日太阳辐照量对日有用得热量的影响

龚梦兰，丁善婷

日太阳辐照量对日有用得热量的影响

龚梦兰1，2，丁善婷1，2

（1湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉430068；2湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北武汉430068）

家用太阳能热水器日有用得热量q17是能效系数CTP重要组成，决定热水器产品优劣。在不同日太阳辐照量下，对日有用得热量q17进行研究与分析，运用计算机流体力学（FLUENT）软件，用离散坐标辐射模型（DO）模拟8h得热试验，通过线性回归拟合得到日有用得热量方程。将试验数据分别带入原得热方程与拟合方程计算，拟合方程下的计算差值明显缩小。拟合所得日有用得热量方程的应用能提高得热试验结果准确性。

日太阳辐照量；得热试验；数值模拟；线性回归；日有用得热量方程

评定家用太阳能热水器产品能效等级，在市场透明化、引导企业提升产品质量方面具有重要意义［1］。国标GB／T 26969－2011给出［2］：

CTP＝q17／Qs（m）－0.9Usl（e）／Usl（M）

式中，CTP是家用太阳能热水器能效系数，无量纲；q17是日平均太阳辐照量为17MJ／m2时，家用太阳能热水器单位轮廓采光面积的日有用得热量（以下简称日有用得热量）。q17是影响家用太阳能热水器能效等级系数的关键因素，国标给出是家用太阳能热水器单位轮廓采光面积的日得热量（后简称日得热量），MJ／m2；H是日平均太阳辐照量（以下简称日太阳辐照量），MJ／m2。

已有学者对热水器产品的得热量进行研究。郭超等对单台热水器进行多天得热试验，拟合出热水系统能量方程［3］；马迎昌等通过试验条件研究认为，适当放宽试验时日太阳辐照量的范围对试验结果影响不大［4］。日太阳辐照量对日有用得热量影响的定性分析已存在，但针对两者的定量研究较少，而大量试验结果皆表明日得热量会随着日太阳辐照量的改变而发生变化，若企业或检测中心只对热水器产品的热性能进行单次试验，则会导致产品能效检测结果准确性较低。

本文将利用FLUENT软件，在日太阳辐照量不同而其他环境条件相同的情况下，模拟8h热水器得热试验，探讨日有用得热量q17与日太阳辐照量H间的数学关系。

1 理论分析

国标GB／T 18708－2011关于太阳能热性能试验结果说明中，日得热量由不同H值下输入输出方程表示［5］：

式中：tad是日平均环境温度，℃；tb是试验开始时储热水箱介质平均温度，℃；系数a1、a2和a3根据试验结果，用最小二乘法确定。

求q17对H的导数

因平均环境温度tad、a2及a3存在不确定性，导致q17关于H的导数值不恒为0，即q17的计算值随H改变，当试验条件相差较大时，试验结果的准确性会因计算原因而降低。

根据式（2），H在17MJ／m2时与任意数值时，存在如下等式：

式（4）中对H的导数为零，即日有用得热量q17计算值不再随日太阳辐照量的改变而改变。

关于平均环境温度tad对q17的影响，国标GB／T 18708已对两者之间的线性关系进行了描述，其中殷志强等人［6］推导出日有用得热量与平均环境温度间的关系为：Δq17＝a2Δtad，即平均环境温度会导致q17－H方程在截距上的增大或减小。若令tad＝tb，忽略环境温度的影响，日有用得热量关于日太阳辐照量的方程式为

即有日有用得热量

2 模拟仿真与分析

2.1 参数设置

本文以市面上常见的家用太阳能热水器作为对象，利用FLUENT进行数值模拟仿真，主要参数如表1所示。

表1 外观及安装参数

为简化计算，假设：吸收涂层的光学特性赋给内玻璃真空管，忽略其传热性［7］；真空夹层、管内支架和消气剂没有热传导和热对流；忽略地面反射及天空散射辐射。

重要参数设置如下：

1）辐射模型为DO辐射模型太阳射线追踪模型，晴空指数为0.85；

2）水的密度ρ＝715＋2.08T－0.00384T2，其中T为绝对温度，K；

3）内外玻璃管是非黑体，光学涂层是黑体；

4）储热水箱初始水温及环境平均温度皆设置在20℃。

2.2 数据分析

模拟不同日太阳辐照量下8h得热试验，试验结束时水箱平均温度te与日太阳辐照量之间关系如图1所示。

图1 te－H趋势图

试验结束时水箱平均温度te随着日太阳辐照量增大。利用所得te，按国标GB／T 19141－2011计算日得热量［8］。计算所得日得热量q随日太阳辐照量H变化趋势如图2所示。

图2 q－H趋势图

图2中，日得热量q随着日太阳辐照量H值增大，两者呈线性关系。通过最小二乘法拟合后的系数a1为0.583，a3为－1.34，即日有用得热量q17与日得热量q、日太阳辐照量H之间存在：

