太陽能熱水器防風、抗雪性能檢測方法及標準探討
時間:2010-03-22 21:10 太陽能產業聯盟網 點擊:次 我要評論（）
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現行的國家標準把太陽能熱水器的防風抗雪性能歸在支架的剛度、強度里，對支架剛度、強度的檢測在實際操作中不具備它應該有的檢測意義
太陽能熱水器防風、抗雪性能檢測方法及標準探討太陽能產業聯盟
嚴宇夏 馮杰 尤濱乾 全建洪21TYN.COM
現行的國家標準把太陽能熱水器的防風抗雪性能歸在支架的剛度、強度里，對支架剛度、強度的檢測在實際操作中不具備它應該有的檢測意義。當前，大部分熱水器生產企業本身不生產支架，未給企業提出相關技術建議，從而易導致太陽能熱水器產生缺陷。21tyn.com
本文對國家標準中有關太陽能熱水器防風抗雪性能的規定進行了分析，對檢測原理及方法作出了探討，提示條件較好的企業應針對自身產品的防風、抗雪性能的檢測方法及標準進行研究和完善。21tyn
1標準中有關防風抗雪性能的規定www.21tyn.com
在GB/T18713-2002《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》的7.1.2風載中有這樣的規定：系統安裝在室外的部分應能經受不低于10級風的負載；如果當地歷史最大風力高于10級，則按當地歷史最大風力設計。在7.3支架中有這樣的規定：支架應根據設計要求選取材料，并符合GB/T700和GB/T714規定的要求。材料在使用前應進行矯正。支架的焊接應按設計要求進行，并符合GBJ205規定的要求。支架應進行防腐處理。支架應采用螺栓或焊接固定在基礎上，并應確保強度可靠、穩定性好。為確保自然循環、泄水及防凍回流等需要，設計時有坡度要求的支架應按設計要求安裝。熱水系統如采用建在樓頂防水層上的基礎時，支架可擺放在基礎之上，然后把各排支架用角鋼等材料聯結在一起并與建筑物相連，提高抗風能力，以滿足7.1.2的要求。www.21tyn.cn
在NY/T651-2002《家用太陽熱水系統安裝、運行維護技術規范》的4.2承壓中有這樣的規定:對于閉式承壓系統，系統中的任何部件及連接處至少應能承受該部件及連接處最大工作壓力的1.5倍壓力；對于開式系統，系統中的任何部件及連接處應能承受該部件及連接處最大工作壓力。在6.2.1一般要求中有這樣的規定：系統的固定方式和緊固件應能承受當地歷史最大風速引起的載荷。緊固件在系統壽命期內應不需要維修。www.21tyn.com
在GB/T19141-2003《家用太陽熱水系統技術條件》的6.3.3支架中有這樣的規定：家用太陽熱水系統支架應具有足夠的強度，并能符合本標準7.7規定的試驗。家用太陽熱水系統支架應具有足夠的剛度，并能符合本標準7.7規定的試驗。在6.5.2抗風性中有這樣的規定：家用太陽熱水系統安裝在室外的部分應有可靠的抗風措施。在7.7中對支架的強度和剛度試驗是這樣規定的：7.7.1將未注人水的家用太陽熱水系統按實際使用時的傾角放置，然后把支架的任意一端從地面抬起100mm，保持5min，放下后，檢查各部件及它們之間的連接處有無破損或明顯的變形。7.7.2將注滿水的家用太陽熱水系統按實際使用時的傾角放置，然后在支架中部附加貯水容量20%的重量，保持15min，檢查支架有無破損或明顯的變形。21tyn.cn
在GB/T20095-2006《太陽熱水系統性能評定規范》的8.6.1系統支架中有這樣的規定：太陽熱水系統的支架材料應有質檢合格證明。系統支架的抗風措施應符合GB50009的要求。鋼支架焊接應符合GB50205的要求，防腐措施應符合GB50212和GB50224的要求。www.21tyn.com
綜上可見，現有標準對太陽能熱水器抗雪性能的規定未予明確，對防風性試驗的規定則過于籠統。僅有的對支架剛度的試驗，在實際檢測中發現：基本上所有被檢測的太陽能熱水器都能通過這項試驗，但是卻有一部分合格品在實際使用中發生了坍塌、整臺熱水器被吹落的事故。www.21tyn.com
