FFF环境与测量不确定度对太阳热水器能效等级的迁移

1、环境温度与测量不确定度对太阳热水器能效等级的迁移殷志强1,2，马光柏3，李郁武4，周小雯1，周玲3（1. 北京清华阳光能源公司，北京，2. 清华华大学; 3. 山东力诺瑞特新能源有限公司，济南；4. 国家节能产品质量监督检验中心，山东省产品质量监督检验研究院，济南）摘要：。本文通过试验与计算，讨论了日平均环境温度试验范围与测量不确定度导致一台太阳能热水器能效等级的迁移。关键词：日平均环境温度 测量不确定度 太阳热水器能效等级中图分类号：TK513.5 文献标识码：A0 引言国标家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级GB 26969-20114将于2012-08-01实施。家用太阳能热水系统能效

2、系数按（1）式计算：CTPq17(e)/q17(m)USL(e)/ USL(M) （1）式中：CTP家用太阳能热水系统能效系数；q17(e)GB/T 19141-2011试验条件下测试与计算,相当日太阳辐照量17MJ/m2所得的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量q17(e)，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）；在GB 26969-2011中用Qs(e), Qs与GB/T 18708-2002家用太阳热水系统热性能试验方法1中的Qs容易混淆，本文中用q17(e)；q17(m)GB/T 19141或GB/T 26970规定的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量的通过最小值q17

3、(m)，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）；a权重系数，用于表示平均热损因数在家用太阳能热水系统能效系数中的权重，在标准中a 取0.9；USL(e)试验条件下测试所得的家用太阳能热水系统的平均热损因数，单位为瓦每立方米开尔文W/（m3K）；USL(M)GB/T 19141或GB/T 26970规定的家用太阳能热水系统的平均热损因数最大值，单位为瓦每立方米开尔文W/（m3K)。试验依据应符合GB/ T19141或GB/T 26970国家标准。表1 是家用太阳能热水系统能效等级表1 紧凑式家用太阳能热水系统能效等级能效等级1级2级3级能效系数（CTP）CTP0.500.32CTP0.500.10CT

4、P0.32GB/T 19141家用太阳能热水系统技术条件于2003建立2，已于2011修订3。有关的主要区别见表2：表2 2003版和2011版GB/T 19141主要区别GB/T 191412003版2011版日太阳辐照量条件17MJ/m216MJ/m2日平均环境温度1530835日有用得热量7.5MJ/m2（紧凑式与闷晒式）；7.0MJ/m2（分离式与间接式）7.7MJ/m2（紧凑式与闷晒式）；7.0MJ/m2（分离直接式）；6.6MJ/m2（分离间接式）；平均热损因数22W/(m3K)（紧凑式与分离式）；90W/( m3K) （闷晒式）16W/(m3K)（紧凑式与分离式）；80W/( m

5、3K) （闷晒式）对于日太阳辐照量H16MJ/m2 与H17MJ/m2的试验条件，实验结果的误差较小，可以不计5。而日平均环境温度对日有用得热量的影响较大，而GB/T 19141-2011版影响更大。2002年4月国家质量监督检验检疫总局发布GB/T 18708家用太阳热水系统热性能试验方法1。同年，北京清华阳光公司受中国农村行业协会太阳能热利用专委会委托，对我国当时主要企业生产的全玻璃真空管紧凑式家用太阳热水系统实验测量，通过数据处理，得到家用太阳热水器的能量方程与热损系数的珍贵资料。2002年试验与计算结果5，可以计算得到2003年5月国家质量监督检验检疫总局发布GB/T 19141家用太

6、阳热水系统技术条件中的日有用得热量与平均热损因数。表3是2002年的试验与计算结果：表3 15台全玻璃真空管直插紧凑式家用太阳热水系统（玻璃管内走水）的有关结果：公司型号q17 MJ/m2USL W/（m3K）tad清华阳光JB150/459.511.623.2华阳C229.511.023.2清大明珠QG1508.214.223.2美大ZB-100-39.013.723.2新奥QB-340/4309.211.023.2环普HTP-128.215.523.2皇明HD-20TT158.614.923.2辉煌22BC168.312.023.2津普JPCY-1008.917.023.2丽光ZZB15-

7、478.019.123.2天普TP2.0/589.511.823.7太阳雨TZZB-159.313.023.7世界宝SP-4208.712.923.7力诺瑞特LPPCA479.213.423.7桑夏ZZ24B-29.09.323.71 环境温度对紧凑式家用太阳能热水系统能效等级的影响依据GB/T 187082002家用太阳热水系统热性能试验方法，家用太阳热水系统得热量方程，表示如下：Qa1Ha2（tad1tb）a3 （2）Q家用太阳热水系统的得热量。试验方法不同，得热量略有差异，使用“混水法”，是该系统传递到水箱内水中的得热量，这是人们能直接享用的热水，以Qs表示；使用“排水法”，还可以获得集

