摘 要：对一种分仓真空管太阳能热水器在晴天和多云天两种典型天气条件下进行了实验测试与分析，并与常规真空管太阳能热水器测试对比.结果显示无论是在晴天还是在多云天气下，分仓真空管太阳能热水器三个仓在当天运行条件下温度分层都比常规真空管太阳能热水器的明显，顶部和中部水温相差不大，但与底部水温相差较大.每个仓底部存在冷水区，但高温仓内的较明显.夜间温降期间，低温仓温度分层最严重，高温仓底部水温有明显的先升温后平缓的趋势.
关键词：分仓真空管太阳能热水器；日有用得热量；平均热损因数；热性能
1 引 言
真空管太阳能热水器以其良好的集热和保温性能，近年来受到国内外众多学者的关注和研究.影响真空管太阳能热水器热性能的因素很多，Jaisankar等[1]详细论述了太阳能热水器的优势和提高其效率的各种方法和计算；李仁飞等[2]发现真空管太阳能热水器中真空管内部水温总体比水箱内水温高，且在真空管管口的上壁面出现温度最大值，在水箱底部存在一个冷水区，主要依靠水箱内从顶部到底部的温差导热传热而被加热；杨育芹等[3]发现管间距对真空管太阳能热水器的日有用得热量有很大的影响，理论上管间距越小，日有用得热量越大，但实际情况却完全相反，管间距越小，管与管之间的遮光越厉害，系统实际的日得热量越小，性能越差；谌学先等[4]发现家用太阳热水器的水量配比越大，其平均日效率越高.
本文所研究的对象为一种分仓真空管太阳能热水器(以下简称分仓热水器),即在太阳能贮热水箱中用两个不等高的隔板将热水器水箱分为相连的三个仓，用水时冷水始终从低温仓的下部进入，再进入中温仓，最后进入高温仓，减少用水时的冷热水的掺混，最大限度地利用了水箱中的热水.而在加热期间高温仓和中温仓中的水首先被加热.为了得到分仓热水器实际运行的热性能，将参照国家标准GB/T 18708-2002[5]对分仓热水器在晴天和多云天两种典型天气条件下进行实验测试[6]，并与常规热水器对比，分析这种分仓热水器的实际运行特性及与常规真空管太阳能热水器的差别，为这种新产品的优化设计及改进提供参考.
2 实验装置、测试方法以及热性能评价指标
2.1 实验装置
实验装置采用的是一套自然循环式的分仓热水器，其主要组成部分包括集热器、水箱和支架.该热水器所用真空管规格为Ø58×1 800 mm，管数为20管，正南放置，倾角为48°，采光面积为2.64 m2，水箱水量[7]为210.3 L，其结构原理图如图1.在贮热水箱中，用两块不等高的隔板将分仓热水器分为三个仓，在使用时，由于冷水从第一仓右下方进水口进入水箱，热水从第三仓左上方出来，因此由右到左分别给三个仓命名为低温仓、中温仓和高温仓.分仓热水器贮热水箱不与真空管直接相通，在水箱下部布置一加热仓，真空管直插入加热仓，加热仓上部设有四个高度不等的循环口，与贮热水箱相通.
这种结构的设计目的有二，其一是在加热循环期间，加热仓中的水首先被真空管加热，冷水从低温仓低部进入加热仓，热水大部分进入高温仓，一部分进入中温仓，使高温仓中的水首先被加热，然后再到中温仓，最后再加热低温仓；当用水时，冷水始终从低温仓的下部进入底层，把热水逐渐从低温仓顶进中温仓，最后进入高温仓，这样极大地减少用水时的冷热水的掺混，最大限度地利用了水箱中的热水.
图1 分仓热水器结构原理图
Fig.1 Schematic diagram of the trichotomous solar water heater
2.2 实验测试方法
为了对分仓热水器白天温升以及夜晚温降情况进行实验测量，在高温仓、中温仓、低温仓三个仓内按高度等分安装上、中、下三个温度传感器.总辐射表与集热器采光面平行安装，环境温度由置于实验环境中的铂电阻温度传感器测得，风速由风速测量仪测得[8].试验在昆明的十二月份和一月份进行，试验的工作时间选择为每天太阳辐照较强的时段9∶00-17∶00内进行.为了得出分仓热水器运行性能，选取一套水量配比与之接近的常规真空管太阳能热水器进行对比试验.同样在常规太阳能热水器贮热水箱内按照体积等分布置上、中、下三个温度传感器监测其温度变化.
