广州地区太阳能集热器的间距设计.doc

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广州地区太阳能集热器的间距设计随着太阳能热水器技术的日臻成熟和人们环保意识的提高，广东许多学校、医院、招待所、工厂和家庭已安装了太阳能热水器，并取得了良好的经济效益和社会效益。太阳能热水器发展的势头之猛烈，令人振奋。笔者看过广东地区不少单位安装的太阳能热水器，给人总体的印象较好，从系统设计到使用效果，从社会效益到经济效益，从质量到产量，都已有所突破。但也有些不尽如人意的地方，例如，对于太阳能集热器的不遮阳距离，有的厂家做得比较好，但有个别厂家就不太注意。有的系统，前排集热器与后排集热器的间距只有0.4~0.5米，有的甚至只有0.2~0.3米，达不到应有的采光面积，也损害了用户的利益。太阳能集热器的间距在设计时应选择多少才为合适？才能达到预期的节能效果和经济效益？首先，需要了解太阳的周日视运动，然后，确定广州地区太阳能集热器在各个季节的不遮阳的距离，最后，再选择集热器间的最佳间距。（一）太阳的周日视运动地球表面上某一点所受到日照的日变化和年变化，都是地球自转和它围绕太阳公转而引起的。地球公转一周形成一年的四季变化，春秋分日昼夜等长；夏至日太阳在一年中正午高度角最高，昼最长，夜最短；到了冬至日，太阳高度角最低，昼最短，夜最长。地球自转一周，使我们在地球上每天看到太阳东升西落的运动，这种现象称为太阳的周日视运动，它是地球每天自转的结果。地球自转一周为一天，24小时，旋转360度。太阳的周日视运动，是由当地的地理纬度、季节（日、月）和时间三个因素决定的。计算太阳在天球中对地球上某一点的相对位置，可以用地理纬度（F）、太阳赤纬（d）、太阳高度角（a）、太阳方位角（g）及时角w等太阳角进行定位。（1）太阳赤纬角d 地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角。（1） d为一年中的日期序号为了计算方便，表1列出了各特征日季节、日期和太阳赤纬的对照。表1 赤纬、日期和节气对照表节气日期赤纬节气日期赤纬节气日期赤纬立春 2月4日 -16023’ 芒种 6月6日 +22035’ 寒露 10月8日 -5040’ 雨水 2月19日 -11029’ 夏至 6月22日 +23026’ 霜降 10月24日 -11033’ 惊蛰 3月6日 -5053’ 小暑 7月7日 +22039’ 立冬 11月8日 -16024’ 春分 3月21日 -0000’ 大署 7月23日 +20012’ 小雪 11月23日 -20013’ 清明 4月5日 +5051’ 立秋 8月8日 +16018’ 大雪 12月7日 -22032’ 谷雨 4月20日 +11019’ 处暑 8月23日 +11038’ 冬至 12月22日 -23026’ 立夏 5月6日 +16022’ 白露 9月8日 +5055’ 小寒 1月6日 -22034’ 小满 5月21日 +20004’ 秋分 9月23日 +0009’ 大寒 1月20日 -20014’ （2）时角w 单位时间地球自转的角度定义为时角w，规定正午时角为0，上午时角为负值，下午时角为正值。地球自转一周3600，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为150，每4分钟的时角为10。（3）太阳高度角a 太阳的高度角a是地球表面上某点和太阳的连线与地平线之间的夹角，参见图1。（2）式中——当地纬度 δ——太阳赤纬 ω——太阳时角（4）太阳方位角γS 太阳方位角γS是太阳至地面上某给定地点的连线在地面上的投影与南向（当地子午线）之间的夹角。方位角从正午算起，上午为负值，下午为正值。它代表太阳光线的水平投影偏离正南的角度，由下式计算：（3）当的计算值大于1时，改用下式进行计算：（4）（二）广州地区太阳能集热器的不遮阳距离在安装太阳能热水器时，为了最大限度地收集太阳辐射能量，必须考虑周围建筑物对集热器的遮阳情况和前排集热器对后排集热器的遮阳情况，以便将集热器安放在不遮阳或尽量少遮阳的合适位置。图2 为不遮阳距离和太阳角的关系示意图。图中： ZA为太阳入射光线 OZ为建筑物或集热器的安装高度h OA为H的水平阴影长度l OB为不遮阳距离S ∠ZAO为该地区某时刻太阳高度角α ∠AOB为该地区某时刻太阳方位角γS 由图2 可见，对于正南朝向的集热器，其不遮阳距离（5）而影长，所以（6）式（6）为求日照间距的基本公式（南向）。对于不是正南北朝向的建筑物，即对朝向不是正南的集热器，（7）即：（8） γn为垂直于集热器平面的平面M的方位角，如图3所示。本文只着重分析正南朝向的不遮阳距离。表2计算了广州地区各特征日某时刻的太阳位置和水平阴影长率，供进行太阳能热水系统设计时参考。表2 广州地区（北纬230）太阳位置数据表节气日期时刻 6 7 8 9 10 11 12 18 17 16 15 14 13 夏至 6月22日高度角α 8057’ 21058’ 35017’ 48049’ 62029’ 76013’ 89033’ 方位角γS 111046’ 107009’ 103015’ 99052’ 96057’ 94050’ 1800 水平阴影长率l 6.353 2.4793 1.4128 0.8749 0.5211 0.2454 0.0079 大署（小满） 7月23日5月21日高度角α 8045’ 21001’ 34032’ 48014’ 62001’ 75047’ 87033’ 方位角γS 108043’ 103049’ 99024’ 95003’ 89058’ 81029’ 00 水平阴影长率l 7.3441 2.6039 1.4533 0.8933 0.5314 