太阳能热水器的产水量计算.doc

(一)太阳能热水器的能量平衡方程
太阳能热水器实际吸收到的太阳辐射能一部分用来加热水，另一部分用于加热集热器、水箱、管路等其他部分，以及支付系统各部分的热损失。根据能量平衡理论，太阳能热水器的能量平衡方程可表达为
QA=QU+QL+QS
式中QA—每天每平方米太阳能热水器吸热表面吸收的太阳辐射，kJ或kcal
QU—每天每平方米太阳能热水器中工作流体获得的热量，又称有效得热，kJ或kcal
QL—每天每平方米太阳能热水器通过辐射、对流和传导散失到周围环境的热量，又称热损失，kJ或kcal
QS—太阳能热水器贮存的能量，kJ或kcal
上式QA=(ta)HT
QU=MCp(te-ti)或M=QU/Cp(te-ti)
QL=UL(Te-Ta)Dt
QS= SCcDT
其中 HT—单位面积集热器倾斜面太阳辐射日总量 kJ/ m2 或kcal/m2
(ta)—透过吸收率乘积 %
te、ti、ta—热水器终止水温、初始水温和环境温度 ℃
M—单位面积太阳能热水器的产水量kg/ m2
Cp—水定压比热 kJ/kg℃ 或kcal/kg℃
UL—太阳能热水器总热损系数W/m2℃ 或kcal/ m2℃h
Dt—集热器吸收辐射的累计时间s
Cc—单位面积太阳能热水器各部分的热容 kJ/ m2℃
Tf—热水器的平均温度 ℃
DT—太阳能热水器各部分的温升℃
t—时间 s
各月代表日的选择
计算各月太阳辐射日总量月平均值，按中央气象局有关专家推荐，按下表选择各月代表日以简化计算。
表1 各月代表日选择表
月份
日期
太阳赤纬
序日
1
17
-20.84
17
2
14
-13.32
45
3
15
-2.40
74
4
15
9.46
105
5
15
18.78
135
6
10
23.04
161
7
18
21.11
199
8
18
12.28
230
9
18
1.97
261
10
19
-9.84
292
11
18
-19.02
322
12
13
23.12
347
(三)珠海市的太阳辐射资源和气象条件
根据广东省气象局提供的历年统计数据，把珠海地区的气象条件列如表2供分析参考，
表2 珠海2012各月及全年太阳辐射及气象资料
月份
日照时数小时
日照百分率％
平均风速m/s
极端最高气温℃
极端最低气温℃
平均气温℃
相对湿度%
总辐射kJ/㎡
直接辐射kJ/㎡
散射辐射kJ/㎡
自来水温℃
月平均
日平均
月平均
日平均
月平均
日平均
1
138.6
52.8
2.3
27.9
0.1
13.3
69

9967

5128
15000
4839
15．1
2
87.7
29.6
2.2
28.6
0.0
14.4
78

8866
95180
3400

5466

3
79.9
22.2
2.1
31.0
3.3
17.9
83

9432
99470
3208

6224

4
89.4
24.3
2.0
33.0
7.7
21.9
84

10091
81690
2723

7367

5
144.3
36.3
2.0
36.0
14.7
25.9
85

13014

4688

8326

6
156.2
38.7
1.8
36.6
18.9
27.2
86

13338

4803

11533

7
231.0
56.1
1.9
37.5
21.6
28.4
84

15547

7211

8336

8
210.1
53.7
1.8
38.7
21.1
28.1
83

15175

7186

8013

9
196.7
53.6
2.0
37.6
15.5
26.9
80

14558

7005

7554

10
210.5
59.2
2.0
33.6
11.3
23.4
72

14066

7735

6331

11
192.5
57.5
2.3
32.4
5.3
19.4
69

12438

7084

5354

12
170.1
49.8
2.3
29.6
1.8
15.2
68

10429

5597

4844

全年平均
1906.0
44.3
2.1
38.7
0.0
21.9
78
年累计
12268
年累计
54870
年累计
6781

根据上述计算公式，按照珠海海地区Φ=230、S=330，并按表1和表2提供的有关数据，可计算珠海地区倾斜面上各月太阳总辐射日总量月平均值，因为珠海地区太阳能热水器的使用季节以冬半年为主，故只列出广州地区9、10、11、12、1、2月的的计算结果如下表：
表3
月份
水平总辐射kJ/㎡
水平直射辐射kJ/㎡
水平散射辐射kJ/㎡