2.3 热性能评价指标
日有用得热量是判断家用太阳热水系统性能好坏的重要指标[9-11].通过对日有用得热量的测量可以评价太阳热水器在运行中转换了多少太阳辐照量为有用的热量[12]；平均热损系数也是判断家用太阳热水系统热性能好坏的重要参数，反映了在无日照等条件下，热水器整体的保温性能.根据中华人民共和国国家标准《家用太阳热水系统热性能试验方法》(GB/T 18708-2002)所述的试验方法，规定家用太阳热水器的试验期间单位轮廓采光面积的日有用得热量q表达式为[5]
(1)
换算成太阳辐照量为17MJ/(m2·d)时的日有用得热量q17:
(2)
式中，cpw为水的比热容
；ρw为水的密度，kg/m2；Vs为贮热水箱中的流体容积，m3；Te为集热实验结束时贮热水箱内的水温，°C；Tb为集热实验开始时贮热水箱内的水温，°C；Ac为集热器轮廓采光面积，m2；H为集热器采光面的日太阳辐照量，MJ/m2.
平均热损系数USL表达式为
(3)
式中Δτ为降温时间，s；Ti为热损实验中贮热水箱内的初始水温，°C；Tf为热损实验中贮热水箱内的最终水温，°C；Tas(av)为热损实验中贮热水箱附近的平均空气温度，°C.
3 实验结果及分析
3.1 日有用得热量实验
3.1.1 晴天的运行特性
对分仓热水器进行多次实验测试，选取其中一个晴天条件下的数据进行分析.图2所示为选取的实验测试期间(2015年1月4日9:05-17:05)分仓热水器低温仓、中温仓、高温仓和常规热水器在晴天集热试验中的温升图.测试期间，太阳辐射强度变化为57～1 142 W/m2，累计辐照量为23.315 MJ/m2，环境温度为12.2～24.7 ℃，平均值为19.5 ℃.由图2可得：随着累计太阳辐照量的增大,分仓热水器三个仓和常规热水器的水温都在不断升高，常规热水器三条温升曲线基本重合.分仓热水器三个仓内顶部水温最高，中部水温次之，底部温度最低，顶部与中部水温相差较小，与底层水温相差较大，三个仓内总体温度分层明显.中温仓的顶部水温曲线与中部水温曲线间距是三个仓中最小的，底部水温曲线在早上10点之前处于缓慢升温，10点之后才逐渐升温明显，温度与顶部、中部水温相差较大；高温仓的顶部水温曲线与中部水温曲线间距是三个仓中最大的，底部水温曲线在早上11点之前温度变化不大，11点之后才逐渐有升温趋势，温度与顶部、中部水温相差是三个仓中最大的，仓内温度分层最明显.随着累计太阳辐照量的增大，常规热水器贮热水箱内温度分层不明显，相比之下，分仓热水器无论是低温仓，中温仓还是高温仓，仓内温度分层都很明显，顶部与中部水温相差比较少，与底部温度相差最多，尤其是高温仓，温度分层最明显，底部温度与顶部温度最大温差可达20 ℃；三个仓温度都偏低，最高温度只能到46.7 ℃，与常规热水器底部终温相差14.5 ℃.
图2 分仓热水器三个仓和常规热水器在晴天集热试验中的温升图
Fig.2 The temperature curve in the trichotomous solar water heater and theregular solar water heater under the sunny weather condition
对比分仓热水器三个仓同样高度位置的水温温度变化，分仓热水器三个仓的顶部、中部和底部温度对比图如图3所示.图3(a)为三个仓顶部温度对比图，图中三条温升曲线基本重合；图3(b)为三个仓中部温度对比图，其中中温仓的中部温度最高，低温仓和高温仓的温度曲线基本重合，三条温度曲线呈升温趋势；图3(c)为三个仓底部温度对比图，在早上10点之前三条温度曲线重合，平缓升高，10点之后，低温仓和中温仓的底部温度开始升温明显，其中低温仓底部温度最高，中温仓底部温度次之，下午两点后低温仓和中温仓底部温度曲线再一次相交，中温仓底部温度升温速度快于低温仓的，但两者温度相差不大，这期间高温仓底部温度曲线明显升温，但温度一直最低.低温仓底部温度比高温仓的平均高3.0 ℃.
