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上海理工大学

摘 要： 对一天中任意倾斜角度，任意朝向的太阳能集热面所能获得的太阳辐射量进行计算，研究不同集热器形式、地理位置、摆放形式等对一天中收集的可用热量的影响及水箱内温度变化，并举例计算太阳能在采暖应用中的节能效果。

 

关键词: 太阳能；影响因素；采暖；太阳能保证率

 

太阳能作为一种取之不尽，用之不竭，清洁安全的能源，越来越受到人们的关注，各种利用太阳能的技术措施不断推出。如太阳辐射能可通过光—电转化为电能；可通过光—化学转化为化学能，例如制氢等；可通过光—热转化为热能，这是目前技术较为成熟，成本低廉，因而应用最为广泛的形式。

光—热转化成的热能主要以水为传输介质，可用于采暖、制冷、提供家用热水、产生动力、蒸馏及工艺用热。这些场合需要提供不同的热水温度，如淋浴用热水水温为40℃，采暖所需水温最低35～40℃，单效吸收式制冷所需温度为70℃~110℃。

集热器所能提供的热水温度受很多因素的影响，如集热器形式、摆放位置、蓄热水箱的容积等，这些因素相互影响，对太阳能在实际的选择应用带来不便，下文中将通过模拟计算，对这些影响因素分别进行讨论分析。

 

目前市场上常见的太阳能集热器主要有平板型集热器，真空管集热器及热管集热器，其中前两者多在实际工程中应用。与聚焦型集热器相比，平板集热器具有结构简单、可固定安装（不需跟踪太阳）、可同时利用直射辐射和散射辐射以及成本低等优点。但因它不具备聚光功能，热流密度较低，所以工作温度限于100℃以下。真空管集热器采用高真空双层玻璃管结构，减少了吸热面与透明盖层之间的对流换热损失，所以它可以在更高温度下运行。同时。真空管集热器不必跟踪太阳，在太阳光入射角较低时仍具有较高的效率，因此，更适合于应用于吸收式空调系统。图1 显示了在1 月1 日，在上海地区（东经121.43°,北纬31.2°）水箱容积50 升，集热器倾角30°，朝向正南条件下，应用高效平板型和真空管型集热器所能获得的水温变化及效率曲线。由图中可以看出，在相同的条件下，真空管型比平板型可以获得较高的热水温度，同时，集热效率也较高。普通平板集热器的集热温度和效率更低。

为了得到最大的年日射量，集热器应面朝赤道方向，图2 显示了（上海地区、水箱容积50 升、集热器倾角30°）平板集热器朝正南方、偏东10°、偏西10°情况下对集热温度的影响。由图中曲线可以看出，无论在冬季（下面一簇曲线），还是夏季（上面一簇曲线），集热器朝向偏西可以比朝向正南或偏东获得较多的集热量。

 

 图3 显示了上海地区，水箱容积50 升，朝向正南条件下，应用平板型集热器冬季（1月1 日），夏季（8 月1 日）倾角分别为20°，30°，40°条件下，水箱内随温度的变化情况。由图中可以看出，为了获得更多的太阳能，对于全年供热的集热器，倾角应取当地纬度ϕ ；对于主要用于冬季（下面一簇曲线）的集热器，其倾角应增大至ϕ +10°；

应用于夏季（上面一簇曲线）的集热器则倾角应为ϕ -10°。

   集热温度是根据用户要求设定的，当水温高于此温度后，开始向用户提供热量。集热温度高将带来下列一些缺点：

a、 将使的大量的太阳能用于提高初始水温；

b、 水箱中的水温高将增加水箱及管道的热损失，额外增加保温材料成本；

c、 较高的集热温度将导致集热效率的下降，使得集热量减少。

因此在选择时应尽可能降低集热温度的设定值。下表是在水箱容积为50 升，8 月1 日，倾角30°，单位真空管集热面积在集热温度不同时所收集的热量（水箱内水的初温为12℃）：

 

太阳能供暖系统，目前尚处于试验阶段，技术累积得还不够，经济性也有问题，所以还没有标准的设计方法。在多数情况下，是在常规的系统上增添集热器等设备，依靠利用太阳能所节约的能源来回收设备投资。因此，需要估算年供暖、供热水负荷以及计算太阳能利用量[3]。下面就以一个例子作相应的计算。

上海地区一幢四层办公大楼[4] ，总建筑面积1859m2,工作时间8：00~18：00，冬季采暖温度为20℃，夜间值班温度5℃，如采用太阳能供暖方式，确定其集热面积及太阳能保证率。

由文献[4]，从6℃开始计算，工作时间供暖小时数为718 小时，供暖总负荷为42.7kWh/m2,平均负荷为：

 

值班时间供暖小时数为1339 小时，供暖总负荷为11.6kWh/m²,平均负荷为：

 

假定采暖集中在12、1、2 三个月内，则12 月的负荷为：

 

 

