太阳辐照量、贮水箱上下部水温等数据，并同时启动贮水箱混水装置，使贮水箱上下部水温差值降到1℃以内，记录贮水箱上下部水温。
贮水箱上下部水温的平均值就是试验结束时贮水箱内的水温te。
4.2.3.5.7计算记录贮水箱的试验水量、试验期间冷水水温tb、结束时的水温te、轮廓采光面积、不同采光平面单位面积的太阳辐照量。
4.2.4日有用得热量和升温性能计算
系统试验期间单位轮廓采光面积的日有用得热量计算式：
…………………………
（1）
式中：
q太阳能热水系统单位轮廓采光面积的日有用得热量，单位为兆焦耳每平方米（MJ/m2）；
水的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
CpW水的比热容，单位为千焦耳每千克摄氏度[kJ/（kg·℃）]；
Vs贮水箱内的试验水量，单位为立方米（m3）；
te集热试验结束时贮水箱中水的平均温度，单位为摄氏度（℃）；
tb集热试验开始时贮水箱中水的平均温度，单位为摄氏度（℃）；
Ac太阳能热水（器）系统中太阳能集热器的轮廓采光面积，单位为平方米（m2）；
换算成太阳辐照量为17MJ/（d·㎡）时的日有用得热量q17用式
（2）进行运算：
…………………………………………………
（2）
式中：
H集热器采光面上日太阳辐照量，单位：
MJ/m2
当系统的太阳能集热器不在同一采光平面时，可根据不同的采光平面用式（3）计算系统的q值：
……………………………………（3）
式中：
q17日太阳辐照量为17MJ/m2时，太阳能热水系统单位轮廓采光面积的日有用得热量，单位为兆焦耳每平方米（MJ/m2）；
Hi太阳能热水系统第i个采光平面的日太阳辐照量，单位为兆焦耳每平方米（MJ/m2）；
Aci太阳能热水系统中第i个采光面积中太阳集热器的轮廓采光面积，单位为平方米（m2）；
太阳辐射量为17MJ/（d·㎡）时，贮水箱的温升△t17用式（4）计算:
………………………………………（4）
当系统的太阳能集热器不在同一采光平面时，可根据不同的采光平面用式（5）计算系统的贮水箱的温升△t17值：
………………………………（5）
4.2.5贮水箱保温性能试验
4.2.5.1试验用水温水量要求：
在保温性能试验开始前，应将贮水箱充满不低于50℃的热水。
贮水箱上所有的阀门，避免贮水箱保温试验受到管路、太阳能集热器或换热器散热和使用热水等因素的影响。
4.2.5.2其他要求：
该试验只测试贮水箱的保温性能。
对于太阳能单独系统，可按照规定的步骤进行试验；对于太阳能带辅助热源系统，试验期间应关闭辅助热源。
4.2.5.3试验时间
贮水箱保温性能试验一般应在晚上8：
00至第二天早晨6：
00，试验时间共计10h。
4.2.5.4试验方法
4.2.5.4.1以每小时的流量不小于贮水箱容量30%的流量，启动贮水箱的混水装置，直到贮水箱上下部水温差值在±1℃以内
4.2.5.4.2试验开始时，关闭贮水箱的混水装置，记录贮水箱上下部水温并计算试验开始时的平均温度tr，并同时记录时间、贮水箱周围的环境温度和风速等。
以后每隔1h记录一次上述数据。
4.2.5.4.3试验结束前15min，启动贮水箱的混水装置，使试验结束时贮水箱上下部水温差值在±1℃以内。
当试验时间达到10h时，试验结束。
记录贮水箱上下部分水温并计算试验结束时的平均温度tf。
4.2.5.4.4计算试验期间11次环境温度的平均值，得出贮水箱附近的平均环境温度tas（av）。
4.2.6贮水箱保温性能计算
贮水箱试验期间的温降式（6）计算
△tfr=tr-tf…………………………………………（6）
贮水箱水温在当地标准温差下的温降△tsd用公式（7）计算：
……………………………（7）
式中:
△ts太阳能热水系统的当地标准温差，单位为摄氏度（℃）；
tr贮水箱保温性能试验开始时贮水箱中水的平均温度，单位为摄氏度（℃）；
tf贮水箱保温性能试验结束时贮水箱中水的平均温度，单位为摄氏度（℃）；
tas（av）贮水箱保温性能试验期间贮水箱周围的环境空气平均温度，单位为摄氏度（℃）；
4．3、贮热水箱容积在0.6m3以下的太阳能热水系统热性能试验
4.3.1试验系统的预定条件
检查系统外观并记录任何损坏情况,彻底清洁集热器的采光面。
每天开始试验前,罩上集热器以避免太阳直射,风速
不大于4m/s，用进水温度为tb的冷水，以400L/h～600L/h的流量进行循环，以使整个系统的温度一致，至少5min内贮热水箱的入口温度的变化不大于±1℃时，即认为该系统达到均匀的预定温度。
在试验即将开始前停止通水循环，并用节门来截断旁通回路以防止自然循环。
当系统达到均匀温度时，停止通水循环；但就强迫循环系统而言，应让太阳能集热器回路的泵继续运行。
4.3.2试验期间的测量
应从太阳正午时前4h到太阳正午后4h的试验期间按小时平均值进行记录.
