太阳能热水系统多天热性能试验

山东力诺瑞特新能源有限公司 ■ 马迎昌 马光柏 周玲

一 引言

家用太阳能热水系统多天热性能的测试方法，国内主要依据标准GB/T18708—2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》，国际上主要依据ISO9459-2《Solar heating - Domestic water heating systems - Part 2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems》。在方法上，两者相同的要求为：至少应有4d试验结果具有相近的(tad-tb)值，且太阳辐照量平均分布在8～25MJ/m2范围内。不同的是：ISO9459要求同时还应包括另外2d的(tad-tb)值与前4d的(tad-tb)值相差超过±9℃的测试结果，每1d的(tad-tb)值应在-5～20℃范围内。根据多天热性能的数据，再用最小二乘法拟合得到家用太阳能热水系统的能量输入输出方程：Q=a1H+a2(tad-tb)+a3。

为探讨国标采用至少4d的测试方法和国际标准采用至少6d的测试方法完成家用太阳能热水系统多天热性能测试的区别，本文在完成相关试验的基础上，结合国外检测机构的数据，进行对比分析，以期对多天热性能测试方法的实施有所帮助。

二 检测数据及分析

共有4台家用太阳能热水系统多天热性能检测的数据，分别标记为1#、2#、3#、4#。其中1#、2#为山东力诺瑞特新能源有限公司测试，3#、4#分别为德国和南非测试。数据来源信息见表1。

表1 数据来源

1 1#样品数据分析

1#样品为分体式强制循环系统，容水量150L，原始数据见表2。

表2 1#样品多天热性能测试数据

分别按全部测试数据、满足ISO9459-2要求选取的6d数据、满足GB/T18708—2002要求选取的4d数据进行最小二乘法拟合。由于1#样品的数据可选取两组满足要求的数据，得到两组不同天数数据的能量输入输出方程，见表3。

将以上两组共6个能量输入输出方程式取(tad-tb)=0，分别绘制系统得热量Q与太阳辐照量H的关系图，如图1、图2。

由表3的拟合结果和Q-H关系图可见，第1组方程中，6d数据和全部数据拟合的结果差别不大，但与4d数据拟合的方程差距较大，a3值达到-5.723，明显不合理，tad-tb=0时的Q-H关系图也直观反映了三者的差别。第2组方程中，全部数据、6d数据、4d数据拟合结果差距不明显，但4d数据与全部数据拟合的a1、a3有一定差别，在Q-H关系图中也有一定体现。分析认为两组方程的差距，主要是由所选4d的(tad-tb)差距较大造成。第1组的(tad-tb)值平均达到10.4℃，而第2组较小，平均为-0.2℃。可见仅选取4d数据作为能量方程拟合数据时，有可能出现较大偏差。

表3 1#样品两组数拟合结果

2 2#样品数据分析

2#样品原始数据见表4。

表4 2#样品多天热性能数据

2#样品所选取的数据中，4d的(tad-tb)值相近的有两组可选，其中第1组“四”(tad-tb)较接近，第2组“4”辐照分布范围较大，拟合结果见表5。

表5 2#样品两组数拟合结果

同样，2#样品的两组能量输入输出方程式取(tad-tb)=0时，分别绘制得热量Q与辐照量H的关系图，如图3、图4所示。

由表5中2#样品的两组拟合结果及Q-H关系图比较可见，第1组所选的数据中，4d拟合、6d拟合的结果与全部数据拟合的结果差距较大，a3较大，已属于不合理的数据，说明测试时总辐照量的分布对系统拟合结果影响较大。第2组选取的数据中，总辐照量的分布较宽，3种数据拟合得到的结果较第1组差别更小。另外，两组拟合结果中，6d拟合的结果较全部数据拟合的结果更接近，而4d拟合的结果差距较大，说明只用4d的数据拟合有较大偏差风险。

3 3#样品数据分析

3#样品原始数据来源于德国斯图加特大学ITW检测中心，见表6。

表6 3#样品多天热性能测试数据

3#样品选取两组4d的数据，两组数据的区别在于其中有1d的数据选取不一样，4d之外选取的另2d的数相同。该数据不足之处是没有完全满足“另外2d的(tad-tb)值与前4d的(tad-tb)值相差超过±9℃的测试结果”。但全部数据拟合结果依然可信。各组数拟合结果见表7。

