高能效系数家用太阳能热水系统的实现

山东力诺瑞特新能源有限公司 ■ 申文明 马光柏 闫芳 丰中玉

一 引言

GB 26969-2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》已于2012年8月1日实施。国家节能产品惠民工程加速了该标准的实施力度，太阳能行业各企业均努力推出高能效系数的产品，这将有利于提升太阳能行业的技术水平。

山东力诺瑞特新能源有限公司从标准编制启动开始，就着力研究和开发高能效系数的家用太阳能热水系统，通过研究摸索、反复测试，实现了多款高能效系数家用太阳能热水系统产品的开发和批量生产。本文通过总结两年多来在产品实现过程中的经验和做法，分析高能效产品的实现途径，与行业共勉。

二 科学的研究

本文仅分析常见的紧凑式家用太阳能热水系统和分体式双回路家用太阳能热水系统，不涉及使用如重力热管、三腔管(三套管)、全玻璃热管、缩口管等相对特殊吸热部件的热水系统，且分析基于集热管光热性能一致的情况。

1 紧凑式家用太阳能热水系统的研究

家用太阳能热水系统，特别是紧凑式系统，看似非常简单，俗话描述为一个开孔的圆水箱插上真空管，用支架架好在太阳光下晒，就热了，似乎没有什么技术含量。但是，真正深入研究家用太阳能热水系统，才能体会到科学研究的重要性。根据家用太阳能热水系统能效系数的计算公式，可知日有用得热量和平均热损因数直接决定能效系数的大小，因此，提高日有用得热量和降低平均热损因数是提高能效系数的直接途径。

根据GB/T 19141-2011《家用太阳能热水系统技术条件》，单位轮廓采光面积日有用得热量q17的计算公式为：

由式(2)可知，17cpw/H不变，为使单位轮廓采光面积日有用得热量q17增加，则需m(te−tb)增大、Ac减小。但一般m/Ac(即常说的容水量配比)越大，(te−tb)有可能同时会变小。因此，应使m/Ac变大，而(te−tb)尽可能保持不变，这需对热水系统进行容水量配比和管间距的研究。

李德坚等人[1]认为真空集热管密排并去掉漫反射板是提高太阳热水器日有用得热量的一个发展趋势，但因为涉及到管间遮阴的问题，密排是有限度的。宋爱国[2,3]、麻一青[4]较早时曾进行相关的研究，密排到一定程度，管间遮阴严重时效果并不明显，且增加了成本和安装维护难度。笔者在研发过程中，将¯58mm真空管热水系统的管间距设计为70mm、75mm、78mm、80mm、83mm等规格，制做出样机并进行对比测试，结果表明间距为70mm的系统q17最大，但成本明显增加，安装难度大。推荐¯58mm真空管管间距为75～78mm。

容水量配比方面已有相当多的研究[5～8]，在此不做赘述。理论上分析，容水量配比越大，得热量越高，这是因为热量散失相对较少。但国标规定热水器试验结束贮水箱内的温度应不低于45℃(起始20℃)，因此容水量配比不能无限大。根据相关研究结果以及笔者的研究经验，容水量配比在65～75kg/m2(轮廓采光面积，下同)较合理。当然，从区域适用性方面考虑，南方较暖和地区可适当增加容水量配比，而北方较寒冷地区可考虑适当降低容水量配比，以保证有合适温度的热水使用。

2 分体式双回路家用太阳能热水系统的研究

分体式双回路家用太阳能热水系统与紧凑式系统最大的不同在于其增加了一道换热过程，因而换热效果不如紧凑式系统。分体式双回路家用太阳能热水系统的研究需注意以下方面：

(1)管间距和容水量配比。分体式双回路系统的集热器一般生产组装比较方便(或应设计成方便拆装的结构形式)，因此管间距与紧凑式系统相比可适当减小，推荐为70～75mm。另外考虑与建筑一体化结合时美观性的要求，一般安装时集热器的角度较大，应考虑增加集热管进行补偿。由于换热效果较紧凑式系统差，应降低分体双回路系统的容水量配比，以获得较高温度的热水，推荐真空管集热器系统为55～65kg/m2，平板集热器系统为50～60kg/m2。

(2)换热器。换热器是分体式双回路家用太阳能热水系统的关键部分，其好坏直接影响整个系统的性能，甚至还会影响系统的使用寿命。换热器面积的计算方法可参见GB/T 26970-2011《家用分体双回路太阳能热水系统技术条件》附录B的内容，但应考虑强制循环和自然循环系统的区别。