2防風性能要求分析www.21tyn.com
防風性能檢測的目的是為保證太陽能熱水器在特定風力條件下不受損壞。根據GB/T19201-2006《關于實施熱帶氣旋等級國家標準》，熱帶氣旋按中心附近地面最大風速劃分為六個等級：21tyn·com
超強臺風（SuperTY）:底層中心附近最大平均風速≥51.0米/秒，也即16級或以上。21tyn·com
強臺風（STY）:底層中心附近最大平均風速41.5-50.9米/秒，也即14-15級。中國太陽能產業聯盟網
臺風（TY）:底層中心附近最大平均風速32.7-41.4米/秒，也即12-13級。www.21tyn.cn
強熱帶風暴(STS):底層中心附近最大平均風速24.5-32.6米/秒，也即風力10-11級。21tyn.cn
熱帶風暴(TS):底層中心附近最大平均風速17.2-24.4米/秒，也即風力8-9級。21tyn.com
熱帶低壓(TD):底層中心附近最大平均風速10.8-17.1米/秒，也即風力為6-7級。21tyn.cn
風壓是垂直于氣流方向的物體表面所受到的風的壓強。在建筑荷載上，風壓稱為基本風壓，而建筑物上實際受到的風壓稱為風荷載。對于主要的承重結構，風荷載標準值的表達可有兩種形式，一種是基本風壓加上由脈動風引起結構風振的等效風壓；另一種為基本風壓乘以風振系數。由于風振系數βz綜合了結構在風荷載作用下的動力響應，因而我國與大多數國家相同，采用Wk=βzμsμzWo的表達形式。對于圍護結構考慮脈動風瞬間的增大因素，通過陣風系數βgz來計算風荷載，即Wk=βgzμsμzWo(Wk-風荷載標準值;Wo-基本風壓;βz-高度z處的風振系數;βg-陣風系數;μz-風壓高度變化系數;μs-風荷載體型系數)。風荷載的取值都是在基本風壓的基礎上進行計算的。中國太陽能產業聯盟網
現行《建筑結構荷載規范》確定的基本風壓計算方法為離空曠平坦地面上十米高、自記十分鐘平均年最大風速。據該風速數據，經統計分析確定重現期為50年的最大風速，作為當地的基本風速，再按伯努利風-壓普遍應用關系式：www.21tyn.cn
Wo=1/2ρv02（1）中國太陽能產業聯盟網
確定基本風壓，單位為kN/m2。21tyn.com
公式中ρ-空氣密度；v0-重現期為50年的最大風速。21TYN.COM
空氣密度按下述公式進行修正：21tyn
ρ=1.276×10-8/(1+0.00366t)(p-0.378)（2）www.21tyn.com
式中ρ-空氣密度（T/m3），t-空氣溫度（℃），p-氣壓（Pa），e-水汽壓（Pa）。p，t，e可采用累年最大風速出現時的p，t，e計算；或用累年最大風速出現月份的累年平均p，t，e計算。太陽能產業聯盟
空氣密度也可根據當地的高度（z）按公式中國太陽能產業聯盟網
ρ=0.00125e-0.0001z（T/m3）（3）www.21tyn.cn
近似估算。21tyn
3防風性能檢測方法設計太陽能產業聯盟
我們可以模擬臺風刮在太陽能熱水器上時支架的受力情況來設計一個等效試驗，利用拉力磅的拉力來再現風吹在太陽能熱水器上產生的分壓。由于風作用在太陽能熱水器上的力是各個方向的，有時候還會產生扭力，所以在設計試驗的時候應盡量考慮到這種情況。中國太陽能產業聯盟網
試驗方法1：將注滿水的太陽能熱水器按其使用時的傾角固定，然后對水箱均勻施加一個水平向后的拉力F（F=W*A1，其中，風壓W按1.2所述的方法計算，受力面積A1按太陽能熱水器向垂直平面投影的面積測量），并在左右側的后支架中部同時或交替施加10N的水平拉力，檢查太陽能熱水器各部分有無破損或明顯的變形(如圖1)。此方法用于檢測太陽能熱水器的正面抗風性能。www.21tyn.cn
試驗方法2：將注滿水的太陽能熱水器按其使用時的傾角固定，然后對水箱均勻施加一個水平向前的拉力F（計算方法同上），并在左右側的前支架中部同時或交替施加10N的水平拉力，檢查太陽能熱水器各部分有無破損或明顯變形(如圖2)。此方法用于檢測太陽能熱水器的背面抗風性能。21TYN.COM
