關(guān)于太陽能采暖系統(tǒng)熱管夏季遮陽問題的研究

張玉菡 吳金順 張偉捷 魏鋆 晉文

摘 要：為了解決太陽能采暖系統(tǒng)熱管夏季遮陽問題，本文提出了一種基于太陽位置變化計算的太陽能集熱器遮陽板，同時利用Ecotect軟件對遮陽板的遮陽效果進行模擬。結(jié)果表明，在過渡季節(jié)遮陽面積較小，隨著遠離過度季，遮陽面積逐漸增大。

關(guān)鍵詞：太陽能集熱器;太陽高度角;遮陽性能;Ecotect

中圖分類號：TU83 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0005-02

0 引言

太陽能作為一種潔凈的新型可再生能源越來越受到人們的關(guān)注。隨著太陽能集熱技術(shù)的相對成熟以及我國政府的大力支持，越來越多的用戶選擇太陽能熱水系統(tǒng)滿足用戶供熱及熱水的需求[1]。隨之而來集熱器夏季溫度過高，進而其壽命降低的問題也越來越突出。在實際工程中為了避免集熱器溫度過高，常采用普通的遮陽布進行簡單遮擋，但遮陽布使用壽命短、維護成本高使得夏季遮陽問題更加突出。而現(xiàn)有集熱器的研究主要集中于提高太陽能集熱器結(jié)構(gòu)、提高傳熱效率等方面[2]，在集熱器遮陽方面鮮有涉及。遮陽問題由來已久，但目前的研究主要集中建筑遮陽[3]、綠化遮陽[4]、遮陽的影響[5]等，且這些研究主要為基于自身特點的遮擋、或是透光性的研究[6]，關(guān)于遮陽的各方面設(shè)計正在不斷探索中，但幾乎未涉及對某些避免陽光入射尤其是對集熱器進行遮擋的方面。針對上述兩方面問題，提出了一種基于太陽能高度角計算的太陽能集熱器遮陽板的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)中的遮陽板由耐熱不透明材料構(gòu)成，遮陽板有頂部遮陽和側(cè)部遮陽兩部分組成，頂部遮陽設(shè)有卡槽，側(cè)部遮陽設(shè)有凸起，兩者連接避免遮陽板晃動，遮陽裝置焊接在太陽能集熱器的支架上，遮陽板結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。在供暖季將外側(cè)遮陽板折回內(nèi)側(cè)，以保證太陽能集熱器的集熱面積，在過渡季節(jié)將外側(cè)遮陽板扳回，隨著時間遠離供暖季，太陽能高度角逐漸增加，太陽能遮陽板的遮陽面積隨之增加。通過科學(xué)合理的設(shè)計可以使太陽能集熱器在過度季節(jié)仍發(fā)揮供熱作用，進而大大提高太陽能集熱器的有效使用時間。

2 遮陽板設(shè)計原理

2.1 太陽位置

根據(jù)太陽高度角、太陽光入射角、太陽方位角可以確定太陽能集熱器與太陽照射光的相對位置。計算說明如下：假設(shè)安裝的地理位置為北緯φ，太陽赤緯δ，太陽高度角h，太陽能入射角β，當(dāng)?shù)貢r間Τ，時角t，日角x，積日y，太陽能集熱器高H，寬K，在一年中的第a天，則相應(yīng)的計算如下：

2.2 遮陽計算

根據(jù)對稱性，上午或下午的遮陽面積關(guān)于正午時刻對稱性分布，若遮陽板寬為K1，太陽能集熱器安裝角度為α，如圖2所示，右下角部分即為非遮陽部分。根據(jù)幾何關(guān)系，在當(dāng)?shù)貢r間Τ時刻，遮陽面積為：

2.3 遮陽性能

對式7進行定性分析，在當(dāng)?shù)貢r間某時刻側(cè)遮陽寬度為一定值，而頂部遮陽的高度僅與太陽高度角有關(guān)，即太陽能高度角越大，遮陽面積越大。即在太陽能遮陽板的遮陽效率隨著遠離過度季，其遮陽性能越好，在太陽能高度角最大時（夏至日）遮陽性能達到最大值。

3 遮陽板遮陽模擬

以北京地區(qū)太陽能集熱器豎直安裝，長、寬各1.8m，遮陽板寬0.4m為例，采用Ecotect軟件建立數(shù)學(xué)模型模擬3月15日、6月21日及11月15日在9：00—12：00每隔半小時的遮陽板遮陽情況。如圖3、4、5所示，在供暖季結(jié)束即3月15日時，太陽能遮陽板能夠遮住小部分的太陽能集熱器。由于遮陽原因，集熱器集熱效率降低，可以繼續(xù)進行供暖，提高室內(nèi)熱舒適度。在夏至日太陽直射位置到達北回歸線，此時遮陽板在9：42前能夠全部遮擋太陽能集熱器，且在全天范圍內(nèi)能夠遮擋大部分的太陽能集熱器，即能夠大幅度的降低熱量的集聚，近而降低太陽能集熱器的溫度，提高太陽能集熱器的使用壽命。當(dāng)開始供暖時即11月15日，遮陽板能夠遮擋小部分的太陽能集熱器。

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，遮陽板從供暖季結(jié)束開始遮陽，隨著遠離遮陽季，其遮陽面積逐漸增大，在夏至日遮陽面積達到最大值，隨后開始逐漸減小。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于太陽能高度角的太陽能集熱器遮陽板，采用理論分析的方法計算了遮陽性能及遮陽系數(shù)。通過分析、模擬遮陽性能，可以知道遮陽板的遮陽效果與太陽位置有關(guān)，在當(dāng)?shù)赝粫r刻，遮陽板的遮陽效果只有太陽能高度角有關(guān)，且隨著太陽能高度角增大，其遮陽面積增加，在夏至日遮陽板的遮陽效果最佳。由于遮陽板的遮擋導(dǎo)致集熱效率降低，而在過渡季節(jié)其室內(nèi)熱負荷雖然較低但停止供暖后其熱舒適性仍然較差，此時仍可使用太陽能集熱器進行供熱，因此可以延長集熱器每周期的使用時間。同時，采用遮陽板避免集熱器夏季溫度過高，減小了對太陽能集熱器材質(zhì)的損害，進而大大延長了太陽能集熱器的使用壽命。

參考文獻

[1] 王鵬.新型槽式太陽能集熱器的研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2017.

[2] 吉佳文，王文志，李金凱，段廣彬，劉宗明.平板太陽能集熱器強化傳熱應(yīng)用研究進展[J].材料導(dǎo)報，2016，30（05）：45-51.

[3] 劉念雄.歐洲新建筑的遮陽[J].建筑技術(shù)，2012（12）：48-53.

[4] 唐紹堯.基于太陽能光伏/熱技術(shù)的建筑遮陽策略研究[D].湖南大學(xué)，2012.

[5] 鄧天福，李景廣，葉倩，張泉，葉劍軍.外遮陽百葉隔熱性能與采光分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2008（04）：13-18.

[6] 任俊.遮陽系數(shù)的原理及其測試分析[J].暖通空調(diào)，2012，42（3）：114-118.