GB/T 26977-2011 太阳能空气集热器热性能试验方法

　　ICS 27. 160 F 12

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 26977—2011

　　太阳能空气集热器热性能试验方法

　　Testmethodsforthethermalperformanceofsolaraircollectors

　　2011-09-29发布 2012-08-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 26977—2011

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 符号与单位 1

　　5 集热器的安装与场所 1

　　6 仪器与测量 2

　　7 试验台架 5

　　8 室外稳态效率试验 6

　　9 稳态效率-流量试验 8

　　10 集热器入射角修正系数 8

　　11 太阳能集热器热性能检测报告 8

　　附录 A (规范性附录) 符号和单位 9

　　附录 B (资料性附录) 太阳能空气集热器热性能检测报告格式 11

　　GB/T 26977—2011

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准的制定 参 考 了 欧 洲 标 准 EN 12975-2: 2006《热 太 阳 能 系 统 和 部 件 太 阳 能 集 热 器 试 验方法》。

　　本标准由全国太阳能标准化技术委员会(SAC/TC402)提出并归 口 。

　　本标准起草单位 :云南师范大学太阳能研究所 、中国标准化研究院 、深圳市嘉普通太阳能有限公司 、中国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会 、云南一通太阳能科技有限公司 、河南桑达能源环保有限公司 、皇明太阳能集团有限公司 、广东五星太阳能有限公司 、北京四季沐歌太阳能技术有限公司 、江苏桑夏太阳能产业有限公司 、北京英豪阳光太阳能工业有限公司 、北京雨昕阳光太阳能工业有限公司 、江苏太阳宝新能源有限公司 、山东天丰太阳能制品有限公司 、江苏贝德莱特太阳能科技有限公司 、浙江现代新能源有限公司 、国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京) 、国家太阳能热水器产品质量监督检验中心(武汉) 。

　　本标准主 要 起 草 人 : 谌 学 先 、贾 铁 鹰 、刘 学 真 、霍 志 臣 、李 永 泉 、陈 开 碇 、李 洪 勇 、杨 林 岐 、李 开 春 、赵峰 、程翠英 、孙培雨 、殷建平 、张福宝 、张同伟 、盛林君 、何涛 、范志勇 。

　　Ⅰ

　　GB/T 26977—2011

　　太阳能空气集热器热性能试验方法

　　1 范围

　　本标准规定了太阳能空气集热器热性能的试验方法及计算程序 。

　　本标准适用于利用太阳辐射加热 、有透明盖板 、传热工质为空气的只有单一入口和单一出口的平板型太阳能空气集热器(以下简称平板型集热器) , 以及传热工质为空气的非聚光型全玻璃真空管型太阳能空气集热器(以下简称真空管型集热器) 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB 3100 国际单位制及其应用

　　GB/T 4271 太阳能集热器热性能试验方法

　　GB/T 12936 太阳能热利用术语

　　GB/T 19141 家用太阳热水系统技术条件

　　JJG 458 总辐射表

　　JJG 1032 光学辐射计量名词及定义

　　ISO 9060 太阳能 用 于 测 量 总 辐 射 和 直 接 辐 射 的 侧 量 仪 表 技 术 要 求 与 分 类 (Solar energy— Specification and classification ofinstrumentsformeasuringhemisphericalsolarand directsolarradiation)

　　ISO 9488:1999 太阳能 术语(Solar energy—Vocabulary)

　　3 术语和定义

　　GB 3100、GB/T 12936、GB/T 19141、JJG 1032 和 ISO 9488: 1999 界 定 的 术 语 和 定 义 适 用 于 本文件 。

　　4 符号与单位

　　本标准使用的符号及单位见附录 A。

　　5 集热器的安装与场所

　　5. 1 集热器试验台架

　　集热器试验台架不应遮挡集热器的采光面 , 不应影响集热器背面 、侧面和集热器进出口的隔热保温 。 台架应采用开放式结构 ,不影响空气沿集热器各个面的 自 由流动 。集热器的最低边离地面不应小于 0. 5 m。在屋顶上试验时 , 台架距屋顶边缘的距离应大于 2 m。

