高效8.2升一体式被动太阳能热水器(IPSWH)

一体被动式太阳能热水器（IPSWH）通常称为面包箱或间歇式太阳能热水器，由一个集成的集热器和储热器构成。其最简单的形式仅由一个水箱构成，外表涂成黑色用以吸收太阳辐射。它的变化形式为放置在一个保温良好箱体内的单个或多个水箱，外表涂成黑色或采用选择性吸收表面，可能安装反射器，以及有1～3层玻璃或塑料或者两者组合的盖板。

第一个IPSWH只是把水箱中的水裸露在阳光下进行加热。这一系统被应用于19世纪美国西南部的一些农场及牧场，据说这种太阳能热水器在晴天的傍晚可以产生足够的热水用于洗浴（Butti和Perlin，1977）。第一个商业化生产的太阳能热水器就是IPSWH，是Kemp在1891年的专利。它在美国马里兰州以“TheClimaxSolar-WaterHeater”的商标名出售。图8.9为Kemp原始专利的复制品。在20世纪70年代的早期到中期，制造和测试了许多不同形式的IPSWH。这一时期最具创新性的一个设计就是Baer于1975年设计的面包箱式太阳能热水器。如图8.10所示，这种太阳能热水器由两个水平安装的圆柱形水箱组成。可移动的隔热盖在白天时打开以增强集热，而在夜间关闭以减少热损失。从20世纪70年代起，其他爱好者在Baer的热水器设计基础上开发并测试了他们自己的集热装置（Bainbridge，1981a，b）。地面安装的被称为“浅太阳池”的系统已被建造（不要与非对流太阳池混淆），它是强太阳辐射条件下的一种低成本太阳能热水器。图8.11为一个浅太阳池的示意图。

对太阳能热水器的经济可行性研究显示，与强制循环系统相比，在温暖气候下IP_- SWH和热虹吸式太阳能热水器是最可行的（Lange，1981；Czarnecki和Read，1978；Fanney和Klein，1983）。

简化的单节点模型假设IPSWH为完全混合的水箱，可以用来预测平均温度以及太阳能节能率。然而，在一个分层的储热水箱中，流出的水是水箱上层最热的水，这部分的水温并不是平均水温，因此，“真实”的太阳能节能率将取决于水箱最上层的温度。由简化模型得出的太阳能节能率始终低于真实值。当确定某个特定系统的经济可行性时，这种过低的预测可能会有重要影响。因为太阳能节能率的预测值偏低，所以相应地会获得相对较低的资金回收率和较长的投资回收期。使用“单节点”分析最关键的问题是在模型中如何将储热平均温度与出口温度相关联，以更准确地预测太阳能节能率。

图8.9 Kemp的一体被动式太阳能热水器专利(www.xing528.com)

图8.10 面包箱式太阳能热水器

图8.11 浅太阳池一体被动式太阳能热水器

在最初预测IPSWH性能的计算机仿真模型中（Garg等，1972），集热器被当作是一个单节点系统，并通过输入适当的参数来预测各种集热器设计在任何时刻（没有取水）的水温。Zollner等（1985）建立了使用测试数据、月平均气候数据和负荷数据确定IPSWH容量的方法，预测一体化集热系统的长期性能。以太阳能月节能率的形式表示的月性能预测，被定义为太阳能保证率（忽略任何辅助护套的损失）。Tully（1983）也建立了IPSWH的“F图”的关联式（Klein等，1976）。IPSWH的设计方法已经被提出（Burns等，1985；Panico和Clark，1984；Proctor，1984；Yeh和Chen，1986），其中给出了对IPSWH性能的假设。测定了改变运行变量对顶部损失和储热传输效率的影响，后者可以用来描述在取水过程中分层效应对出口水温的影响。在热损失的简化模型中，所有的热损失（热辐射、对流和传导）集总为一项，这足以用于分析多水箱的IPSWH机组（Weller等，1985）。Huggins和Block（1984）已建立了IPSWH的测试方法，以预测全年的性能。