8、热器中的储能、水箱保温层的储能，以Qc表示；考虑到我国现在大多数是非承压系统，目前宜采用“混水法”；H 午前与午后共8小时试验时段内，太阳热水器倾斜放置，轮廓采光面上的日太阳辐照量（MJ/m2）；tad 试验时段内，日平均环境温度（）；tb 集热试验开始时贮热水箱内的水温（）；Ac 家用太阳热水器的轮廓采光面积 (m2)；a1、a2和a3 由试验结果数据，用二变量最小二乘法拟合方程得到的系数。图1 JB 150太阳热水器日有用得热量与日平均环温关系对同一台太阳热水器，试验时段内，设日太阳辐照量相同，贮热水箱内开始时的水温也相同，日平均环境温度分别是tad1与tad2，从（2）式得到（3）和（4

9、）式：Qs1a1Ha2（tad1tb）a3 （3）Qs2a1Ha2（tad2tb）a3 （4）（3）（4）得到：QsQs2Qs1Qsa2（tad2tad1）Qs/Aca2（tad2tad1）/ Acqs(e) = a2（tad2tad1）/ Ac （5）设在试验条件下，太阳热水器得热量与日太阳辐照量是线性关系：qs(e)/H=q17(e)/H17H17试验时，在集热器倾斜面上的日太阳辐照量为17MJ/m2；（5）式可写成q17(e)= a2（tad2tad1）H17/ Ac H设试验时H= H17q17(e)= a2（tad2tad1）/ Ac （6）试验实例：北京清华阳光能源公司玻璃管内走水

10、的紧凑式家用太阳热水系统，倾角45，型号为JB150/45，该家用太阳能热水系统轮廓采光面积为Ac=2.037 m2。通过拟合，该太阳热水系统的得热量方程由下式表示5：Qs1.069H0.039（tadtb）+0.892 （7）式中的系数a2=0.039 MJ/ 据GB/T 19141-2011中的试验条件，日平均环境温度8tad35，日平均环境温度tad从8至35，有效的日平均环境温度差tad2tad1 为27。a2=0.039, Ac =2.037 m2.试验条件下测试所得的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量的差值q17(e)可达0.52 MJ/m2；CTPq17 (e)/ 7

11、.7=0.07对于JB150 太阳热水器，从全年实测与由太阳热水器的能量方程推导，仅由于GB/T19141-2003规定的日平均环境温度试验范围为27，导致家用太阳能热水系统能效系数的差异CTP高达0.07。会引起能效等级的迁移，试验的日平均环境温度低时，该家用太阳能热水系统由1级向2级或由2级向3级迁移，造成家用太阳能热水系统能效等级的不确定度。2测量不确定度对紧凑式家用太阳能热水系统能效等级的影响环境温度高低不同对家用太阳能热水系统的能效等级有影响，测量不确定度也有影响。测量不确定度是用来表征被测量值分散性的非负参数6。2.1 日有用得热量2.1.1 日有用得热量与试验条件根据GB/T 1

12、9141-2011家用太阳热水系统技术条件指出, “日有用得热量”是相当日太阳辐照量为17MJ/m2下，贮热水箱内的水温不低于规定值时，单位轮廓采光面积贮热水箱内水的日得热量。影响日有用得热量这一指标的主要因素有：家用太阳能热水器贮热水箱内的净容水质量m、集热器采光面的轮廓采光面积AC、集热试验期间贮热水箱内水的温升t以及集热器采光面上的日太阳辐射量H。依照GB/T 18708-2002家用太阳热水系统热性能试验方法：环境温度8ta39,室外风速u4m/s,日太阳辐照量H17MJ/m2。家用太阳能热水器在太阳正午前后各4小时进行集热，集热结束后用混水泵以400 L/h 600 L/h的流量混水

13、，使贮热水箱内的水温均匀化，记录水箱内终止水温te及贮热水箱内净容水量m，日有用得热量q17的计算公式为:q17=cpw mtH17/(ACH) （8）其中，cpw水的比热，J/(kg)；m储热水箱内容水质量，kg；t集热试验期间贮热水箱内水的温升，（te-tb）；te集热试验结束时贮热水箱内的水温，；tb集热试验开始时贮热水箱内的水温，；AC轮廓采光面积，m2；H集热器采光面上的日太阳辐照量，MJ/m2。日有用得热量不确定度分析以力诺瑞特某热水器的测试结果为例进行分析，见表4：表4某热水器测试结果开始温度tb/结束温度te/平均环境温度tad/平均环境风速u/ m/s容水质量m/kg采光面积

14、Ac/ m2试验期间的日太阳辐照量H/ MJ/m2日有用得热量q17/ MJ/m220.551.324.90.41972.8219.87.8根据测量不确定度的评定方法7，日有用得热量合成相对不确定度的测量函数为8，其标准不确定度为： （9）扩展不确定度为：（10）其结果表示为：(11)日有用得热量的不确定度的来源有：1）用电子台秤测量m引起的不确定度电子台秤最小分度值为0.05kg，标准不确定度为：um=0.0523=0.0144kg2）用钢卷尺测量AC引起的不确定度钢卷尺最小分度值为1mm，长度L和宽度W的标准不确定度均为：uL=uW=1mm23=0.0003m3）用温度传感器测量t引起的不

