太阳能热水器效率验证

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昆山有个新建小区为每一户单元配搭了太阳能热水器系统。装机完成之后剩余了几套，便放在小区外的摊商处寄卖。我们项目组成员看到后经过一番讨论，认为价格诱人，就将集热器买了下来，作为项目组验证的第二个产品。

 

这一套热水器系统的太阳能集热器和水箱是分开的。集热器由15支热管真空集热管组成。所谓“热管真空集热管”是在传统的真空集热管中置入一高导热的热管，两者结合后热管凸出于真空集热管一段长度，热管凸出部份插入热交换管道单元中。流入流出太阳能集热器的循环液体仅只流过热交换管道单元，并不流入真空集热管。图示如下。

系统运作时，集热器真空集热管在吸收太阳辐射后，热量会被当中的热管迅速的传递至热交换管道单元，然后被流经热交换管道单元的循环液体吸收。热管真空管集热器的特点是即使真空集热管破裂，循环液体也不会流出，系统仍能有效运作。

组成系统时太阳能集热器热交换管道单元进出口和水箱两个接口以管道相连，管道中安置一水泵，形成一个封闭的循环。运作时水泵将水送入太阳能集热器的热交换管道单元内，在其中水与热管进行热交换，温度升高，之后流回水箱内，与水箱内的水混合并进行热交换，如此反复循环。这样的系统有个专有名词：分体式真空管太阳能热水器。

分体式太阳能热水器一般需要接电，有电才能让水泵运转，使水在水箱和集热器之间循环。一旦断电或停电，水将不循环流动，整个热交换过程将停止。当然，也有无水泵的分体式太阳能热水器，水箱置于集热器的上方，利用冷水下沉热水上浮的原理，这样简易的分体式太阳能热水器效能大概不高。

新买集热器的一些重要规格如下：
品牌型号：上海交大泰阳 Topsola TS-PZRJ-15
真空集热管规格：外径47mm，长度1.5米
热管数量：15根
真空集热管构成的受热面积：1.2平方米

项目组以原有的150升容量水箱配搭新集热器。水箱最下面的接口和太阳能集热器热水出口相连，被集热器加热后的水由此流回水箱；下面数上来第三个接口和太阳能集热器冷水进口相连，水箱水由此流出，经过水泵，再经过流量计，而后进入太阳能集热器。集热器的入出口各被置入热点偶，用以测量水箱水流进集热器时的温度（ Ti ） 以及水被加热后流出集热器的温度（To）。水自水箱流出然后流入集热器的温度Ti 在测试中被视为水箱内的总体平均水温。

如先前，测试计划是在水箱中加入一定量的纯净水，自上午07:00开始至下午17:00止记录环境温度，水温，太阳辐射量。在此期间，热水器系统处于封闭状态，不让热水流出，也不许冷水加入。如希望隔日再测试，水箱内的水须放空，加水冷却腔体，再放空，再加入一定量的纯净水，才算完成测试准备。

光热转换率的计算概念和先前相同，简述如下。

一段时间的水箱水吸热量为： 水箱水量乘以水的定压比热，再乘以一段时间的水温差
一段时间同样受热面积上承受的太阳辐射量为： 一段时间单位面积太阳辐射总量乘以真空集热管构成的受热面积
一段时间的光热转换率为： 一段时间的水箱水总吸热量除以一段时间同样受热面积上承受的太阳辐射量

例如，自上午07:00至下午17:00的光热转换率为：
自上午7:00至下午17:00的水箱水总吸热量，除以上午07:00至下午17:00太阳能集热板上承受的太阳辐射量

以下为一次典型的测试结果。
测试日期：2011.09.06
太阳能集热器倾斜角：与水平夹角约35度
太阳能集热器朝向：正南
水箱水量：80升
水流进流出集热器流量：每秒0.03升

结果分析：
测试当天早晨天气阴暗，8点之后云层散去，天气转为晴偶多云。从太阳辐射变化图，可观察到在8点左右有一个陡升，之后散布范围相当大，但可看出总的趋势是一个钟形分布，当日太阳辐射极值超过每平米1000瓦，发生在中午11:00至12:00之间。

天气由阴转晴后，自08:00至下午15:00，太阳能集热器集热效果明显，Ti 和To 几乎呈直线上升之势，由28度攀升至略高于63度，而后升幅趋缓。15:30 集热器出口水温To 达到极值67度，而后因陡降的太阳辐射不足以提供足够的能量 (15:30时太阳辐射不到500，不及当日极值的一半) 集热器出口水温To开始下降。水箱水温Ti 的变化趋势和To 基本一致，08:00至15:00呈直线上升，而后升幅减小，15:30 Ti 达到极值64.5度，而后开始下降。测试结束时水箱水温Ti 约为63度。整体而言，水箱水温由当日初始的27度升温至测试截止的63度，温升约36度。

