龔夢蘭，丁善婷

日太陽輻照量對日有用得熱量的影響

龔夢蘭1，2，丁善婷1，2

（1湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北武漢430068；2湖北省現代制造質量工程重點實驗室，湖北武漢430068）

家用太陽能熱水器日有用得熱量q17是能效系數CTP重要組成，決定熱水器產品優(yōu)劣。在不同日太陽輻照量下，對日有用得熱量q17進行研究與分析，運用計算機流體力學（FLUENT）軟件，用離散坐標輻射模型（DO）模擬8h得熱試驗，通過線性回歸擬合得到日有用得熱量方程。將試驗數據分別帶入原得熱方程與擬合方程計算，擬合方程下的計算差值明顯縮小。擬合所得日有用得熱量方程的應用能提高得熱試驗結果準確性。

日太陽輻照量；得熱試驗；數值模擬；線性回歸；日有用得熱量方程

評定家用太陽能熱水器產品能效等級，在市場透明化、引導企業(yè)提升產品質量方面具有重要意義［1］。國標GB／T 26969－2011給出［2］：

CTP＝q17／Qs（m）－0.9Usl（e）／Usl（M）

式中，CTP是家用太陽能熱水器能效系數，無量綱；q17是日平均太陽輻照量為17MJ／m2時，家用太陽能熱水器單位輪廓采光面積的日有用得熱量（以下簡稱日有用得熱量）。q17是影響家用太陽能熱水器能效等級系數的關鍵因素，國標給出是家用太陽能熱水器單位輪廓采光面積的日得熱量（后簡稱日得熱量），MJ／m2；H是日平均太陽輻照量（以下簡稱日太陽輻照量），MJ／m2。

已有學者對熱水器產品的得熱量進行研究。郭超等對單臺熱水器進行多天得熱試驗，擬合出熱水系統(tǒng)能量方程［3］；馬迎昌等通過試驗條件研究認為，適當放寬試驗時日太陽輻照量的范圍對試驗結果影響不大［4］。日太陽輻照量對日有用得熱量影響的定性分析已存在，但針對兩者的定量研究較少，而大量試驗結果皆表明日得熱量會隨著日太陽輻照量的改變而發(fā)生變化，若企業(yè)或檢測中心只對熱水器產品的熱性能進行單次試驗，則會導致產品能效檢測結果準確性較低。

本文將利用FLUENT軟件，在日太陽輻照量不同而其他環(huán)境條件相同的情況下，模擬8h熱水器得熱試驗，探討日有用得熱量q17與日太陽輻照量H間的數學關系。

1 理論分析

國標GB／T 18708－2011關于太陽能熱性能試驗結果說明中，日得熱量由不同H值下輸入輸出方程表示［5］：

式中：tad是日平均環(huán)境溫度，℃；tb是試驗開始時儲熱水箱介質平均溫度，℃；系數a1、a2和a3根據試驗結果，用最小二乘法確定。

求q17對H的導數

因平均環(huán)境溫度tad、a2及a3存在不確定性，導致q17關于H的導數值不恒為0，即q17的計算值隨H改變，當試驗條件相差較大時，試驗結果的準確性會因計算原因而降低。

根據式（2），H在17MJ／m2時與任意數值時，存在如下等式：

式（4）中對H的導數為零，即日有用得熱量q17計算值不再隨日太陽輻照量的改變而改變。

關于平均環(huán)境溫度tad對q17的影響，國標GB／T 18708已對兩者之間的線性關系進行了描述，其中殷志強等人［6］推導出日有用得熱量與平均環(huán)境溫度間的關系為：Δq17＝a2Δtad，即平均環(huán)境溫度會導致q17－H方程在截距上的增大或減小。若令tad＝tb，忽略環(huán)境溫度的影響，日有用得熱量關于日太陽輻照量的方程式為

即有日有用得熱量

2 模擬仿真與分析

2.1 參數設置

本文以市面上常見的家用太陽能熱水器作為對象，利用FLUENT進行數值模擬仿真，主要參數如表1所示。

表1 外觀及安裝參數

為簡化計算，假設：吸收涂層的光學特性賦給內玻璃真空管，忽略其傳熱性［7］；真空夾層、管內支架和消氣劑沒有熱傳導和熱對流；忽略地面反射及天空散射輻射。

重要參數設置如下：

1）輻射模型為DO輻射模型太陽射線追蹤模型，晴空指數為0.85；

2）水的密度ρ＝715＋2.08T－0.00384T2，其中T為絕對溫度，K；

3）內外玻璃管是非黑體，光學涂層是黑體；

4）儲熱水箱初始水溫及環(huán)境平均溫度皆設置在20℃。

2.2 數據分析

模擬不同日太陽輻照量下8h得熱試驗，試驗結束時水箱平均溫度te與日太陽輻照量之間關系如圖1所示。

圖1 te－H趨勢圖

試驗結束時水箱平均溫度te隨著日太陽輻照量增大。利用所得te，按國標GB／T 19141－2011計算日得熱量［8］。計算所得日得熱量q隨日太陽輻照量H變化趨勢如圖2所示。