15、确定度校准证书给定的温度传感器不确定度为U(t)=0.2，k=2，则温差的标准不确定度：ut=U(t)k=0.22=0.14）用太阳总辐照表测量G引起的不确定度一级总日射表的非线性误差为1.0%，即u(G1)=1%1400W/m2=14.0W/m2；太阳总辐射表的温度灵敏度误差为1.0%，即u(G2)=1.0%1400W/m2=14.0W/m2，则太阳总辐射表的标准不确定度为：uG=1423+1423=11.4W/m2将各不确定度分量值导入计算得：U(q17)=7.80.014=0.11MJ/m2该样品日有用得热量的测量结果表示为：q17=7.80.22MJ/m22002年北京清华阳光公司受中

16、国农村行业协会太阳能热利用专委会委托，依据GB/T 18708家用太阳热水系统热性能试验方法对我国当时主要企业生产的全玻璃真空管紧凑式家用太阳热水系统实验测量，通过数据处理，得到家用太阳热水器的能量方程与热损系数，进而计算得到2003年5月国家发布GB/T 19141家用太阳热水系统技术条件中的日有用得热量与平均热损因数。2002年5月- 6月15台全玻璃真空管紧凑式家用太阳热水系统的试验，日平均环境温度23.223.7，日有用得热量的实际测量误差0.20MJ/m2，与上述误差分析比较一致9。2.2 平均热损因数根据GB/T 19141家用太阳热水系统技术条件,“平均热损因数”是指在无太阳辐照

17、条件下的一段时间内，单位时间内、单位水体积太阳热水系统贮水温度与环境温度之间单位温差的平均热量损失。”平均热损因数是评价家用太阳能热水器的一个重要指标，影响这一指标的主要因素有：家用太阳能热水器贮热水箱的初始贮水温度ti、终止贮水温度tf 和平均环境空气温度tas(av)。依照GB/T 18708-2002家用太阳热水系统热性能试验方法。环境温度8ta39,室外风速u4m/s,贮热水箱中的水应预先均匀加热到50以上，夜间测试8h。测量的方法和数学模型对家用太阳能热水器的贮热水箱混水使得水温达到均匀，初始水温不得低于(50士1)，关掉装有混水泵的管道的阀门，让水箱降温8h（一般取午夜零点前后各4

18、h），再次混水使得水温达到均匀，按下述公式计算平均热损因数： (12)其中，USL平均热损因数，W/(m3K)。w水的密度，kg/m3；cpw水的比热，J/(kg)；降温时间，s；ti初始贮水温度，；tf终止贮水温度，；tas(av)平均环境温度，；2.2.2 平均热损因数不确定度分析以上述力诺瑞特某热水器的测试结果为例进行分析。表4 某台家用太阳能热水系统平均热损因数测试数据开始温度/结束温度/平均环境温度/平均环境风速/m/s平均热损因数/W/(m3K)49.146.416.4012测量不确定度来源于以下分量：用铂电阻温度计测量初始贮水温度ti引起的不确定度；用铂电阻温度计测量终止贮水温度

19、tf引起的不确定度；用铂电阻温度计测量平均环境温度tas(av)引起的不确定度。校准证书给定的温度传感器不确定度为U(t)=0.2，k=2，则温差的标准不确定度：与日有用得热量的不确定评定方法类似，平均热损因数的合成相对不确定度函数：urel(USL)平均热损因数的标准不确定度为：uUSL=USLurel(USL) (13)根据示例测试数据，标准不确定度：uUSL=120.053=0.6平均热损因数的测量结果表示为USL=12.01.2 W/(m3K)2.3测量不确定度对能效等级的不确定度评定 由式（1），将q17(m)和USL(M)视为常数，家用太阳能热水系统能效系数合成相对不确定度为：ur

20、elCTP=lnCTPq172uq172+lnCTPUSL2uUSL2=u(q17)q172+u(USL)USL2 (14)用日有用得热量和平均热损因数的计算实例数据，得该台样品能效系数的相对不确定度为：urelCTP=0.117.82+0.6122=0.05标准不确定度为uCTP=CTPurelCTP=0.300.05=0.015扩展不确定度为UCTP=kuCTP=20.015=0.03能效系数的结果表示为：CTP=0.300.03因测量不确定度的原因，能效等级正好出现了从2级和3级的迁移。3 讨论（1）国标家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级GB 26969-2011的实施，将对各太阳能企业产生重要影响。如产品由企业自检，企业自己评定所生产的太阳能热水器属于哪个等级，则各生产企业要建立相应的太阳能热水器的热性能试验系统，测定日有用得热量与平均热损因数，通过检测可以提升企业的研发能力。（2）2002年北京清华阳光公司受中国农村行业协会太阳能热利用专委会委托，对我国当时