【技术】四种型号家用太阳热水器及全年供热模拟计算

在一定的假定的条件下，模拟计算了JB4715-24-150/45及其它新型的四种型号家用太阳热水器在2002年全年可提供洗澡天数。模拟虽然粗糙，但也说明为了提高太阳热水器的年使用率，就应该根据不同区域，不同气候条件做出更合理的设计……...

1.2002年全年的测试—模拟计算的基础

2002 年清华阳光对JB4715-24-150/45 和JR4715-24-150/45 两台家用太阳热水器做了全年热性能测试，测试地点在北京昌平阳坊镇厂区，测试时间从1 月1 日到12月31日每天从8:00到16:00。测试按照标准进行。记录了当天的辐照量H、水箱始末水温、环境温度、风速以及当天的天气状态。两台太阳能热水器的基本情况如表1所示。



测试数据显示全年数据多，但十分离散，天气变化无常，找不出变化规律。从统计的角度出发，分不同的时间段做统计平均。表2是JB4715-24-150/45 按月份统计的结果。



从日辐照量H的均值来看，相当于每天每平方米的辐照量约3317Kcal，基本落在北京地区的太阳辐照能级。从月份上比较6月的辐照很低。从太阳能热水器性能上看，比较弱的10、11、12月，主要原因北京从10月中旬开始雾天情况较多，12月连续6 天雨雪天气。但年平均值51.0%，说明这种热水器的性能确实不错。

重要的是两台太阳能热水器的热性能的变化状态很相似。

表3为JR4715 的水箱的水真正得到的热量QR 对JB4715水箱的水真正得到的热量QB 的比值。这种随月份比值稳定的结果是模拟计算的一个重要的基础。

2.对JB4715-24-150/45的全年实际使用的模拟运算

为了进一步了解该热水器全年中实际的使用情况，清华阳光通过全年记录做了粗糙的模拟运算。为此做了如下设定：（1）三口之家，每天每人洗澡用水50kg，水温40℃。（2）自来水温恒定为15℃。（3）水箱每夜降温：5~10 月每夜降3℃，其余每夜降5℃。利用Q=mc驻t，首先计算当天用去高于40℃水温的水量，再计算出补充这个水量之后的水箱水温，减去夜间的降温，即为第二天的水箱初温，根据当日的实际记录，可以得到第二天水箱末温，若高于40℃，再接着上述的计算；若低于40℃，无法进行洗澡。夜间降温之后为第三天的水箱初温，反复记录，计算到第365天。

2.1模拟计算过程

设自来水温度为t0（15℃），洗澡温度为T0 （ 40℃），水箱水量为150kg，当天水箱水温升到的温度为t1，洗完澡后水箱再上满水150kg 后的温度为t2，则当天用水量x 应满足如下的放热和吸热方程：



测试记录365 天的数据里将每天温升到40℃以上的天数加起来是227天，但模拟计算的结果可用洗澡天数为271天，这个计算结果和长期以来该型太阳热水器的实际运用情况基本符合，根据清华大学李元哲教授的统计结果，一年约有1/3的天数需要电热来补充。271天占365 的0.74，大约使用天数比2/3多些。

3.提高太阳热水器的年使用天数

分析JB4715-24-150/45 的使用天数约2/3 主要原因还是集热面积不足，因此使得很多日辐照量处于12-14MJ的日子里水的温升不足。增大集热面积的方法有多种，如增加集热管的长度；或水量仍150kg，但使水箱内径从360mm 变为310mm，则水箱从插24支φ47mm 的管子变到插33支φ47mm 的管子等方法。我们采用后种方法，做两个水箱、两个支架，组成如下四种型号的热水器，如表4 所示。测试现场如图1所示。在测试现场，将三台太阳能热水器同时进行，以JB4715-24-150/45 为参考进行比较，表5、表6、表7是JT4715-33-150/50 和JB4715-33-150/50 热水器的测试结果。

从表6可见，当H约为14~15MJ/m2，JB4715-24-150/45升温为21.3℃，而其它两台的温升都超过25℃，即热水温度都能达到40℃以上。说明水箱容积不变，但内径变小，水箱变长，增加集热管的办法，可以做到较低的辐照下达到当天使用的目的。





实际对模拟运算有关的数据是热水器真正得到的热量。应用四台热水器的得热量对JB4715-24-150/45 的比值，再利用2002年的全年测试数据可模拟出四台热水器在2002年的洗澡天数。

2010 年11 月至12月间对上述三台热水器共进行11次测试，JT4715-33-150/50 对JB4715-24-150/45 的所得热量的比值平均值约为1.42（模拟时用1.4），JB4715-33-150/50 对JB4715-24-150/45 的所得热量的比值平均值约为1.245（模拟时用1.24）。

同样2011 年1 月，用φ58mm，长1600mm 的三管管和φ47mm，长1800mm 三管管装配成另外两台热水器，共进行3次测试，其所得热量平均值分别为1.63（模拟时用1.6）和1.58（模拟时用1.5）。

4模拟计算的结果

依据JB4715-24-150/45 的对比测试结果，结合2002年的全年测试记录数据，模拟计算这四种热水器在2002年的实际使用运行，结果如表8所示。

目前的太阳热水器在集热面积是不论区域、不论气候条件，基本上都是每平方米集热器配置75公斤左右的水量，如JB4715-24-150/45。从表8可见，如果改变这个配比，就可以提高热水器的年使用率，就能更充分地利用太阳能。虽然说这四种型式的热水器全年使用天数与全年天数之比，不能做到百分之百，但若从逐日模拟计算的情况来看，四种热水器在1-11月的日子使用率是相当高的。表9 是五种热水器在不同月份不能使用的天数分布。其中6月份虽有部份天数达不到40℃，但毕竟天气炎热，水温要求不高。

应该提到的是，模拟过程中会经常出现水温在当天出现100℃的情况，这种情况的出现对日常生活用水有危险隐患，作为热水器产品来说，应考虑附加水箱。



5结语

1. 太阳能热水器无法保证每天的洗浴需求。但是冬季使用率低些，其他季节可每天用太阳能热水器，并且去掉电辅加热；

2. 北京地区太阳辐射资源属于二类，对于低于北京地区的辐照量的地区，更应考虑集热面积和水量的配比；

3. 夏季太阳能热水器温度过高，可考虑在水箱上方加个50kg 水箱，夏天成为200kg ，冬天为150kg。

来源：中国太阳能产业资讯网

“太阳能光热”能干啥用？

1.太阳能与建筑结合应用；

2.太阳能采暖、制冷、热水综合联供应用；

3.太阳能工业热力应用；

4.太阳能农、牧、渔业应用；

5.太阳能海水淡化应用；

6.太阳能干燥应用；

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8.太阳能生活热水应用；

9.太阳能中高温蒸汽、热电应用；

10.太阳能其他综合应用。

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