試驗方法3：將注滿水的太陽能熱水器按其使用時的傾角固定，然后對水箱均勻施加一個垂直右（左）側面向左（右）的推力F（F=W*A2，其中，受力面積A2按太陽能熱水器向側面投影的面積測量，W的計算同上），并在其左（右）側的前后支架中部同時或交替施加10N與F方向平行的拉力，檢查太陽能熱水器各部位有無破損或明顯變形(如圖3)。此方法用于檢測太陽能熱水器的側面抗風性能。21TYN.COM
4抗雪性能要求分析21tyn
抗雪性能檢測要求是保證太陽能熱水器在壽命期內能抵抗所能預見的最大積雪災害。www.21tyn.cn
雪荷載是指施加在太陽能熱水器外露面上的積雪重量。雪荷載值S由地面積雪重量即基本雪壓So乘以太陽能熱水器表面積雪分布系數μr確定：中國太陽能產業聯盟網
S＝μrSo（4）中國太陽能產業聯盟網
基本雪壓是一般空曠平坦地面按一定重現期統計而得的年最大積雪量（相當于該一定年限基準期最大積雪重量分布的某一分位值）。太陽能熱水器積雪因受到朝向、風力以及熱量散發等影響，一般與氣象站在野外平坦地面所測定的積雪有一定的差別。21TYN.COM
我國基本雪壓分布情況是，新疆北部是我國突出的雪壓高值區，冬季雪量豐富加上溫度底，積雪融化慢，新老雪迭加形成特大雪壓，阿爾泰山區達1KN/m2；東北地區大興安嶺及長白山區也是一個雪壓高值區，可達0.7KN/m2以上；但吉林西、遼寧北地區雪少，雪壓僅在0.2KN/m2左右；長江中下游及淮河流域是我國稍南地區一個雪壓高值區，該區不少城市雪壓達0.4～0.5KN/m2；川西滇北山區雪壓也高，因該區海拔高、溫度低，濕度大、積雪不多雪壓在0.4～0.7KN/m2以上，華北及西北大部分地區冬季降雪較少，雪壓也較小一般為0.2～0.3KN/m2。去年年底的大雪使得江浙地區最厚的積雪達到30cm以上。據測算,當積雪厚度為30cm左右時,每m2雪重量可達30kg。21tyn·cn
當無雪壓記錄時，可間接采用積雪深度，按下式計算雪壓：太陽能產業聯盟
S=hρg（kN/m2）（5）21tyn.cn
式中h—積雪深度，指從積雪表面到地面的垂直深度(m)；ρ—積雪密度(t/m3)；g—重力加速度，9.8m/s2。21tyn·cn
5抗雪性能檢測方法設計21tyn
我們可以模擬雪蓋在太陽能熱水器上的方式和重量來設計一個等效試驗。利用可以拼裝拆卸組成各種重量的扁形沙袋來代替積雪，并在真空管和沙袋之間墊一片薄型橡膠墊防止沙袋在試驗時滑落。沙袋放置時既要考慮積雪均勻全分布的情況，也要考慮上部因積雪融化下滑后與下部積雪凝結而產生不均勻分布的最不利情況。
將注滿水的太陽能熱水器按其使用時的傾角放置，然后在真空管上披上總質量為M的沙袋（每批沙袋的質量可設為5kg；一般南方地區M可取30kg/m2，北方地區M可取50kg/m2；特殊情況可依據2.2所述方法或根據GB50009-2001建筑結構荷載規范中全國各城市50年一遇風壓-雪壓表來確定沙袋的重量，得出的值近似到5kg的倍數），保持10min后，將1/4數量的沙袋從上向下對折2次，然后再將1/2數量的沙袋從上向下對折1次，保持10min，檢查太陽能熱水器有無破損或明顯變形（如圖4）
6結語
太陽能熱水器防風抗雪性能的優劣直接關系到太陽能熱水系統的可靠性、安全性和使用壽命。這方面的工作，浙江英特瑪太陽能電器有限公司正在研究。通過研究，我們發現支架薄的太陽能熱水器抵御風雪災害的能力上遠不如支架厚的強，同時支架的外觀造型對其防風抗雪性能也影響較大，這就提醒我們按照防風抗雪性能的要求對支架的外觀設計和選材厚度進行綜合考量。另外，為保證太陽能熱水器更長的時間里不因為外力作用而倒塌，我們除了要保證材料的選擇和確保厚度外，還必須設法增強其抗腐蝕老化的能力，從而使其性能指標與太陽能熱水器的整體使用壽命相協調。隨著太陽能熱水器行業技術的不斷發展，現在分體式太陽能熱水器和熱管已被越來越廣泛的采用，太陽能和建筑一體化應用正在為產品的防風抗雪性能提出新的解決方案。
（責任編輯：未予）
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