330倾斜面总辐射kJ/㎡
9
14558.5
7004.8
7553.7
1.0360
0.9916
14436.0
10
14066.5
7734.7
6331.5
1.2580
1.0207
14357.5
11
12438.4
7083.8
5344.2
1.4738
1.2512
15562.6
12
10429.1
5597.4
4843.8
1.5860
1.2943
13498.9
1
9965.7
5128.4
4838.8
1.5237
1.2464
12423.0
2
8865.8
3399.6
5466.6
1.3118
1.0860
9627.8
(四)太阳能热水器的透过率、吸收率和热损系数的估算
太阳能热水器由太阳能集热器、贮热水箱、循环管路、支架等组成，太阳能热水器的透过率和吸收率即为太阳能集热器表面盖层的透过率和集热板的吸收率；而太阳能热水器的热损系数则包括了集热器的热损失、贮热水箱的热损失和管路系统的热损失。显然，太阳能热水器的热损失大于太阳能集热器的热损失；假如贮热水箱和循环管路的热损失为零，并假定热水器处于稳定状态，即热水器本身各部件既不吸热也不放热，则太阳能热水器的热损失等于太阳能集热器的热损失。
关于透过率和吸收率乘积，国家标准GB/T6424-1997《平板型太阳能集热器技术条件》规定集热器的FR(ta)e不低于0.68，对透明盖板太阳透射比t的要求规定不低于0.78，对于工程应用而言，通常可用ta值近似地代表(ta)e，一般国产3~5毫米玻璃的太阳透射比0.8~0.85，而集热板的吸收率据有关文献报道，大约为0.9~0.95，如果t=0.83，a=0.93，则集热器的光效率近似等于0.77。
至于集热器的热损系数，国标GB/T6424-1997规定热损系数FRUL不高于6.0W/㎡℃（即5.167kcal/㎡℃h），假设珠海市冬半年太阳能热水器有效工作时间为6小时，对温升30℃的集热器来说，每平方米6小时的热损失为3888kJ/㎡（或930kcal/㎡），若当天的太阳辐射总量为16720kJ/㎡（4000kcal/㎡），集热器的热损失约占总辐射能量的23.3%。
(五)关于珠海地区太阳能热水器的产水量的预测
根据太阳能热水器的日产水量近似计算公式
按照θ=330、τ=0.85、α=0.95、UL=4W/㎡、（Te-Ti）=30℃、Δt=6小时、Ta=Ti，并假设水箱管路绝热，可计算出以下表格：
表4 性能优异的太阳能热水器的月平均产水量（珠海地区）
月份
水平总辐射
kJ/㎡
330倾斜面总辐射
kJ/㎡
平均温度
℃
热水温度
℃
热水产量
kg
有效得热
kJ/㎡
效率
%
9
14558.5
14436.0
26.9
56.9
72.26
9061.4
62.8
10
14066.5
14357.5
23.4
53.4
71.75
8997.5
62.7
11
12438.4
15562.6
19.4
49.4
79.51
9970.6
63.7
12
10429.1
13498.9
15.2
45.2
66.22
8304.0
61.5
1
9965.7
12423.0
13.3
43.3
59.30
7436.2
59.8
2
8865.8
9627.8
14.4
44.4
41.30
5179.0
53.8
平均
11720.7
13317.6
18.8
48.8
65.1
8158.1
60.7
表5 不同日效率太阳能热水器在珠海地区的产水量
月份
太阳总辐射日总量月平均值kJ/㎡
项目
太阳能热水器日效率（%）
45
50
55
60
9
14436.0
有效得热kJ/㎡
6496.1
7218.0
7939.9
8661.8
产水量 kg
51.8
57.6
63.3
69.1
10
14357.5
有效得热kJ/㎡
6461.0
7178.7
7896.4
8614.6
产水量 kg
50.5
57.3
63
68.7
11
15562.6
有效得热kJ/㎡
7003.2
7781.4
8559.4
9337.7
产水量 kg
55.8
62.1
68.3
74.5
12
13498.9
有效得热kJ/㎡
6074.4
6749.4
7424.5
8099.2
产水量 kg
48.4
52.8
59.2
64.6
1
12423.0
有效得热kJ/㎡
5590.3
6211.5
6832.6
7453.8
产水量 kg
44.6
49.5
54.5
59.4
2
9627.8
有效得热kJ/㎡
43326
4814.1
5295.2
5776.8
产水量 kg
34.6
38.4
42.2
46.1
表6 晴天不同日效率的太阳能热水器在珠海地区的产水量（温升30℃）
日效率 %
45
50
55
60
有效得热
kJ/㎡
7524
8360
9196
10032
kcal/㎡
1800
2000
2200
2400
产水量 kg
60.0
66.7
73.3
80.0
注：太阳辐射为16720 kJ/㎡（4000 kcal/㎡）
（六）初步结论
1.根据各地接受太阳辐射总量的多少，可将全国划分为五类地区，珠海属于第三类地区，为中等类型地区，所以珠海地区冬半年太阳能热水器的产水量不可能太高
2.性能优异的太阳能热水器（热效率60%），在珠海地区冬半年每平方米集热面积有效得热约为8158.1kJ/㎡d（1951.7 kcal/㎡d），产生温升为30℃的热水产量约为65kg。
3.性能优异的太阳能热水器（热效率60%），在珠海地区冬半年晴天时（太阳辐射为16720 kJ/㎡d（4000 kcal/㎡d）），可产温升为30℃的热水约为80kg（有效得热为10032 kJ/㎡d（2400 kcal/㎡d））。