图3 分仓热水器三个仓的顶部、中部和底部温度对比图
Fig.3 Temperature comparison diagram of top，middle and bottom in the trichotomous solar water heater
3.1.2 多云天气下的运行特性
经过对分仓热水器进行多次实验测试[13]，选取其中一天多云天气下的数据进行分析.图4所示为分仓热水器低温仓、中温仓、高温仓在选取的实验测试期间(2014年12月31日9∶05-17∶05)的温度变化图.测试期间，平均太阳辐照为377 W/m2，累计辐照量为10.870 MJ/m2，环境平均温度为11.2 ℃.由图4可知，随着累计太阳辐照量的增大，分仓热水器三个仓和常规热水器的水温都在不断升高，但由于多云天气下辐照度波动比较大，温度曲线没有晴天天气下的平滑.分仓热水器顶部水温最高，其温度曲线波动幅度最大，中部水温次之，曲线波动幅度较小，且与顶部的温差相差比较小，底部水温曲线呈平缓上升趋势，波动较小但与顶部、中部的水温相差较大.中温仓顶部水温曲线与中部水温曲线间距是三个仓中最小的，底部水温曲线在早上11点之前升温比较慢，11点之后才明显升温，曲线较平滑，但与顶部、中部水温相差较大；高温仓的顶部水温曲线与中部水温曲线的间距是三个仓中最大的，底部水温曲线在中午12点之前温度变化不大，12点之后才逐渐有明显升温趋势，温度与顶部、中部水温相差很大，是三个仓中相差最大的；常规热水器顶部和中部两条温度曲线基本重合，底部温度曲线稍低，三条温度曲线都不平滑.多云天气下，常规热水器水箱内有温度分层现象，但不严重，只是底部水温偏低1 ℃左右，顶部和中部温度曲线基本重合，相比之下，分仓热水器更为明显，顶部和中部温度曲线波动幅度大，温差最高可达到10 ℃，温度分层最明显的依旧是高温仓.
图4 分仓热水器三个仓以及常规热水器在阴天集热试验中的温升图
Fig.4 The temperature curve in the trichotomous solar water heater and the regular solar water heater under the cloudy weather condition
对比分仓热水器三个仓内的底部水温，如图5所示，三个仓内底部水温曲线平缓上升，刚开始高温仓的底部温度高于中温仓的和低温仓的，低温仓的底部温度最低;10∶30时三个仓的底部温度一样;之后，低温仓底部温度变为最高，而高温仓的最低.总的来说，低温仓和中温仓的底部温度相差无几，而与高温仓的温差较明显，高温仓底部温度比低温仓底部温度平均低1.8 ℃，比中温仓平均低1.6 ℃.
图5 分仓热水器三个仓底部温度对比图
Fig.5 Temperature comparison diagram in the bottom in the trichotomous solar water heater
3.1.3 不同天气下日有用得热量分析
将晴天天气下集热实验测得的分仓热水器三个仓数据取平均值，按照公式(1)、(2)计算，Tb=16.0 ℃，Te=49.2 ℃，H=24.315 MJ/m2，得出日有用得热量q=11.07 MJ，换算成太阳辐照量为17 MJ时的日有用得热量q17=8.07 MJ.而常规热水器Tb=17.9 ℃，Te=61.2 ℃，H=23.436 MJ/m2，得出日有用得热量q=11.36 MJ，换算成太阳辐照量为17 MJ时的日有用得热量q17=8.26 MJ.分仓热水器晴天天气下的集热实验所得的日有用得热量符合国家标准GB/T 18708-2002规定的合格标准，但其日有用得热量值比常规热水器的稍小.
同样，将多云天气下集热实验测得的分仓热水器三个仓数据取平均值，按照公式(1)、(2)计算，分仓热水器的Tb=15.1 ℃，Te=30.8 ℃，H=10.870 MJ/m2，得出日有用得热量q=5.24 MJ，换算成太阳辐照量为17 MJ时的日有用得热量q17=8.19 MJ，常规热水器的Tb=15.6 ℃，Te=34.6 ℃，H=10.368 MJ/m2，得出日有用得热量q=4.98 MJ，换算成太阳辐照量为17 MJ时的日有用得热量q17=8.16 MJ.多云天气下，分仓热水器当天的日有用得热量大于常规热水器的，而由于多云天气下累计辐照量10.870 MJ/m2没有达到国家标准GB/T 18708-2002规定的累计辐照量17 MJ以上，以上数据仅供参考.