0.7534 0.0489 处暑（谷雨） 8月23日4月20日高度角α 4027’ 22054’ 31056’ 45022’ 59012’ 71039’ 78029’ 方位角γS 100035’ 93018’ 89039’ 80027’ 73007’ 53042’ 00 水平阴影长率l 12.820 2.3673 1.6047 098.73 0.5960 0.3315 0.2036 春分（秋分） 3月21日9月23日高度角α 0 13047’ 27024’ 40037’ 52052’ 62046’ 67000’ 方位角γS 900 84001’ 77017’ 68039’ 55055’ 34026’ 00 水平阴影长率l ∞ 4.0765 1.9289 1.1663 0.7574 0.5147 0.4245 雨水（霜降） 2月19日10月24日高度角α 8057’ 21055’ 34003’ 44042’ 52031’ 55031’ 方位角γS 73022’ 66011’ 56045’ 43034’ 24038’ 00 水平阴影长率l 6.3496 2.4854 1.4794 1.0104 0.7667 0.6868 大寒（小雪） 1月21日11月23日高度角α 5004’ 17016’ 28024’ 37048’ 44021’ 46046’ 方位角γS 65029’ 58019’ 48058’ 36025’ 19051’ 00 水平阴影长率l 11.2666 3.2184 1.8496 1.2894 1.0227 0.9402 冬至 12月22日高度角α 3037’ 15028’ 26013’ 35010’ 41019’ 43033’ 方位角γS 62037’ 55031’ 46018’ 34008’ 18026’ 00 水平阴影长率l 15.8223 3.6130 2.0315 1.4197 1.1376 1.0519 （三）广州地区集热器间距的选择如图4所示，定义集热器的间距A为前排集热器北端与后排集热器南端之间的水平距离。根据上述表2，可以计算出广州地区正南向集热器（或建筑物）的不挡光阴影长率，列如表3。表3 广州（北纬230）正南向不挡光的阴影长率季节日期 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 夏至 6月22日太阳偏北太阳偏北太阳偏北太阳偏北 0.0079 大署小满 7月23日 5月21日太阳偏北太阳偏北太阳偏北 0.0003 0.0375 0.0489 处暑谷雨 8月23日 4月20日太阳偏北 0.0098 0.1638 0.1731 0.1963 0.2036 春分秋分 3月21日 9月23日 0.4249 0.4246 0.4246 0.4245 0.4245 0.4245 雨水霜降 2月19日 10月24日 1.8133 1.0036 0.8111 0.7321 0.6969 0.6868 大寒小雪 1月21日 11月23日 4.6752 1.6904 1.2143 1.0376 0.9619 0.9402 冬至 12月22日 7.277 2.0455 1.4035 1.1751 1.0792 1.0519 表中取前排集热器（或建筑物）的高度为1 在进行太阳能热水系统设计时，在计算了不挡光的最少距离后，应根据实际安装场地的条件和用户的使用要求、使用季节，因地制宜地选取各排集热器之间的实际间距。建议在设计时进行如下考虑：（1）不应片面强调全年各天日出后的每个时刻均应服从不挡光的最小距离，也不能只顾满足所需求的采光面积而不考虑各排集热器间的严重遮挡，影响节能效果，增大用户投资。举个例说，冬至日上午7时和下午5时，不挡光的最小距离为7.277m，设计时不可能为了满足此一距离而将间距选择为此值，这样既增加了循环管路及保温，加大造价，又增加了管路的热损失。但是如果将间距只选为0.5m，则冬至日的全天的太阳辐射会给遮挡了60%左右，即使是在小雪日（11月23日）或大寒日（1月20日）的正午12时，其太阳辐射也会遮挡掉36%左右，影响了使用效果。（2）根据太阳能热水器的使用季节设计集热器间距，如为夏季使用，太阳高度大，集热器间距可选得较小也不会遮挡；如果是冬半年使用，一般要求冬至日上午10时后至下午14时前后排集热器不受遮挡，即保证有4小时的太阳辐射，如果满足这一要求，则集热器间距应控制在1.175h，约为1.3m。（3）因受地形限制无法满足上述间距要求的，最少也要保证小雪日（11月23日）或大寒日（1月20日）的正午12时太阳辐射不受遮挡，满足这一要求的集热器间距为0.9402h约为1m。（4）推荐选用集热器间距为1.1～1.2m。（5）为了便于进行对比，通过计算，列出了广州地区几种不同集热器间距对接收太阳辐射的影响见表4。表4　广州地区不同集热器间距对接收太阳辐射的影响总辐射月平均值kJ/㎡ 1.2m间距 1.0m间距 0.8m间距 0.5m间距遮挡百分数 % 减少日照kJ/㎡遮挡百分数 % 减少日照kJ/㎡遮挡百分数 % 减少日照kJ/㎡遮挡百分数 % 减少日照 kJ/㎡105 11月 466885 2.0 9384 6.98 32750 18.9 88685 36.8 172678 12月 418939 8.15 34143 15.77 66074 27.69 115995 45.6 191038 1月 385125 2.0 7703 6.98 26885 18.9 72789 36.8 141728 3个月累计 1270949 3.98 51230 9.82 125659 21.8 277469 39.8 505444

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