4.3.2.1在集热器采光面上的太阳辐照量H;
4.3.2.2临近集热器的环境空气温度ta；
4.3.2.3周围空气速率
。
4.3.3系统日热性能的确定
4.3.3.1混水法测定贮热水箱内水体积中所含的得热量
系统工作8h，从太阳正午时前4h到太阳正午时后4h。
集热器应有太阳正午后4h时遮挡起来，启动混水泵，以400L～600L/h的流量，将贮热水箱底部的水抽到顶部进行循环来混合贮热水箱中的水，使贮热水箱内的水温均匀化，至少5min内贮热水箱的入口温度的变化不大于±0.2℃，记录水箱内三个测温点的温度，贮热水箱的入口温度或三个测温点的平均值即为集热试验结束时贮水箱内的水温te。
贮热水箱内水中所含的得热量QS，应用式（8）进行计算：
……………………………………（8）
式中：
QS贮热水箱中水体积VS内所含的系统得热量，（MJ）；
te集热试验结束时贮水箱中水的平均温度，单位为摄氏度（℃）；
tb集热试验开始时贮水箱中水的平均温度，单位为摄氏度（℃）；
水的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
Vs贮水箱内的试验水量，单位为立方米（m3）；
CpW水的比热容，单位为焦耳每千克摄氏度[kJ/（kg·℃）]；
注：
集热器中贮存的热量不计入在内
日有用得热量q，应用式（9）进行计算：
………………………………………………（9）
4.3.3.2贮热水箱热损的确定
在试验开始以前,关掉辅助加热器,并用混水泵将贮热水箱底部的水抽到顶部进行循环来混合贮热水箱中预先准备的水.当贮热水箱的入口水温在5min内变化不大于±1℃时，认为贮热水箱中的水温已达到均匀。
贮热水箱内的平均水温就作为贮热水箱的初始温度tm不得低于50℃±1℃。
然后停止循环，关掉装有混水泵的管道的阀门，让水箱降温8h。
在试验期间，在贮热水箱所在处的附近每小时测量一次环境温度，共9次，得出热水箱附近的环境平均温度tas（av）。
试验至460min时，启动如图所示的小泵，运行5min，以不低于50℃的水温使贮热水箱外管的水温达到水箱内的水温，并使贮热水箱入口的水温在1min内变化不大于±1℃；试验至465min时，调整阀门，运用小泵，使贮热水箱中的水循环以使它的温度均匀。
当贮热水箱入口处的水温在5min内变化不大于±1℃时，即认为温度均匀。
在这5min期间的平均温度即为贮热水箱内水的最终温度tn。
水箱的热损系数Us（单位：
W/K）,用（10）式计算：
……………（10）
式中:
US水箱的热损系数，单位为瓦每开尔文（W/K）;
△τ贮热水箱初始水温tm到重新启动混水泵后达到贮热水箱最终温度tn之间的时间；单位为秒（S）
tm热损试验中贮热水箱内的初始水温，单位为摄氏度（℃）；
tn热损试验中贮热水箱内的最终水温，单位为摄氏度（℃）；
tas（av）贮水箱保温性能试验期间贮水箱周围的环境空气平均温度，单位为摄氏度（℃）；
4.3.4平均热损因数计算USL[W/（m3·K）]
1、简要叙述在太阳能热水系统中热性能判定指标？
2、按太阳能热水器集热原理可分为哪些种类？
3、以全玻璃真空管太阳能家用热水器系统为例.列出其中的产品标记分别代表的含义：
（1）Q-B-J-1-120/1.83/0
（2）Z-QB/0.05-WF-1.8/12-58/1
4、太阳能热水系统热性能检测中检测仪器及精度要求：
5、某太阳能系统工程运行试验中，对太阳能热水系统热性能参数进行测算。
已知系统的太阳能集热器不在同一采光平面，其采光平面的轮廓采光面积为6.2m2、6.6m2，两轮廓采光平面的日太阳辐照量，分别为17.90MJ/m2、18.70MJ/m2,
问：
（1）当日太阳辐照量为17MJ/m2时，太阳能热水系统需得到多少日有用得热量，才可以使600L的水，从20℃加热到59℃；并贮水箱中水的升温值是多少?
（2）又知当地室外环境空气平均温度为18℃，贮水箱保温性能试验中贮水箱中水的平均温度由59℃降至57℃，贮水箱水温在当地标准温差下的温降值为多少？
（水的密度为1000kg/m3，水的比热容为4.186kJ/（kg·℃），答案保留小数点后两位小数）
6、对家用热水器（紧凑式）做日有用得热量和夜间热损试验，在白天8小时试验期间，水箱中120L水的水温由20.0℃升至50.4℃,在夜间8小时期间，水箱中的水温由50.4℃降至47.8℃，其间测得平均环境温度为28.1℃，已知集热器轮廓采光面积为1.9m2，水的密度为1000kg/m3，水的比热容为4.186kJ/（k
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