(3)循环管路。循环管路是集热器吸收的能量传输至水箱的途径，只有该途径畅通，换热效果良好，系统的日有用得热量才会较高。否则热量在集热器内不能及时传输出来，只能通过集热器散失，系统的热性能较差，同时造成集热器工作温度较高，对集热器的寿命影响很大，使用防冻液的系统还会影响到防冻液。循环管路可选择内壁光滑的金属材料，如铜管。循环管路的内径选择也十分关键，通过多年的系统研究和对比试验，确定循环管路的内径为14～16mm较合理，过小的内径会增加循环阻力，而过大的内径成本增加明显而效果提升不显著。管路的选择还应考虑耐空晒温度、耐压、安装方便等因素。

(4)控制器。自然循环系统可不考虑此内容。强制循环系统应设置合理的控制逻辑，以使系统合理的工作，既能将热量及时通过循环转移到水箱中存贮起来，又避免循环泵过度工作导致的耗电浪费和热量损失。常见的系统换热循环启停温度设计为8～3℃、10～5℃、6～2℃等。不同产品需根据集热器类型、系统的结构类型、系统的配置等方面综合考虑设置，再根据实验确定。另外需要注意的是，传感器安装位置和安装方式的合理设计也很重要，应保证传感器能感应到正确的温度，否则将出现控制混乱，热量不能及时转移。

三 合理的设计

确定合理的管间距和容水量配比后，还需经过合理的设计才能实现从研究到产品的转变。家用太阳能热水系统的设计主要涉及以下方面的内容：

1 真空管的管径管长

常见的全玻璃真空集热管直径为¯47mm和¯58mm，根据李德坚等人[1]的研究，采用这两种管径的集热管，系统的日有用得热量没有明显差别，关键是集热管本身的热性能要良好。目前市场上多采用¯58mm直径的集热管，主要与产品的外形有关，其更显大方，视觉效果更好。以¯58mm集热管为例，其管长规格一般有1600mm、1800mm、1900mm、2100mm。根据笔者广泛意义上的检测数据(各种规格集热管的系统，其他参数也有不同，非相同试验条件的检测)，结果表明管长为1900mm的系统平均日有用得热量最高，1800mm系统次之，推荐使用这两种管长。

2 内胆的直径

管间距、容水量配比、管径和管长确定后，水箱内胆的直径就可以基本确定。虽然两侧真空管外侧延伸的水箱长度也会影响到水箱直径，但从美观性角度考虑，延伸的长度不宜过大。例如：¯58mm×1800mm真空管管间距定为76mm，20支管，则轮廓采光面积约为2.60m2，容水量配比为70kg/m2，则水箱净容积182L。取最外侧真空管中心至水箱内胆边缘距离为100mm，则内胆长度为19×76+2×100=1644mm，按圆形柱计算，可得水箱直径应为375mm。内胆直径的选择会直接影响生产过程中的各种模具选配，由于管间距和容水量配比是区间数，不是定数，因此内胆直径也可稍微变化。新开发模具除外，从节约成本的角度出发，内胆直径尽量选用已有模具相近的尺寸。另外，调整最外侧真空管中心至水箱内胆边缘的距离也可改变容水量配比。

3 保温层的厚度

根据GB 26969-2011《家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级》中能效系数的计算公式，取与国标规定相同的数据修约进行计算，发现平均热损因数对能效系数的影响非常大，甚至很小的差异就会改变产品的能效等级。因此，提高保温性能、降低平均热损因数对提高能效系数具有显著效果，从而确定合理的保温层厚度是设计的关键。

真空管吸收到的太阳辐射能量，除去水箱散失掉的部分，另一部分用来加热水箱中水的同时，还要被水箱内胆周围的保温层吸收。随着水箱保温层的加厚，保温材料的质量及体积就越大，被保温层吸收的太阳辐射能量就越多，当保温层的保温效果与其吸热效果达到平衡时，其厚度达到最优。根据GB/T 50176-93《民用建筑热工设计规范》的要求，以及相关研究[9,10]和经验，保温层的最佳厚度为55～60mm。

4 分体式双回路太阳能热水系统的集热器

集热器是热水系统的核心部件，紧凑式系统通过管径管长和管间距的选取完成集热部分的设计，分体式双回路系统则通过集热器的合理设计实现高集热性能。集热器的设计首先应保证循环畅通，不宜发生集热器回路内互相阻塞的情况；其次应选用导热系数高的材料，如铜管；再次，要有加强换热的部件，如导热铝翼，且铝翼与真空管内壁应充分接触；最后要注意集热器联箱内的保温，选用合适的保温材料且生产制作方便，如岩棉。