表7 3#样品两组数拟合结果

同上，根据表7拟合的结果，分别绘制两组(tad-tb)=0时的Q-H关系图，如图5、图6。

从拟合结果和Q-H图可见，第1组中4d的数据(tad-tb)很接近，拟合得到的方程显然不正确。而选用6d的数据拟合，则得到与全部数据拟合结果很接近的方程。仅改变第1组中1d数据选取，得到第2组中4d的数据，拟合的结果显著改变，与全部数据拟合得到的数据差别变小，6d数据拟合得到的结果更接近全部数据拟合的结果。由此可见，选取4d的(tad-tb)相近的数据进行拟合，得到的方程可能有很大偏差，而选取6d的数据拟合一般可得到较准确的方程。

4 4#样品数据分析

4#样品原始数据来源于南非SABS，见表8。

表8 4#样品多天热性能测试数据

分别按选取的4d、6d和全部数据进行拟合，得4#样品的能量方程见表9。

表9 4#样品两组数拟合结果

绘制4#样品(tad-tb)=0时的Q-H关系图，见图7。

该样品所选取4d、6d和全部数据拟合的结果差别很小，主要原因是(tad-tb)的差距已较大，加之这4d的辐照分布较好，因此4d拟合得到的结果较合理。该样品的数据同样也选取了不同的4d数据进行拟合，结果无明显差别，因此不再罗列比较。

三 讨论

根据以上4台样品的数据分析结果，对于家用太阳能热水系统的多天热性能测试，有如下讨论：

(1)在进行家用太阳热水系统多天热性能测试时，按照GB/T18708—2002的要求，至少应有4d试验结果具有相近的(tad-tb)值，且太阳辐照量平均分布在8～25MJ/m2范围内，如果仅取4d的热性能数据进行拟合，得到的系统能量输入输出方程出现偏差的风险很大；而如果按照ISO9459-2的要求，“数据应包括另外2d的(tad-tb)值与前4d的(tadtb)值相差超过±9℃的测试结果”，则拟合得到的结果准确性较好。因此不应仅选取4d满足国标条件的结果进行拟合。当然在实际进行多天热性能测试过程中，一般测试天数都较多，极少出现正好4d的测试就能满足国标条件的情况，此时建议在测试数据没有异常的情况下，将全部测试进行拟合，得到的方程更准确。

(2)多天热性能测试中，总太阳辐照量的分布非常重要，H平均分布在8～25MJ/m2范围内，拟合得到的结果更能反映系统的热性能，因此在测试过程中应注意进行调整。相比之下，(tad-tb)的接近程度对系统拟合方程的影响较小，甚至测试中可不必刻意调节不同天的(tad-tb)使其近似。

(3)对于家用太阳能热水系统，多天热性能测试时间越长，太阳辐照量分布范围越广、(tad-tb)值的数量越多，全部数据拟合后的能量输入输出方程就越能够真实反映出热水系统的热性能情况。

(4)以上4台样品中，未涉及我国目前已较常见的阳台壁挂式太阳能热水系统。笔者在进行该项研究时，对阳台壁挂系统也进行了多天热性能测试，但由于其安装角度的关系(一般为60¡～75¡)，集热器采光面上的太阳辐照量H较低，很难达到17MJ/m2以上，更不用说20甚至25MJ/m2。因此，其多天热性能拟合结果不理想，故未进行深入分析。要完成阳台壁挂式太阳能热水系统的多天热性能测试，需要较长周期的测试，才有可能得到满足辐照分布要求的数据。另一种方法是测试过程中改变集热器的倾角，得到需要的H，但如此对系统性能的影响却不得而知。因此，阳台壁挂式太阳能热水系统的多天热性能测试还需进行更多试验，才能总结出更合理可行的方法。

(5)由于我国特殊的发展需要，对于家用太阳能热水系统，一般按照GB/T19141的要求，采用单天热性能测试获得单位轮廓面积日有用得热量的方式，判断系统的热性能情况，这符合我国的需要。国外则多采用多天热性能的方法，获得系统的能量输入输出方程。因此，对于家用太阳能热水系统，需进行多天热性能测试时，建议采用ISO标准进行。

四 结语

本文根据自身测试的数据和两个国外检测机构的数据，分析了家用太阳能热水系统多天热性能测试方法中，采用不同标准要求的数据拟合得到系统能量输入输出方程的差异，总结出来供大家讨论，籍此共同进步。

符号表

[1]GB/T18708-2002, 家用太阳热水系统热性能试验方法[S].

[2]ISO9459-2, Solar heating - Domestic water heating systems - Part 2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems[S].