陽(yáng)臺(tái)式太陽(yáng)能集熱器的傾角設(shè)計(jì)與選定

在太陽(yáng)能城市化進(jìn)程中，其在高層建筑南立面的結(jié)合與應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楦邔咏ㄖ蠅ι嫌胸S富的太陽(yáng)能資源，甘肅自然能源研究所曾為此提出過(guò)《南墻計(jì)劃》的概念，陽(yáng)臺(tái)（南墻）式平板太陽(yáng)能熱水器也因此而得到蓬勃發(fā)展，受到普遍歡迎，成為政府部門在房屋建筑中強(qiáng)制推行太陽(yáng)能熱利用的重要內(nèi)容。

　　但太陽(yáng)能企業(yè)在生產(chǎn)和安裝應(yīng)用中，常常會(huì)因?qū)μ?yáng)能的日地運(yùn)動(dòng)不甚了解而出現(xiàn)一些十分低級(jí)的錯(cuò)誤。一個(gè)突出的問(wèn)題就是對(duì)陽(yáng)臺(tái)（南墻）式太陽(yáng)能集熱器（以下簡(jiǎn)稱陽(yáng)臺(tái)集熱器）的傾角處理不當(dāng)。如在南京，合肥這樣緯度(Φ)較低的地方采用了將集熱器在陽(yáng)臺(tái)上垂直安裝的方案，豈不知當(dāng)夏至日前后，太陽(yáng)高度角很大（夏至日αs=81.5°），試想還有多少太陽(yáng)能照在集熱器上，造成太陽(yáng)能熱水器效果極差，這種問(wèn)題在知名的太陽(yáng)能和家電企業(yè)都有發(fā)生，而且為數(shù)不少。也有太陽(yáng)能企業(yè)鬧出在廣東珠海和海南島五指山裝常規(guī)陽(yáng)臺(tái)熱水器的笑話。凡此種種說(shuō)明陽(yáng)臺(tái)集熱器的傾角對(duì)生產(chǎn)制造和設(shè)計(jì)應(yīng)用部門都是一個(gè)值的重視的問(wèn)題。

　　本文對(duì)陽(yáng)臺(tái)集熱器的太陽(yáng)能采光基于朝向赤道的情況進(jìn)行分析，在找出其規(guī)律后提出確定陽(yáng)臺(tái)集熱器傾角的三原則，并按每隔4°為一個(gè)緯度帶，作了針對(duì)性的分析，從而給出了不同緯度的陽(yáng)臺(tái)集熱器傾角的推薦值和建議。

　　一個(gè)優(yōu)秀的陽(yáng)臺(tái)熱水器還涉及總體系統(tǒng)方案，關(guān)鍵器件的熱工和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工制造工藝等方面，但由于其自身的特點(diǎn)，傾角成為首當(dāng)其沖的問(wèn)題。

　　確定陽(yáng)臺(tái)集熱器傾角的原則

　　1.對(duì)常規(guī)太陽(yáng)能熱水器使用經(jīng)驗(yàn)的借鑒

　　1）加大傾角，照顧冬季。

　　傳統(tǒng)教科書總是推薦太陽(yáng)能集熱器的傾角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(shuō)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。陽(yáng)臺(tái)集熱器由于應(yīng)用部位的原因，不得不使用較大的傾角，這真是適逢其時(shí)。

　?。?）集熱器陣列前后不遮擋，對(duì)于陽(yáng)臺(tái)集熱器當(dāng)然也要上下不遮擋的。

　　2.陽(yáng)臺(tái)集熱器的傾角設(shè)計(jì)三原則

　?。?）照顧冬季。這就要加大傾角，使冬至太陽(yáng)高度角最低時(shí)太陽(yáng)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)整。