根据上述影响因素的分析，选定集热器形式及布置如下：采用真空管集热器，集热器朝向正南偏西10°，倾角40°。在计算中以冬至日（12 月21 日）为基准，假定当日为晴天，该日收集的太阳辐射能除可供当日负荷要求外，还可以蓄存第二日负荷所需热量。因为供暖连续运行，因此水箱中的温度始终维持在集热温度以上，采暖开始时，可通过提前运行集热系统，将水箱内的水温由初始水温提高到一定温度，接近设定的集热温度。本例计算中，假定正式开始采暖时初始水温比集热温度低五度。

下面两张图表是在不同集热温度情况下，当最高蓄热温度不同时，为满足负荷要求所计算出的集热面积及相对应的水箱容积。

 

 

从上面的图中可以看出，在相同的蓄热温差下，为满足负荷要求，集热温度为50℃时所需集热面积大于集热温度40℃时的需要。太阳能采暖系统设置在采暖房间的散热部件主要有以下几种：

1) 常见的暖气片供暖系统工作水温为75℃左右；

2) 顶棚辐射板按照热舒适要求顶棚温度不得超过32℃，因而水流温度在35℃左右；

3) 风机盘管工作水温为40~60℃；

4) 地面辐射板地板表面温度25℃左右，所以28℃~30℃左右的水便可以加以利用。

因此，冬季太阳能供暖系统的集热温度定在40℃左右是比较合理的，若提高集热温度将使得集热面积增大。选择蓄热温差25℃，此时所需集热面积为694m2,水箱容积为66.3m3。

下图是根据文献[2]中推荐的公式，计算并得出的集热面积与太阳能保证率之间的关系。

 

根据上图，可以得出集热面积为694 m² 时，整个供暖季平均太阳能保证率为61.45%，可节省的热量为：

(1.485 +1.485 +1.342) ×10¹¹ × 61.45% = 73604kWh

如果上述热量全部采用电采暖，按上海市电价每千瓦时0.61 元计算，一个供暖季可节约电费44898 元。

如果该建筑位于北京地区，由文献[5]中的窗墙比供暖指标计算，工作时间单位面积负荷为：

 

其中，α ——1 外窗面积与外墙面积（包括窗）之比；

W  ——外墙总面积（包括窗），m²；

F  ——总建筑面积，m²；

tn、tw——室内、外供暖设计温度，℃。

 

值班时间单位面积负荷为：

 

 

北京地区供暖期共126 天，从11 月12 日至第二年的3 月17 日，为方便计算，假定11 月，12月，1 月，2 月为供暖期。同上，每个月负荷为：

 

  

 

集热器形式及计算依据与前面计算相同，下图是在集热温度40℃情况下，当最高蓄热温度不同时，为满足负荷要求所计算出的集热面积及相对应的水箱容积：

 

  

 

根据以上两图，选择蓄热温差25℃，此时所需集热面积为1526m2,水箱容积为136.5m3，整个供暖季平均太阳能保证率为72.02%，可节省的热量为：

 

如果上述热量全部采用电采暖，按北京市电价每千瓦时0.44 元计算，一个供暖季可节约电费89195 元。

另外，北京地区月平均辐射量11 月为227.87MJ，3 月为424.32MJ，因此，本例计算中将采暖月按照11 月、12 月、1 月、2 月四个月计算所得出的集热面积，比按照12 月、1 月、2 月、3 月四个月计算所得出的集热面积偏大，因此实际可节省的热量比计算得出的更多。

由上述计算可以看出，这两个地区在冬季运用太阳能采暖都能够达到一定的采暖要求，具有很好的经济效益，同时可减少常规能源的消耗，因而必将带来可观的环境效益。

 

1）在设置太阳能集热器时，为获得更多的太阳能，以下是一些有力措施：

􀁺 采用真空管型集热器比采用平板型可以获得更多的能量；

􀁺 集热朝向正南偏西10°左右；

􀁺 集热器倾角应根据太阳能集热器的使用时间而定，全年使用时集热器倾角应近似等于当地纬度ϕ 。如果要在冬季获得最佳的日射量，倾角应增大至ϕ +10°；如果要在夏季获得最佳日射量，则倾角应为ϕ -10°。

􀁺 在可能的情况下，增大水箱容积，可以相对降低水温，提高集热效率，有利于增加集热量；

􀁺 采取尽可能低的集热温度。

2） 太阳能保证率与集热面积成正比，保证率的提高将节约更多的能量，但将使得集热面积和水箱容积的增大，增加设备的投资，因此集热面积的确定还需要进行进一步的技术经济比较。

3） 增加辅助热源将有利于减少集热面积和水箱容积，使得供热系统可靠率增加，同时合理分配使用辅助热源与太阳能将获得更好的经济效益。

 

[1] 岑幻霞.太阳能热利用.北京：清华大学出版社，1997

[2] ASHRAE Applications Handbook （SI）1999

[3] [日] 田中俊六 著 林毅 王荣光程慧中 译 太阳能供冷与供暖.中国建筑工业出版社，1977

[4] 龙惟定. 用BIN 参数作建筑物能耗分析.暖通空调.1992（2）

[5] 建设部建筑设计院编著 . 民用建筑暖通空调设计技术措施(第二版).