　　集热器试验台架应能手动或自动跟踪太阳方位角或高度角 。

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　　GB/T 26977—2011

　　5. 2 倾角

　　对于仅跟踪太阳方位角的试验台架 ,安装集热器时应使采光面与水平面的倾角为当地纬度 ±5°,但不应小于 30°。

　　集热器也可以根据生产厂家的要求和实际安装的倾角进行试验 。

　　5. 3 集热器方位

　　可通过手动或自动的方法使集热器跟踪太阳的方位角 。

　　5. 4 直接辐射的遮挡

　　在试验期间 ,不应有任何阴影投射到集热器上 。

　　5. 5 散射辐射和反射辐射

　　试验场所周围应无反射比大于 0. 2 的物体 。试验期间 ,周围物体表面不应有明显的太阳辐射反射到集热器上 ,天空内不应有遮挡阳光直射集热器的物体 。

　　5. 6 热辐射

　　邻近集热器物体的表面温度应接近环境温度 , 以避免周围物体热辐射(红外)对集热器的影响 。

　　5. 7 风

　　集热器应安装在风能够自由通过其采光面 、背面和侧面的地方 ,与采光面平行的平均风速应保持在8. 3. 2所规定的范围内 。

　　6 仪器与测量

　　6. 1 太阳辐射测量

　　6. 1. 1 总辐射表

　　应使用符合 ISO 9060规定的一级总辐射表对来自太阳和天空的全部辐射进行测量 。

　　6. 1. 1. 1 防止温度梯度影响

　　总辐射表在进行数据采集前应放置于典型的试验位置至少 30 min, 以使总辐射表与所处环境达到热平衡 。

　　6. 1. 1. 2 防止湿气影响

　　应采取适当措施防止湿气在总辐射表上凝结而影响其读数 ,总辐射表应带有易于检验的干燥剂 ,在每次测量前后都应对干燥剂进行观察 ,确认其有效 。

　　6. 1. 1. 3 总辐射表的室外安装

　　总辐射表传感器的安装应与集热器采光口平行 ,两平面平行度相差应小于 ±1°。在试验期间 , 总辐射表不得遮挡集热器采光 口 。 总辐射表应安装在能够接受到与集热器相同直射 、散射和反射太阳辐射的地方 。

　　在室外试验时 ,应将总辐射表座体及其外露导线保护起来 , 以防被太阳晒热 。应减少集热器对总辐

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　　GB/T 26977—2011

　　射表的反射和再辐射 。

　　6. 1. 1. 4 校准周期

　　总辐射表应根据 JJG 458的规定进行校准 。

　　6. 1. 2 直接日射入射角的测量

　　直接日射入射角可用 日晷测量 , 日晷应安装在集热器平面的一侧 。

　　直接日射入射角(θ)也可由太阳时角(w) 、集热器倾角(β) 、集热器方位角(丫) 和试验地的纬度(φ) 计算 ,按式(1)计算 :

　　cosθ= (sinδsinφcosβ) - (sinδcosφsinβcos丫) + (cosδcosφcosβcosw) +

　　(cosδsinφsinβcos丫cosw) + (cosδsinβsin丫sinw) ……………………( 1 )

　　式中 :一年中第 n天的太阳赤纬计算如下 :

　　δ= 23. 45sin[360(284+ n)/365]

　　6. 2 热辐射测量

　　在集热器试验中一般不考虑室外热辐照度的变化对集热器测试的影响 。可以在集热器采光口平面一侧的中间位置安装地球辐射表以测定集热器采光口上的热辐照度 。

　　6. 3 温度测量

　　6. 3. 1 空气进口温度(ti)测量

　　6. 3. 1. 1 测量准确度

　　空气进口温度的测量准确度应为 ±0. 2 ℃ 。

　　6. 3. 1. 2 传感器的安装

　　考虑到流体进口段的影响 ,温度传感器的安装位置距集热器进出口的距离如图 2所示 ,在测温位置上 ,应至少均匀安装 6个温度传感器 ,并取平均温度作为测量值 。对如图 1 所示的圆形管道 ,在圆心位置布置 1个点 ,在离圆心D 的位置均匀布置 5个点 。

　　图 1 空气进口和出口温度传感器推荐安装位置示意图

　　6. 3. 2 空气进出口温度 to 测量

　　集热器进出口温度差的测量准确度应为 ±0. 2 ℃ 。

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　　6. 3. 3 环境空气温度(ta)测量

　　6. 3. 3. 1 测量准确度

　　测量环境空气温度的准确度为 ±0. 5 ℃ 。

　　6. 3. 3. 2 传感器的安装

　　在室外试验时 ,环境温度传感器应安置在距被测集热器 10 m 以内的白色百叶箱中 。 百叶箱安装高度应为集热器中间的高度 ,但百叶箱的距地面高度不应小于 1 m。