四 先进的工艺和优质的生产

高能效系数家用太阳能热水系统的特点，不仅体现在产品的能效系数高，还应体现在产品的质量好、寿命长，能为用户提供持续的高效热能。因此，完成产品的研发和设计，还需通过先进的工艺实现产品研发和设计的意图，通过高质量的生产为用户提供高质量的产品。

(1)焊接工艺尤其重要。根据板材的材质、厚度对焊接电流、焊接压力、焊接速度等参数进行相应的策划及严格的执行，以防止虚焊、漏焊、焊漏的发生，确保焊接区域具备较高的耐腐蚀性能。工艺文件的不断完善和员工对工艺的严格执行是焊接质量的重要保证。

(2)发泡工艺影响产品的保温性能。发泡工艺总体较复杂，特别是冬季发泡，稳定性相对更难控制。发泡过程中必须严格确保的是：发泡层厚度均匀性、尺寸稳定性和整体密度。发泡层厚度均匀性主要通过发泡工装和发泡模具的设计实现，如采用环形内托；尺寸稳定性和整体密度的保证通过对发泡料流动性、料温、料比等进行不断调节，以适应不断变化的环境温湿度，确保稳定性的基础上尽量使泡体芯密度趋向最佳保温密度范围，经验数据为34～36kg/m3。

(3)质量管理体系是产品生产过程中高质量的重要保证。我们的管理体系建立并持续运行了10余年，积累了丰富的实施经验，员工积极参与改进改善，对提高产品质量、甚至产品性能有很大帮助。

五 严谨的检测

检测是指产品(或样品)完成后热性能的测试，在产品实现的过程中也是一个非常重要的保障。检测虽然不属于产品研发设计的步骤，而是对研发设计结果的验证，但高能效产品的实现离不开检测。

(1)须建立家用太阳能热水系统的热性能测试系统。我们的检测系统能同时检测20台以上的家用太阳能热水系统，可很方便地进行各种不同产品的对比检测，或专门针对产品某一方面的改进进行对比测试，从细微处对产品进行研究，达到深度研发的效果。检测设备在投入使用前应校准，必要时，进行实验室间比对试验，确保检测设备的准确性及稳定性。

(2)由经验丰富、熟悉相关国家标准、具有检测分析能力的检测人员进行检测。2011年下半年发布的一系列国家标准，以及能效强制性标准，需要系统、细致的解读，同时通过实际操作熟悉标准，对产品检测结果做到合理分析。

(3)产品检测过程做到科学严谨、实事求是。在高能效系数产品检测中产品性能变化可能较大，不能以以往经验数据去分析和判定，而应从科学严谨的检测中获得实事求是的数据，才能正确地分析结果，得到正确方向的指示。

(4)检测人员与设计人员、工艺技术人员有良好的沟通和交流，共同分析总结提升产品热性能的手段和方法。

六 结语

(1)高能效系数家用太阳能热水系统的实现过程，并非只是在产品研发层面上完成的，而是涉及研发、设计、工艺、生产、检测等各环节，产品实现过程中每一个环节均发挥着非常重要的作用，缺一不可。

(2)高能效系数的家用太阳能热水系统，不仅能效系数要高，产品的质量也应足够好，才能“名副其实”，为用户提供持续的高效热能。

(3)本文是在假设全玻璃真空太阳集热管光热性能一致的条件下，通过分析产品配置和生产工艺等方面进行阐述的。作为家用太阳能热水系统的核心部件，全玻璃真空太阳集热管热性能的提升也是高能效系数产品实现的主要手段，而且效果比较明显，行业各企业还可从此处着手进行研究。

(4)对于重力热管、三腔管(三套管)、全玻璃热管、缩口管等家用太阳能热水系统，我们也进行了相应的研发并推出了系列产品，因篇幅有限，本文不作详述。这几种方式也是提高家用太阳能热水系统热性能的良好途径之一，相信行业内有部分企业也进行了研究。但这些产品在成本或安全或安装维护或寿命等方面还需有待市场的深入检验。诚然，产品研发是一个不断创新和发展的过程，相信现有技术会得到逐步完善和提升，同时会有更多、更好的技术能实现突破。

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