設(shè)計(jì)與選定陽臺(tái)（南墻）式太陽能集熱器傾角

1引言 　　由于高層建筑南墻上有豐富的太陽能資源，所以，太陽能與高層建筑南立面相結(jié)合具有獨(dú)特優(yōu)勢，但在生產(chǎn)和安裝應(yīng)用中常出現(xiàn)對陽臺(tái)（南墻）式太陽能集熱器（以下簡稱陽臺(tái)集熱器）傾角處理不當(dāng)?shù)膯栴}，導(dǎo)致太陽能熱水器效果極差，非常值得重視。 　　本文對陽臺(tái)集熱器太陽能采光朝向赤道的情況進(jìn)行分析，提出確定陽臺(tái)集熱器傾角三原則，并按每隔4°為一個(gè)緯度帶，作針對性分析，從而給出不同緯度帶的陽臺(tái)集熱器傾角的推薦值和建議。 　　2確定陽臺(tái)集熱器傾角的原則 　　2.1對常規(guī)太陽熱水器使用經(jīng)驗(yàn)的借鑒 　?。?）加大傾角，照顧冬季。 　　傳統(tǒng)教科書總是推薦太陽集熱器的傾角S為夏季用：S=Φ -（5°-10°） 　　冬季用：S=Φ +（5°-10°） 　　全年用：S=Φ 　　然而我們實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)總是夏天熱水用不完，冬季不夠用；其熱性能計(jì)算也說明傾角S=Φ +5°時(shí)夏季有用得熱和產(chǎn)水量比冬季要高70%~80%，當(dāng)傾角S=Φ +8°時(shí)，夏季比冬季的前述值是20%~30%，當(dāng)傾角S=Φ +23°時(shí)，其值為10%，全年比較均衡。 　?。?）集熱器陣列前后不遮擋陽臺(tái)集熱器當(dāng)然也要上下不遮擋。 　　2.2 陽臺(tái)集熱器的傾角設(shè)計(jì)三原則 　?。?）照顧冬季 　　要加大傾角，使冬至太陽高度角最低時(shí)太陽光能直射在集熱器表面。即需傾角為S=Φ +23.5°，在此基礎(chǔ)上再予調(diào)正。 　?。?）上下不遮擋 　　（3）南立面美觀 　　這是陽臺(tái)集熱器特有的問題，幸好集熱器傾角有調(diào)正空間可滿足這一要求。 　　3陽臺(tái)集熱器的采光分析 　　如圖1所示，H是層高，B是集熱器寬度，Ld是集熱器前端伸出長度，Lt是調(diào)正后的集熱器前端伸出長度。Sy是按S=Φ +23.5°確定冬季傾角，這反映在圖1a中，這時(shí)冬至日陽光垂直入射到集熱器采光面上，但夏至日投射的太陽射線卻被集熱器前端遮擋而到不了下層集熱器采光面上。為此，需犧牲冬至垂直入射的優(yōu)點(diǎn)而將上下集熱器傾角再予加大，使集熱器伸出端由A 點(diǎn)縮至B點(diǎn)，Ld 變?yōu)長t，使夏至日陽光可照射到下層集熱器，這如圖1b 夏至無遮角圖所示，此時(shí)傾角由Sy變?yōu)镾t。此時(shí)可按集熱器寬度B 為半徑經(jīng)兩次迭代作圖求得。 　　4不同緯度帶傾角圖解 　　中國可使用陽臺(tái)集熱器的地區(qū)分為6個(gè)緯度帶： 　　（1）Φ 28：與長沙、遵義所處緯度帶相近地區(qū)； 　?。?）Φ 32：與合肥、南京所處緯度帶相近地區(qū)； 　　（3）Φ 36：與青島、蘭州所處緯度帶相近地區(qū)； 　?。?）Φ 40：與北京、敦煌所處緯度帶相近地區(qū)； 　?。?）Φ 44：與烏魯木齊、長春所處緯度帶相近地區(qū)； 　?。?）Φ 48：與阿勒泰、黑河所處緯度帶相近地區(qū)。 　　如圖2所示，按上述采光分析法，不難看清這些圖解過程，據(jù)此，可對任何緯度傾角作出相應(yīng)對照。 　　北緯28°，幾乎是陽臺(tái)集熱器應(yīng)用的最低緯度，從圖2可見，為避免上下遮擋，集熱器寬度為700mm，且傾角由52°調(diào)正為76°，圖2 前端由伸出431mm縮小到167mm，但再寬的集熱器就不合適了。 　　由圖3可見，在給出優(yōu)化角56°后，三種寬度上下都有遮擋，需分別調(diào)正到67°、71°和74°，這些角度從現(xiàn)有配水量（52kg/m2）來看，不論實(shí)踐和計(jì)算都可行。 　　由圖4可見，緯度36°可認(rèn)為是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此選優(yōu)化角而產(chǎn)生一點(diǎn)上下遮擋，可不予理會(huì)，如從建筑美觀考慮，將傾角加大到75°也可。 　　由圖5可見，到了較高緯度40°，再選定優(yōu)化角后，上下已無遮擋，如出于建筑考慮，其傾角還有可加大到垂直的可能。 　　由圖6可見，緯度更大，在優(yōu)化角下，而不會(huì)上下遮擋，建筑師會(huì)有更大空間。 　　由圖7可見，陽臺(tái)集熱器在緯度越高的地帶越有優(yōu)勢，到了高緯度，其自由空間就更大了。 　　5結(jié)論 　　（1）優(yōu)化角是當(dāng)?shù)鼐暥燃?3.5°，是陽光垂直照射集熱器采光面；（2）陽臺(tái)集熱器在高緯度地帶具有優(yōu)勢，其低緯度只能用到28°；（3）陽臺(tái)集熱器傾角的確定要兼顧冬季、上下不遮擋和南立面美觀三原則；（4）陽臺(tái)集熱器在緯度接近40°及其以上才可考慮垂直安裝，但小于48°不推薦垂直安裝；（5）低緯度28°，只能使用較窄的集熱器（700mm），傾角為75°；（6）75°可認(rèn)為是一個(gè)廣適傾角。（湖北金威新能源科技有限公司/高元運(yùn)）