图3 q17－H变化趋势图

当日太阳辐照量由14.4MJ·m－2增加至24.5MJ ·m－2，原方程计算下的日有用得热量在数值上不断增加，式（6）计算下的日有用得热量值在8.57MJ ·m－2附近波动，波动值不超过0.1MJ·m－2。

如紧凑型热水器，日太阳辐照量在16～24.5 MJ·m－2之间变化时。图3中，原方程计算下的Δq17最大值为0.7MJ·m－2，ΔCTP＝Δq17／7.7＝0.091；式（6）计算下的Δq17最大值为0.15MJ· m－2，ΔCTP＝Δq17／7.7＝0.019。

国标GB／T 19141－2011中给出试验时最小日太阳辐照量是16MJ·m－2，通常晴天日太阳辐照量可以达到24.5MJ·m－2及以上，当日太阳辐照量变化ΔH为8.5MJ·m－2，方程的应用，导致家用太阳能热水器能效系数差值高达0.091，易引起能效等级迁移。式（6）的应用，能效系数的差值只有0.019，提高了试验结果的准确性。

3 结果验证

已有的对于日有用得热量研究中，魏风及李仁飞等人对单台热水器产品进行了不同日太阳辐照量下的得热试验，将其试验结果分别带入原方程与拟合方程进行计算验证，对比结果如图4与图5所示。

图5 试验比对2＃

拟合方程式（6）计算下的日有用得热量基本趋势与原方程计算结果一致，但式（6）计算下的日有用得热量变化幅度明显缩小，Δq17明显降低。图5中，Δq17由0.37减小到0.24，ΔCTP由0.048减小到0.031，即日有用得热量计算误差的减小，能增加试验结果的准确性。

原方程计算下的日有用得热量基本随日太阳辐照量而增大，其中呈现出个别减小的情况，系试验时环境温度和环境风速影响所致［9］。李仁飞等人试验中也存在日有用得热量不严格上升的现象［10］。

4 结论

致谢 张梦旭在本文的仿真模型建立上有重要贡献

［1］ 王帅，李郁武，华京君，等.谈山东省家用太阳能热水器铭牌标识标准化［J］.太阳能，2011（1）：60－62.

［2］ GB／T 26969－2011，家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级［S］.

［3］ 郭超，秦朝葵，马飞，等.真空管式太阳热水器得热量的实验研究［J］.热科学与技术，2011，10（2）：142－145.

［4］ 马迎昌，周玲，马光柏.对日有用得热量试验条件的实验研究［J］.太阳能，2011（14）：46－48，51.

［5］ GB／T 18708－2002，家用太阳能热水系统热性能试验方法［S］.

［6］ 殷志强，马光柏，李郁武，等.环境与测量不确定度对太阳热水器能效等级迁移的影响［J］.太阳能，2012（15）：18－22.

［7］ 马芳芳，高文峰，刘滔，等.真空管吸收涂层的吸收比对全玻璃真空管的热性能影响的试验分析［J］.云南师范大学学报（自然科学版），2012（4）：17－22.

［8］ GB／T 19141－2011，家用太阳能热水系统技术条件［S］.

［9］ 魏凤，张晓黎，辛礼.环境条件对全玻璃真空太阳能热水系统热性能的影响［J］.能源技术，2006，27（2）：63－65.

［10］李仁飞，高文峰，刘滔，等.累计太阳辐照量对真空管太阳能热水器日得热量的影响［J］.云南师范大学学报（自然科学版），2014，34（1）：31－35.

Daily Solar Irradiance in Daily Useful Energy of Domestic Solar Water Heater

GONG Menglan1，2；DING Shanting1，2
（1 School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Hubei Provincial Key Laboratory of Modern Manufacturing Quality Engineering，Wuhan 430068，China）

Daily useful energy q17was studied on different daily solar irradiance，which was important to the coefficient of thermal performance（CTP）of domestic solar water heater，and determined the advantages and disadvantages of water heater products.The numerical simulation of 8hours thermal performance experimental was carried out by Fluent，and the thermal energy equation was obtained by linear regression method.The experimental data were taken into the original thermal energy equation and the fitting equation，and the difference between the calculated equations was obviously reduced.The accuracy of the test results could be increased by the application of the fitting thermal energy equation.

daily solar irradiance；thermal performance experimental；numerical simulation；linear regression method；thermal energy equation

TK515

A

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0019－03

2017－05－16

湖北省质量监督研究院太阳能检测艾康系统改造项目（XJCHJ－20101119－027）

龚梦兰（1993－），女，湖北仙桃人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为测试计量技术及仪器

丁善婷（1970－），女，湖北武汉人，湖北工业大学副教授，研究方向为测试计量及仪器