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user: 2. 太阳能集热器热性能测试原理与方法 2.1. 太阳能集热器瞬时效率的计算 太阳能集热器瞬时效率是指在稳态条件下，特定时间间隔内由传热工质从特定的集热器面积上带走的能量与同一时间间隔内入射在该集热器面积上的太阳能之比，亦即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比。 实际获得的有用功率 由式(1)计算： (1) 式中， ——为与平均工质温度相对应的比热值，单位：J/(kg∙℃)； ——为工质的流量，单位：kg/s； ——工质的温升，单位：℃。 法向入射时，集热器接收的太阳太阳辐射功率 为： (2) 式中， ——为太阳能集热器的面积，可以是总面积 ，也可以是采光面积 ，单位：m 2 ； ——为集热器平面上的太阳辐照度，单位：W/m 2 。 由此，太阳能集热器瞬时效率 为： (3) 2.2. 稳态太阳能集热器热性能测试及效率表示方法 2.2.1. 稳态试验条件 根据公式(1)~(3)，为了确定太阳能集热器的效率，需要对集热器面积，集热器采光面总辐照度，散射辐照度，集热器周围空气的温度和风速，传热工质流量和集热器出口温度进行测量。 GB/T 4271 [ 1 ] 对测试期间以上参数变化提出了要求。具体如下： 1) 总辐照度 不得小于700 W/m 2 ，总辐照度的变化小于±50 W/m 2 ，散射辐照度 不应大于总辐照度的30%。 2) 集热器周围空气风速的准确度应为±0.5 m/s。测试期间，集热器周围的环境平均风速应小于4 m/s。 3) 传热工质的流量应根据集热器面积设定在0.02 kg/(m 2 ∙s)左右。在每个测试周期内，流量应稳定在设定值的±1%以内。不同测试周期的流量变化应不超过设定值的±10%。测试周期的概念见2.2.2。 4) 最低进口温度控制在与环境温度之差在±3 K以内，最高进口温度设定在70℃ (平板型太阳能集热器)和80℃ (真空管型太阳能集热器)，中间两个进口温度均匀地取在上述低温与高温之间。 GB/T 4271 [ 1 ] 对于稳态工况进行了定义，以上各个试验参数偏离它们在试验周期内的平均值不超过表1规定的范围，则可以认为在给定的试验周期内集热器处于稳态工况，ISO 9806:2013 [ 2 ] 对于稳态工况的规定也与此类似。 对于测试用传感器的要求如下： 1) 采用ISO 9060 [ 3 ] 中规定的一级总辐射表来测量来自太阳和天空的全部辐射。 2) 环境空气风速的测量准确度应为±0.5 m/s。 3) 测量工质流量的准确度应为±1%。 4) 测量集热器周围空气温度和集热器进、出口传热工质温度的准确度应为±0.1℃。 2.2.2. 测试步骤 根据GB/T 4271 [ 1 ] 的要求，太阳能集热器测试应在晴朗的天气条件下进行，相应的测试条件满足表1的要求，试验结果有效。 在集热器的正常工作温度范围内，平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器最低点进口温度取在与环境温度之差在±3 K以内，平板型太阳能集热器最高进口温度设定在70℃左右，真空管型太阳能集热器最高进口温度应高于环境温度40℃。中间的两个工质进口温度均匀地取在上述低温与高温之间。中温太阳能集热器的工作温度均在100℃以上，其最高温度工作温度的选取应为集热器制造厂商的明示的最高工作温度。 GB/T 4271 [ 1 ] 规定，对于每个工质进口温度，至少取四个独立的稳态数据点。稳态数据点的测试周期应包括至少12分钟的预备期和至少12分钟的稳态测量期。四个稳态数据点是否满足中温太阳能集热器的热性能评价，将通过试验数据进行验证。 Table 1 Permitted range for measured parameters during test perio 参数 平均值允许偏离范围 太阳辐照度 环境空气温度 环境风速 工质质量流量 集热器进、出口工质温度 ±50 W/m 2 ±1 K <4 m/s ±1% ±0.1℃ 表1. 试验周期内测量参数的允许偏离范围 2.2.3. 太阳能集热器效率的表示方法 在GB/T 4271 [ 1 ] 和ISO 9806:2013 [ 2 ] 中规定集热器的瞬时效率应利用最小二乘法进行曲线拟合得出，应根据拟合的紧密程度来选择一次拟合或二次拟合。