　　若使用风机驱动空气流过集热器时 ,风机出口温度与环境空气温度的差应在 ±1℃以内 。

　　6. 4 湿度测量

　　6. 4. 1 测量准确度

　　空气进口湿度(RH)的测量准确度应为 ±2%(10% ~ 90%) 。

　　6. 4. 2 传感器的安装

　　湿度传感器安装在空气进口处 。

　　6. 5 空气质量流量 m. 测量

　　6. 5. 1 测量准确度

　　空气质量流量测量的准确度应为 ±3% 。

　　6. 5. 2 流量计的安装

　　流量计的安装如图 2所示 。为保证测量准确度 ,其进口段 1 和出 口段 1 的长度应不小于 5D,进 口段 2 和出口段 2应不小于 3D。

　　6. 6 风速测量

　　随着流经集热器的空气流动速度增加 ,集热器的热损失相应增加 ,但是风向对于热损失的影响还不清楚 , 因此在集热器效率测试中不测量风向 。

　　进行室外集热器试验时 ,空气流速很少为常数 ,应取试验期间的平均风速 ,空气流速测量的准确度应为 ±0. 5 m/s。

　　6. 7 时间间隔(Δt)测量

　　时间间隔测量的准确度应为 ±0. 2% 。

　　6. 8 测量仪器及数据记录仪

　　测量仪器及测量系统的最小刻度不应超出规定准确度的两倍 。

　　数据处理技术或电子积分仪的准确度应等于或优于测量值的 ±1. 0% 。

　　模拟和数字记录仪的准确度应等于或优于总量程的 ±0. 5% , 时间常数应等于或小于 1 s。 峰值信号指示应在总量程的 50% ~ 100%之间 。

　　6. 9 集热器面积的测量

　　集热器面积(总面积 、采光面积 、吸热体面积或轮廓采光面积)的测量准确度应为 ±0. 1% 。

　　4

　　GB/T 26977—2011

　　7 试验台架

　　7. 1 总体结构

　　图 2 给出了太阳能空气集热器试验台架示意图 。

　　图 2 太阳能空气集热器试验台架示意图

　　7. 2 传热工质

　　在试验期间空气工作的温度和温度范围内 , 由于传热工质一般为湿空气 ,其密度和比热容按式(2)计算 :

　　ρma =ρda +ρV

　　Ps (t)可以从热物理性质表中查取 ,也可从式(3)的拟合公式计算得到 :

　　Ps (t) = exp(6. 42+ 7. 2 × 10-2 × t- 2. 71× 10-4 × t2 + 7. 23× 10-7 × t3 ) ( 3 )

　　式(2)中 ,Rda= 287. 06J/(kg · K) ,RV=461. 52J/(kg · K) , 因此式(2)可写为 :

　　………………………( 4 )

　　湿空气的比定压热容按式(5)计算 :

　　cpma = Xdacpda +XVcpV

　　式(5)中 : d ………………………( 6 )

　　而 cpda、cpV可从干空气和水蒸气的热物理性质表查得 ,也可按下述拟合公式计算得出 ,见式(7) ~

　　式(8) :

　　cpda = 1. 00687× 103 - 8. 722× 10-2 × t+ 1. 236× 10-4 × t2 ( 7 )

　　cpV = 1. 853 14× 103 + 0. 613 3 × t+ 1. 014× 10-3 × t2 ………………( 8 )

　　在确定集热器的热效率曲线 、时间常数和入射角修正系数的试验过程中 , 空气的质量流量应保持一致 。

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　　GB/T 26977—2011

　　7. 3 管道布置与组装

　　管道推荐为圆形 ,外层需作良好的保温及防湿处理 。

　　从空气温度调节器出口到集热器进口之间的管道应保持最短 , 以减少环境对工质进口温度的影响 。但也应充分考虑空气进口段及各种传感器位置对流动的影响 。

　　温度 、压力及流量的测量点和集热器进出口之间的管道应采用隔热和防晒反射涂层进行保护 ,使管道内的温降不超过 0. 5 ℃ 。

　　在流量计或风机的入口前安装空气过滤器 。

　　空气的泄漏对流量测量有很大影响 ,应密封除空气集热器外的所有联接处 ,使空气泄漏小于额定工作量的 1% 。

　　7. 4 风机及流量控制装置

　　根据集热器的工作特点 ,在如图 2 所示的测试台架上设置两个变频风机 , 当集热器在正压下工作时 ,用变频风机 1 提供气流 , 当集热器在负压下工作时 ,用变频风机 2 提供气流 。

