利用太阳能产生热水，是太阳能利用领域最成熟的一种技术。随着人民生活质量的不断提高和环保意识的不断加强，太阳能热水器市场正在不断扩大。据有关部门统计，1998年全国太阳能热水器累计拥有量1500万平方米，当年产品销售总量400万平方米，总产值约35亿元人民币，居世界第一位。广东地区太阳能热水器的推广应用近年来发展也很快，销售量已达15万平方米/年以上。广大老百姓对太阳能热水器的理解和认识正在进一步加深，许多人已经加入或正在选择加入利用太阳能的用户行列。细心的用户为了选择自己心目中的理想产品，自然要比较各厂家关于各自太阳能热水器的节能效果、产水量和产水温度。他们发现，有的厂家称其产品日有效得热4500大卡/m²（1.881´10⁴KJ/m²），每日可产45℃~80℃热水100~120kg/m²；有的产水量100~150kg/m²；有的则只有2000大卡/m²（8.361´10³KJ/m²）左右，产水量为70kg/m²，“最好的”和“最差的”产品的产水量和有效得热相差在一倍以上！

广东地区太阳能热水器的日有效得热究竟多少？单位面积的热水产量又有多少？这些问题的答案是由当地的太阳辐射、气温、风速、水温等气象条件以及太阳能集热器、水箱、管路的结构、材料和保温情况而决定的。

(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：

Q_A=Q_U+Q_L+Q_S

式中Q_A—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

Q_U—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

Q_L—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

Q_S—太阳能热水器贮存的能量，kJ或kcal

上式Q_A=(ta)H_T

Q_U=MC_p(t_e-t_i)或M=Q_U/C_p(t_e-t_i)

Q_L=U_L(T_e-T_a)Dt

Q_S= SC_cDT

其中 H_T—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 %

t_e、t_i、t_a—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

C_p—水定压比热 kJ/kg℃ 或kcal/kg℃

U_L—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

C_c—单位面积太阳能热水器各部分的热容 kJ/ m²℃

T_f—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

(二)倾斜面上的日辐射量月平均值的计算

安装太阳能热水器时，为了获得最大的辐射，在正午时必须尽可能使集热器的采光面垂直于阳光。一般认为，太阳能热水器为全年使用时，集热器的倾角等于当地纬度；热水器为夏季（春分至秋分）使用时，集热器倾角为当地纬度减10⁰；热水器为冬季（秋分至冬至至春分）使用时，集热器倾角为当地纬度加10⁰。广州地区地理纬度为北纬23⁰，太阳能热水器以冬半年使用为主，计算时可选取集热器向南倾斜倾角为33⁰。

(1)倾斜面上太阳辐射日总量月平均值的计算

倾斜面上太阳辐射日总量月平均值可由下式计算：

_T=

式中为水平面上太阳总辐射日总量月平均值

为倾斜面与水平面总辐射日总量之比值

_T为倾斜面太阳辐射日总量月平均值

考虑到倾斜面上的总辐射由直接辐射、散射辐射和地面反射辐射三个部分组成，并假定天空的散射辐射及地面反射辐射为各向同性，则

式中为太阳直射辐射日总量月平均值

为太阳散射辐射日总量月平均值

S为倾斜面与水平面的倾斜角

ρ为地表面的反射率，在无雪覆盖地面时平均取ρ=0.2

为倾斜面与水平面直接辐射日总量之比值

对于正南（方位角r=0⁰）的倾斜面，

式中ω_S——水平面上日落时角

_s——倾斜面上日落时角

δ——太阳赤纬

φ——地理纬度

(2)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。

(三)广东省的太阳辐射资源和气象条件

广东省地处低纬，按总辐射计算，全省大范围为4.18×10⁶～5.434×10⁶kJ/㎡年(100～130万kcal/㎡年)，列全国太阳辐射三、四类地区（资源一般地区）。太阳辐射的地区分布特点是海岛多于大陆，沿海及平原多于山区，东部多于西部。粤东的汕尾市年总辐射量为5.518×10⁶kJ/㎡年，是全省大陆年总辐射最多的地方；北部的连山县辐射量4.14×10⁶kJ/㎡年，是全省最少的地方；日照百分率平均为44％，日照时数大多数地区在1750～2000小时／年，但日平均气温绝大多数地区在10℃以上。

根据广东省气象局提供的历年统计数据，把广州地区的气象条件列如表2供分析参考，其他地区与广州的气象条件大体相似。

根据上述计算公式，按照广州地区Φ=23⁰、S=33⁰，并按表1和表2提供的有关数据，可计算广州地区倾斜面上各月太阳总辐射日总量月平均值，因为广州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F_R(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F_RU_L不高于6.0W/㎡℃（即5.167kcal/㎡℃h），假设广东省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)关于广州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、U_L=4W/㎡、（T_e-T_i）=30℃、Δt=6小时、T_a=T_i，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（广州地区）

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

注：太阳辐射为16720 kJ/㎡（4000 kcal/㎡）

（六）初步结论

根据笔者长期从事太阳能热水器研究和开发的经验，提出以下几点体会：

1.广州（广东）地区太阳辐射资源不丰富，在我国四个太阳辐射资源带中属于资源一般带。广州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%），在广州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%），在广州地区冬半年晴天时（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））。

4.广州地区在极端最低气温的条件下，如果没有辅助加热，即使是晴天，也很难在一天内将每平方米产水量为70kg的太阳能热水器的水升温到40℃。