　?。?）上下不遮擋。

　?。?）南立面美觀。這是陽(yáng)臺(tái)集熱器特有的問(wèn)題，幸好集熱器傾角有調(diào)整空間，可以滿足這一要求。

　　陽(yáng)臺(tái)集熱器的采光分析

　　圖1是一個(gè)陽(yáng)臺(tái)集熱器的采光分析圖，其中H是層高，B是集熱器寬度，Ld是集熱器前端伸出長(zhǎng)度，Lt是調(diào)整后的集熱器前端伸出長(zhǎng)度。Sy是按S=Φ+23.5°所確定的照顧冬季的傾角，這反映在圖1a)中，這時(shí)，我們看到冬至日陽(yáng)光垂直入射到集熱器采光面上，但夏至日投射的太陽(yáng)射線卻被集熱器前端所遮擋而到不了下層集熱器的采光面上。為此，我們需要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(zhǎng)t，從而使夏至日的陽(yáng)光可以照射到下層集熱器，這如圖1b)夏至無(wú)遮角圖所示，此時(shí)傾角由Sy變?yōu)镾t。這個(gè)角度可按集熱器寬度B為半徑經(jīng)兩次的迭代作圖求得。

　　以下是不同緯度帶傾角的圖解我們將中國(guó)可使用陽(yáng)臺(tái)集熱器的地區(qū)分為6個(gè)緯度帶：

　　1）φ28：與長(zhǎng)沙、遵義所處緯度帶相近的地區(qū)；

　　2）φ32：與合肥、南京所處緯度帶相近的地區(qū)；

　　3）φ36：與青島、蘭州所處緯度帶相近的地區(qū)；

　　4）φ40：與北京、敦煌所處緯度帶相近的地區(qū)；

　　5）φ44：與烏魯木齊、長(zhǎng)春所處緯度帶相近的地區(qū)；

　　6）φ48：與阿勒泰、黑河所處緯度帶相近的地區(qū)。

　　圖2是這些圖解，按上述采光分析方法，不難看清這些圖解過(guò)程，據(jù)此，可對(duì)任何緯度的傾角作出相應(yīng)的結(jié)果。北緯28°，幾乎是陽(yáng)臺(tái)集熱器應(yīng)用的最低緯度了，從圖解中可見，為了避免上下遮擋，集熱器的寬度選為700mm，且傾角由優(yōu)化的52°調(diào)整為76°，圖中的前端由伸出431mm縮小到167mm，基本可以，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，看出三種寬度上下都是有遮擋的，需分別調(diào)整到67°、71°和74°，將集熱器前端伸出減小，這樣對(duì)建筑美觀也有好處，這些角度從現(xiàn)有的配水量（52kg/m2）來(lái)看，不論實(shí)踐和計(jì)算也都是可行的。

　　由圖4可見，緯度36°可認(rèn)為是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此所選優(yōu)化角所產(chǎn)生的一點(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°也是可以的。

　　由圖5可見，到了較高緯度的40°，再選定優(yōu)化角后，上下已無(wú)遮擋了，如出于建筑考慮，其傾角也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，就更不會(huì)上下遮擋，建筑師會(huì)有更大的空間。

　　由圖7可見，陽(yáng)臺(tái)集熱器在緯度越高的地帶越有優(yōu)勢(shì)，到了高緯度，其自由空間就更大了。

　　陽(yáng)臺(tái)集熱器傾角值的推薦

　　根據(jù)以上圖解結(jié)果將陽(yáng)臺(tái)集熱器傾角值匯總整理為下表。

　　傾角設(shè)計(jì)與選定的結(jié)論

　　1.優(yōu)化角是當(dāng)?shù)鼐暥燃?3.5°，是太陽(yáng)光垂直照射集熱器采光面；

　　2.陽(yáng)臺(tái)集熱器在高緯度地帶具有優(yōu)勢(shì)，其低緯度只能用到28°；

　　3.陽(yáng)臺(tái)集熱器傾角的確定要考慮到照顧冬季、上下不遮擋和南立面美觀的三原則；

　　4.陽(yáng)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；

　　5.把傾角低緯度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。