设计与选定阳台（南墙）式太阳能集热器倾角

1引言 　　由于高层建筑南墙上有丰富的太阳能资源，所以，太阳能与高层建筑南立面相结合具有独特优势，但在生产和安装应用中常出现对阳台（南墙）式太阳能集热器（以下简称阳台集热器）倾角处理不当的问题，导致太阳能热水器效果极差，非常值得重视。 　　本文对阳台集热器太阳能采光朝向赤道的情况进行分析，提出确定阳台集热器倾角三原则，并按每隔4°为一个纬度带，作针对性分析，从而给出不同纬度带的阳台集热器倾角的推荐值和建议。 　　2确定阳台集热器倾角的原则 　　2.1对常规太阳热水器使用经验的借鉴 　　（1）加大倾角，照顾冬季。 　　传统教科书总是推荐太阳集热器的倾角S为夏季用：S=Φ -（5°-10°） 　　冬季用：S=Φ +（5°-10°） 　　全年用：S=Φ 　　然而我们实际使用经验总是夏天热水用不完，冬季不够用；其热性能计算也说明倾角S=Φ +5°时夏季有用得热和产水量比冬季要高70%~80%，当倾角S=Φ +8°时，夏季比冬季的前述值是20%~30%，当倾角S=Φ +23°时，其值为10%，全年比较均衡。 　　（2）集热器阵列前后不遮挡阳台集热器当然也要上下不遮挡。 　　2.2 阳台集热器的倾角设计三原则 　　（1）照顾冬季 　　要加大倾角，使冬至太阳高度角最低时太阳光能直射在集热器表面。即需倾角为S=Φ +23.5°，在此基础上再予调正。 　　（2）上下不遮挡 　　（3）南立面美观 　　这是阳台集热器特有的问题，幸好集热器倾角有调正空间可满足这一要求。 　　3阳台集热器的采光分析 　　如图1所示，H是层高，B是集热器宽度，Ld是集热器前端伸出长度，Lt是调正后的集热器前端伸出长度。Sy是按S=Φ +23.5°确定冬季倾角，这反映在图1a中，这时冬至日阳光垂直入射到集热器采光面上，但夏至日投射的太阳射线却被集热器前端遮挡而到不了下层集热器采光面上。为此，需牺牲冬至垂直入射的优点而将上下集热器倾角再予加大，使集热器伸出端由A 点缩至B点，Ld 变为Lt，使夏至日阳光可照射到下层集热器，这如图1b 夏至无遮角图所示，此时倾角由Sy变为St。此时可按集热器宽度B 为半径经两次迭代作图求得。 　　4不同纬度带倾角图解 　　中国可使用阳台集热器的地区分为6个纬度带： 　　（1）Φ 28：与长沙、遵义所处纬度带相近地区； 　　（2）Φ 32：与合肥、南京所处纬度带相近地区； 　　（3）Φ 36：与青岛、兰州所处纬度带相近地区； 　　（4）Φ 40：与北京、敦煌所处纬度带相近地区； 　　（5）Φ 44：与乌鲁木齐、长春所处纬度带相近地区； 　　（6）Φ 48：与阿勒泰、黑河所处纬度带相近地区。 　　如图2所示，按上述采光分析法，不难看清这些图解过程，据此，可对任何纬度倾角作出相应对照。 　　北纬28°，几乎是阳台集热器应用的最低纬度，从图2可见，为避免上下遮挡，集热器宽度为700mm，且倾角由52°调正为76°，图2 前端由伸出431mm缩小到167mm，但再宽的集热器就不合适了。 　　由图3可见，在给出优化角56°后，三种宽度上下都有遮挡，需分别调正到67°、71°和74°，这些角度从现有配水量（52kg/m2）来看，不论实践和计算都可行。 　　由图4可见，纬度36°可认为是一个转折点，在此选优化角而产生一点上下遮挡，可不予理会，如从建筑美观考虑，将倾角加大到75°也可。 　　由图5可见，到了较高纬度40°，再选定优化角后，上下已无遮挡，如出于建筑考虑，其倾角还有可加大到垂直的可能。 　　由图6可见，纬度更大，在优化角下，而不会上下遮挡，建筑师会有更大空间。 　　由图7可见，阳台集热器在纬度越高的地带越有优势，到了高纬度，其自由空间就更大了。 　　5结论 　　（1）优化角是当地纬度加23.5°，是阳光垂直照射集热器采光面；（2）阳台集热器在高纬度地带具有优势，其低纬度只能用到28°；（3）阳台集热器倾角的确定要兼顾冬季、上下不遮挡和南立面美观三原则；（4）阳台集热器在纬度接近40°及其以上才可考虑垂直安装，但小于48°不推荐垂直安装；（5）低纬度28°，只能使用较窄的集热器（700mm），倾角为75°；（6）75°可认为是一个广适倾角。（湖北金威新能源科技有限公司/高元运）