圖2 q－H趨勢圖

圖2中，日得熱量q隨著日太陽輻照量H值增大，兩者呈線性關系。通過最小二乘法擬合后的系數a1為0.583，a3為－1.34，即日有用得熱量q17與日得熱量q、日太陽輻照量H之間存在：

圖3 q17－H變化趨勢圖

當日太陽輻照量由14.4MJ·m－2增加至24.5MJ ·m－2，原方程計算下的日有用得熱量在數值上不斷增加，式（6）計算下的日有用得熱量值在8.57MJ ·m－2附近波動，波動值不超過0.1MJ·m－2。

如緊湊型熱水器，日太陽輻照量在16～24.5 MJ·m－2之間變化時。圖3中，原方程計算下的Δq17最大值為0.7MJ·m－2，ΔCTP＝Δq17／7.7＝0.091；式（6）計算下的Δq17最大值為0.15MJ· m－2，ΔCTP＝Δq17／7.7＝0.019。

國標GB／T 19141－2011中給出試驗時最小日太陽輻照量是16MJ·m－2，通常晴天日太陽輻照量可以達到24.5MJ·m－2及以上，當日太陽輻照量變化ΔH為8.5MJ·m－2，方程的應用，導致家用太陽能熱水器能效系數差值高達0.091，易引起能效等級遷移。式（6）的應用，能效系數的差值只有0.019，提高了試驗結果的準確性。

3 結果驗證

已有的對于日有用得熱量研究中，魏風及李仁飛等人對單臺熱水器產品進行了不同日太陽輻照量下的得熱試驗，將其試驗結果分別帶入原方程與擬合方程進行計算驗證，對比結果如圖4與圖5所示。

圖5 試驗比對2＃

擬合方程式（6）計算下的日有用得熱量基本趨勢與原方程計算結果一致，但式（6）計算下的日有用得熱量變化幅度明顯縮小，Δq17明顯降低。圖5中，Δq17由0.37減小到0.24，ΔCTP由0.048減小到0.031，即日有用得熱量計算誤差的減小，能增加試驗結果的準確性。

原方程計算下的日有用得熱量基本隨日太陽輻照量而增大，其中呈現出個別減小的情況，系試驗時環(huán)境溫度和環(huán)境風速影響所致［9］。李仁飛等人試驗中也存在日有用得熱量不嚴格上升的現象［10］。

4 結論

致謝 張夢旭在本文的仿真模型建立上有重要貢獻

［1］ 王帥，李郁武，華京君，等.談山東省家用太陽能熱水器銘牌標識標準化［J］.太陽能，2011（1）：60－62.

［2］ GB／T 26969－2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級［S］.

［3］ 郭超，秦朝葵，馬飛，等.真空管式太陽熱水器得熱量的實驗研究［J］.熱科學與技術，2011，10（2）：142－145.

［4］ 馬迎昌，周玲，馬光柏.對日有用得熱量試驗條件的實驗研究［J］.太陽能，2011（14）：46－48，51.

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

［6］ 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（15）：18－22.

［7］ 馬芳芳，高文峰，劉滔，等.真空管吸收涂層的吸收比對全玻璃真空管的熱性能影響的試驗分析［J］.云南師范大學學報（自然科學版），2012（4）：17－22.

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

［9］ 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，2006，27（2）：63－65.

［10］李仁飛，高文峰，劉滔，等.累計太陽輻照量對真空管太陽能熱水器日得熱量的影響［J］.云南師范大學學報（自然科學版），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

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0019－03

2017－05－16

湖北省質量監(jiān)督研究院太陽能檢測艾康系統(tǒng)改造項目（XJCHJ－20101119－027）

龔夢蘭（1993－），女，湖北仙桃人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為測試計量技術及儀器

丁善婷（1970－），女，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學副教授，研究方向為測試計量及儀器