只有在 为负数时，不选用二次拟合，是因为 为负数时，从能量平衡角度与实际情况不符。 以归一化温差 为参考的瞬时效率方程公式为： 一次拟合： (4) 或二次拟合： (5) 式中， ——集热器瞬时效率，无量纲； ——集热器瞬时效率截距，无量纲； ——集热器总热损系数，单位：W/(m 2 ∙℃)； ——归一化温差，单位：(m 2 ∙℃)/W。 ——以 为参考的系数，单位：W/(m 2 ∙℃)； ——以 为参考的系数，单位：W/(m 2 ∙℃ 2 )。 当使用集热器进口温度 时，归一化温差 可表示为： (6) 当使用传热工质平均温度t m 时，归一化温差 可表示为： (7) 式中， 在《平板型太阳能集热器》GB/T 6424-2007 [ 4 ] 和《真空管型太阳能集热器》GB/T 17581-2007 [ 5 ] 中规定集热器要根据 和 来评定太阳能集热器的性能，对于平板型太阳能集热器，要求 应不低于0.72和 应不大于6.0 W/(m 2 ∙℃)；对于真空管型太阳能集热器，无反射器集热器 应不低于0.60和 应不大于3.0 W/(m 2 ∙℃)来判定是否合格，有反射器集热器 应不低于0.50和 应不大于2.5 W/(m 2 ∙℃)，具体如表2所示，因此在低温集热器热性能测试时均采用一次拟合。目前市场上各个检测机构的报告也是给出一次拟合的太阳能集热器效率曲线。 2.3. 动态太阳能集热器效率表示方法 因为稳态测试方法对于实验过程中天气条件要求比较高，因此在EN 12975-2：2006 [ 6 ] 中除了稳态测试方法，还有提出了一种对测试条件稳定性要求不高的太阳能集热器热性能动态测试方法。表3给出了动态测试和稳态测试方法对试验条件要求的差别 [ 7 ] 。 从表2可以看出，动态测试对太阳辐照度的限制大大放宽，对总辐照度的偏差和散射辐射占总辐射比例均没有限制。而且整个测试过程至少要满足4个典型日(1天晴朗、1天多云和2天多云间晴)的气象条件才能完成。 动态法太阳能集热器的瞬时效率方程公式为： Table 2 Requirement for the thermal performance of solar collecto 集热器类型 技术要求 平板型太阳能集热器 ； W/(m 2 ∙℃) 真空管型太阳能集热器 无反射器： ； W/(m 2 ∙℃) 有反射器： ； W/(m 2 ∙℃) 表2. 太阳能集热器热性能的技术要求 Table 3 Test condition comparison between dynamic and stable test metho 参数 稳态测试 动态测试 条件 偏差范围 条件 范围 太阳总辐照度 散射辐射的比例 环境温度 环境风速 集热器进口温度 工质流量 >700 W/m 2 <30% × <4 m/s 测试要求温度 0.02 kg/(s∙m 2 ) ±50 W/m 2 × ±1 K × ±0.1 K ±1% >300 W/m 2 × × × 测试要求温度 0.02 kg/(s∙m 2 ) × × × × ±1 K ±1% 表3. 动态测试和稳态测试的试验条件要求对比 ×——表示对此项无特殊要求。 (8) 式中， ——直射辐射集热器效率值，无量纲； ——散射辐射集热器效率值，无量纲； ——集热器进出口平均温度等于环境温度时的热损系数，单位：W/(m 2 ∙K)； ——集热器热损的温度相关参数，单位：W/(m 2 ∙K 2 )； ——集热器热损的风速相关参数，单位：J/(m 3 ∙K)； ——集热器热损的长波辐射相关参数，无量纲； ——单位面积的有效热容，单位：J/(m 2 ∙K)； ——集热器效率曲线截距的风速相关参数，单位：s/m； ——温度的变化率，无量纲。 根据国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)的多年测试经验，要满足动态的测试条件，周期大约2~3个月，而采用稳态测试法，一个晴朗的天气即可完成一台太阳能集热器的热性能测试实验。 2.4. 稳态与动态太阳能集热器热性能测试方法比较 国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)的研究成果 [ 7 ] 表明：对于给定的工况，太阳能集热器的稳态测试方法和动态测试方法对于太阳能集热器的热性能表征差别不大。为提高测试效率，本研究采用稳态法进行太阳能集热器热性能测试。