　　安装在空气集热器试验回路中的风机 ,应不影响集热器温度控制或温度测量 。

　　试验期间 ,在任何进口温度下 ,风机及流量控制装置应能维持稳定的流量 , 流量的变化范围应稳定在 ±3%以内 。

　　7. 5 空气温度调节

　　集热器试验回路应在集热器工作的温度范围内 ,具有保持集热器进口温度恒定的能力 , 同时应避免集热器进口温度的漂移 。

　　8 室外稳态效率试验

　　8. 1 试验装置

　　集热器的安装应符合第 5 章的规定 ,试验回路的连接应符合第 7 章的规定 。 空气一般应从集热器进口流到出 口 ,也可以根据生产厂家的要求确定集热器中空气的流向 。

　　8. 2 集热器试验前处理

　　试验前应对集热器进行外观检查 ,并做好记录 。

　　试验前应对集热器采光口的盖板表面 、真空管表面或反射器表面进行彻底清洁 。

　　如果集热器部件上有水汽 ,应使用热空气在集热器中循环一段时间 ,烘干隔热材料和集热器外壳 。如果进行该项处理 ,应在检侧报告中加以说明 。

　　8. 3 试验条件

　　8. 3. 1 太阳辐照度

　　试验期间 ,集热器采光面上的总太阳辐照度应不小于 700W/m2 ,试验期间总太阳辐照度的变化应不大于 ±50W/m2 。

　　8. 3. 2 风速

　　试验期间 ,周围环境风速不应高于 4 m/s。

　　8. 3. 3 环境湿度

　　试验期间 ,周围环境空气湿度(RH)不应高于 80% 。

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　　8. 3. 4 工质质量流量

　　工质质量流量根据生产厂家推荐的流量值进行试验 。

　　8. 3. 5 直接日射入射角

　　集热器采光口上的直接日射入射角应保持在该入射角的 ±2. 5°的范围之内 。

　　8. 4 试验程序

　　为了测定集热器的效率特性 ,集热器试验应在晴朗天气条件下集热器的工作温度范围内进行 。对于数据点的选取 ,应在集热器工作温度范围内至少取四个间隔均匀的空气进口温度 。

　　为了获得 η0,其中一个进口温度应使集热器空气平均温度与环境空气温度之差在 ±5 ℃之内 。应根据集热器的最高工作温度确定最高空气进口温度 。

　　对每个空气进口温度至少取四个独立的数据点 ,每个瞬时效率点的测定时间间隔应不少于 3 min。

　　在试验期间 ,应按 8. 5 中所规定的项 目进行测量 。 在上述时间间隔内 , 每分钟至少一次定时采集8. 5 中 b) 、c) 、d) 、e) 、f)、g) 、h) 、i) 、j)测量参数的数据 , 以其算术平均值作为该参数的测定值 。

　　8. 5 测量

　　应对以下参数进行测量 :

　　a) 集热器总面积 AG、吸热体面积 AA、采光面积 Aa 和轮廓采光面积 Ac ;

　　b) 太阳能空气集热器采光面上太阳辐照度 G;

　　c) 太阳能空气集热器采光面上散射太阳辐照度 Gd ;

　　d) 直接日射入射角 θ(通常由计算得出) ;

　　e) 环境风速 u;

　　f) 环境空气温度 ta;

　　g) 空气进口平均温度 ti ;

　　h) 空气出口平均温度 te;

　　i) 空气质量流量ṁ;

　　j) 进口空气湿度 。

　　8. 6 试验周期(稳态)

　　稳态数据点的试验周期应包括至少 12 min的预备期和至少 12 min的稳态测量期 。

　　如果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 ,则可认为在给定试验周期内集热器处于稳态工况 。

　　表 1 试验周期内测量参数的允许偏离范围

　　参数

　　平均值允许偏离范围

　　太阳辐照度

　　±50W/m2

　　环境空气温度

　　±0. 5 ℃

　　空气质量流量

　　±1. 5%

　　集热器进口空气温度

　　±0. 5 ℃

　　进口空气相对湿度

　　±3%

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　　8. 7 试验结果的表示

　　应对测量结果进行整理 ,形成一组满足稳态运行试验条件的数据点 。

　　8. 8 集热器效率的计算

　　对非聚光集热器 ,效率按式(9)进行计算 :

　　cpma (tf,e -tf,i)/AgG) …………………………( 9 )

　　由于空气集热器的泄漏 ,进出口传热工质的流量将有不同 ,应考虑空气泄漏对集热器效率的影响 。

　　若集热器在正压下工作时 ,泄漏流量 m.L 为进出口流量之差 ,见式(10) :

　　m.L =m.e - m.i ( 10 )