3.2 平均热损系数实验
选取测试期间(2015年1月4日20∶00到1月5日04∶00)环境温度12.8～17.9 ℃、环境平均温度为15.0 ℃时的数据进行平均热损系数分析.测试期间，分仓热水器三个仓和常规热水器的夜晚温降图如图6所示.分仓热水器三个仓的顶部水温最高，中部水温次之，底部温度最低，温度分层明显，顶部与中部水温相差较小，与底部温度相差较大.低温仓顶部、中部以及底部三条温度曲线呈下降趋势，其曲线间距是三个仓中最大的，即温度分层是三个仓中最明显的；中温仓顶部温度曲线和中部温度曲线的间距是三个仓中最小的，底部温度与顶部、中部水温相差较大，但其温度曲线有先升温后降温的趋势，降温幅度不大；高温仓顶部、中部以及底部三条温度曲线间距是三个仓中最小的，顶部和中部温度曲线呈降温趋势，底部温度有明显先升温后平缓的趋势；常规热水器三条温度曲线都呈降温趋势，其中中部水温最高，顶部水温次之，底部温度最低，并且底部温降最大.与常规热水器相比，分仓热水器三个仓内温度分层更明显.
图6 分仓热水器三个仓和常规热水器的夜晚温降图
Fig.6 The temperature curve in the trichotomous solar water heater andthe regular solar water heater during the nighttime cooling period
经过八个小时的降温测试，分仓热水器三个仓顶部、中部和底部的温降数据如表1所示.由表1知三个仓顶部和中部水温温降相差在1 ℃以内，底部温降相差比较大，低温仓底部水温温降为2.1 ℃，中温仓底部水温温降为0.3 ℃，而高温仓底部水温反倒升高了2.2 ℃.为了更好地了解，现作出三个仓的底部温度对比图，如图7所示.图7中，低温仓底部温度曲线呈单纯降温趋势，中温仓底部温度曲线一直保持平缓降温趋势，而高温仓底部温度曲线有明显的先升温后平缓的趋势.实验开始，中温仓的底部温度高于高温仓的底部温度，随着高温仓底部水温的升高，22∶30后，两条曲线相交，高温仓底部温度高于中温仓的底部温度.这与常规热水器水箱内温度在夜晚单纯降低不同.
表1 分仓热水器在夜间的温降结果
Table 1 The temperature data of the trichotomous solar water heater during the nighttime cooling period
图7 分仓热水器三个仓的底部温度对比图
Fig.7 Temperature comparison diagram of the bottom in the trichotomous solar water heater
将分仓热水器的数据按照公式(3)计算，Ti=51.2 ℃，Tf=48.7 ℃，Tas(av)=15.0 ℃得出分仓热水器的平均热损系数USL=10.4；常规热水器的Ti=61.5 ℃，Tf=58.1 ℃，Tas(av)=15.0 ℃，按照公式(3)得出平均热损因数USL=11.0，与常规热水器相比差别不大.
4 结 论
通过对分仓热水器在晴天和多云两种典型天气条件进行了当天热性能测试以及在夜晚的平均热损因数试验，并与常规热水器进行对比分析，可得出以下结论：
(1)无论是在在晴天还是在多云天气下，分仓真空管太阳能热水器三个仓在当天运行条件下温度分层都比常规真空管太阳能热水器明显，顶部和中部水温相差不大，但与底部水温相差较大.每个仓底部存在冷水区，但高温仓内的较明显.多云天气下，由于辐照度波动较大，仓内升温曲线不平滑.
(2)分仓热水器在经历夜晚降温时，低温仓温度分层最严重；与常规热水器的中部水温最高相比，分仓热水器三个仓都是顶部温度最高，并且相比常规热水器水温在夜晚呈单纯降温趋势，分仓热水器高温仓底部水温有明显的先升温然后平缓的趋势，温度升高了2.2 ℃.
(3)在晴天及多云天气条件下，参照GB/T 18708-2002的试验及计算方法，分仓热水器与常规热水器的日有用得热量及平均热损因数差别不大，但分仓热水器最大的缺陷是在当天运行条件下仓内温度分层较重，这种分仓热水器设计上还应进行优化改进.