观察每小时的光热转换率可看出，08:00太阳露脸后，初始阶段的效率相对较高，达到0.7，表示不大的阳光即可让水箱里的水有效升温；之后的每小时效率递减缓降，下午14:00至15:00，效率降至0.4；下午15:00之后，光热转换率下降的幅度增大，15:00点至16:00之间降为0.236，此时的阳光已不太能够让水箱里的水继续升温；四点至五点之间转换率甚至降为负0.4，表示能量净流出集热器。

一整天下来 (自早晨07:00至下午17:00)，系统总的光热转换效率为0.463。 如自早晨07:00统计至下午16:00，系统的光热转换效率为0.490；如自早晨07:00统计至下午15:00，系统的光热转换效率为0.510。

看似先进的上海交大泰阳分体式机，又是分体又是水泵又是热管，光热转换率却和阳春的浴普索兰一体式机没有差别 (本组评测浴普索兰的效率在45%到48%之间)，这样的结果略出乎本组组员的意料之外。难道测试参数是否会影响光热转换效率？9月6日评测时选用的参数是否为最佳值？

对比效率时间图和水温时间图，可以看出两者隐约存在负相关，也就是水温高时效率低，水温低时效率高。可不可以如此推论：在同样的天候条件下，如果水量倍增，由80升加至160升，因为温升较小效率较高，最终水温温升将不止36度的一半？

随着了解的深入，我们开始触及“光热转换效率和 (水温环温差除以太阳辐射强度) 之间的线性相关”主题。光热转换率和水温环温差有关，光热转换率也受太阳辐射强度影响。如将水温环温差和太阳辐射强度整合为一参数，在对一系统进行测试后，可以描绘出光热转换率和水温环温差除以太阳辐射强度之间的关系图。两者之间事实上存在线性相关，典型的图形如下：

其中横轴为水温环温差除以太阳辐射强度，纵轴为光热转换效率，图形显示光热转换效率会随着横轴数值增大而下降。也就是说，水温环温差和太阳辐射强度的比值越小，光热转换效率相对高；水温环温差和太阳辐射强度的比值越大，光热转换效率相对低。高光热转换率的要素因此是，水温和环温的差值很小（分子小）或者太阳辐射强度很大（分母大）。【相关主题阅读1】

为什么光热转换率会随横轴数值增大而下降？当水温高于环温时，集热器，管道，甚至水箱里的水都会因温差而和环境产生热交换，热量由水散逸至环境中。温差越大，热交换就越明显，热量散失就越大，这是转换率随横轴数值增大而下降的原因。如果对集热器，管道，以及水箱进行隔热和绝热，降低水和环境的热交换，可以使转换率在横轴上的降辐减小。

回过头来看9月6日的测试数据。早晨测试初始阶段水箱水温和环温的差相对小，因此光热转换效率相对高。随着时间推移，水温和环温的差越来越大，太阳辐射强度也在增加，因两者的比值是增大的，所以转换率呈现下降趋势。以12:00为对称轴区分左右，左边 (上午) 水温环温差较右边 (下午) 小，故而上午的转换率要高于下午。15:00之后，水温环温差维持在高档，而太阳辐射强度在下降，两者比值快速升高，转换率因此急降。

热水器系统不同，特性图也不会一样。好的热水器系统特性图上的效率线斜率小，位置高。效率线斜率小表示在水温升高后也不会有明显的热损失，效率线位置高意味光热转换率普遍高。本次评测的热水器系统其特性图如下：

以上效率线的依据是9月6日、8日，以及11日的测试数据。其中，每小时的平均水箱水温，平均环温，以及平均太阳辐射强度被用以作为绘图数据。由图可知，在水温大于环温的前提下 (横轴为正值)，本系统每小时平均光热转换效率最高可达70%；在横轴值为0.114时光热转换效率降为零，之后转换率甚至为负值。负的光热转换率代表此时整个系统的热损失要大于集热器所吸收的太阳辐射热。

项目组就整天的光热转换率以及光热转换率特性图两个方面，对上海交大泰阳的热管真空管集热器进行了深入的剖析。那么结果这组集热器的光热转换效率到底是高还是低？在没有同类型的产品作对比之前，还真的无法下结论。开始期待下一个分体系统的到来，我们打算做一次PK!