　　当集热器在负压下工作时 ,部分环境空气将会被吸入集热器 ,实际有用能见式(11) :

　　qu =m.ehf,e - (m.ihf,i - m.Lha) ( 11 )

　　若忽略集热器中与环境空气中的湿度差别 ,假定热容为常数 ,式(4)可表示为式(12) :

　　qu =m.ecp (tf,e -tf,i) + (m.e - m.i)cp (tf,i -ta) ( 12 )

　　所以 ,式(2)中的流量 m. 应为式(13) :

　　m. =m.e + (m.e - m.i)(tf,i -ta)/(tf,e -tf,i) ………………………( 13 )

　　当集热器在正压下工作时 , 由于加热的空气部分从集热器进入环境 ,减少了有用能 ,相当于增加了集热器热损 ,此时在上述公式仍适用 ,但 m.L<0。

　　9 稳态效率-流量试验

　　在集热器设计的最小流量与最大流量间包括最小流量与最大流量间均匀取 5 个流量 ,按第 8 章的方法进行试验 ,得到一组不同 m. 下的 η值 ,并绘制出 η-m. 的曲线 。

　　10 集热器入射角修正系数

　　根据 GB/T 4271规定的方法进行试验和计算 。

　　11 太阳能集热器热性能检测报告

　　太阳能集热器热性能检测报告格式见附录 B。

　　8

　　GB/T 26977—2011

　　附 录 A (规范性附录)符号和单位

　　表 A. 1 为本标准使用的符号和单位 。

　　表 A. 1 符号和单位

　　符号

　　意 义

　　单位

　　AA

　　集热器的吸热体面积

　　m2

　　Aa

　　集热器的采光面积

　　m2

　　Ac

　　集热器的轮廓采光面积

　　m2

　　AG

　　集热器总面积

　　m2

　　a1

　　以 Ti* 为参考的系数

　　W/(m2 · ℃)

　　a2

　　以 Ti* 为参考的系数

　　W/(m2 · ℃)

　　C

　　集热器的有效热容

　　J/℃

　　cpda

　　干空气比热容

　　J/(kg · ℃)

　　cpma

　　湿空气比热容

　　J/(kg · ℃)

　　cpV

　　水蒸气的比热容

　　J/(kg · ℃)

　　D

　　管道内径

　　mm

　　d(t)

　　含湿量

　　1

　　F′

　　集热器效率因子

　　1

　　FR

　　集热器热转移因子

　　1

　　G

　　总太阳辐照度

　　W/(m2 )

　　Gb

　　直射太阳辐照度

　　W/(m2 )

　　Gd

　　散射太阳辐照度

　　W/(m2 )

　　h

　　空气的焓

　　kJ/kg

　　Kθ

　　入射角修正系数

　　1

　　m

　　空气质量

　　kg

　　ṁ

　　空气质量流量

　　kg/s

　　Pma

　　湿空气压力

　　Pa

　　Ps (t)

　　对应于温度 t的水蒸气饱和压力

　　Pa

　　PV

　　水蒸气分气压力

　　Pa

　　Q̇

　　从集热器获得的有用功

　　W

　　Q̇L

　　集热器损失功率

　　W

　　Rda

　　干空气气体常数

　　1

　　9

　　GB/T 26977—2011

　　表 A. 1 (续)

　　符号

　　意 义

　　单位

　　RV

　　水蒸气气体常数

　　1

　　XV

　　水蒸气的质量分数

　　1

　　Xda

　　干空气的质量分数

　　1

　　T

　　绝对温度

　　K

　　ta

　　环境或周围空气温度

　　℃

　　te

　　集热器空气出口温度

　　℃

　　Ti*

　　归一化温差= (ti-ta)/G

　　(m2 · ℃)/W

　　ti

　　集热器空气进口温度

　　℃

　　Tm(*)

　　归一化温差= (tm -ta)/G

　　(m2 · ℃)/W

　　tm

　　空气平均温度

　　℃

　　U

　　以 Ti* 为参考的集热器总热损系数

　　W/(m2 · ℃)

　　u

　　环境或周围空气风速

　　m/s

　　U

　　췍

　　以 Tm(*) 为参考的集热器总热损系数

　　W/(m2 · ℃)

　　UL

　　具有均匀吸热体温度 tm 的集热器总热损系数

　　W/(m2 · ℃)

　　Δt

　　时间间隔

　　s

　　ΔT

　　工质进 、出 口温差(te -ti)

　　℃

　　β

　　相对于水平面的倾角

　　θ

　　入射角