廣州地區(qū)太陽(yáng)能集熱器的間距設(shè)計(jì)

隨著太陽(yáng)能熱水器技術(shù)的日臻成熟和人們環(huán)保意識(shí)的提高，廣東許多學(xué)校、醫(yī)院、招待所、工廠和家庭已安裝了太陽(yáng)能熱水器，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。太陽(yáng)能熱水器開(kāi)展的勢(shì)頭之猛烈，令人振奮。

筆者看過(guò)廣東地區(qū)不少單位安裝的太陽(yáng)能熱水器，給人總體的印象較好，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到使用效果，從社會(huì)效益到經(jīng)濟(jì)效益，從質(zhì)量到產(chǎn)量，都已有所突破。但也有些不盡如人意的地方，例如，對(duì)于太陽(yáng)能集熱器的不遮陽(yáng)距離，有的廠家做得比擬好，但有個(gè)別廠家就不太注意。有的系統(tǒng)，前排集熱器與后排集熱器的間距只有0.4~0.5米，有的甚至只有0.2~0.3米，達(dá)不到應(yīng)有的采光面積，也損害了用戶(hù)的利益。

太陽(yáng)能集熱器的間距在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇多少才為適宜？才能到達(dá)預(yù)期的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益？首先，需要了解太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)，然后，確定廣州地區(qū)太陽(yáng)能集熱器在各個(gè)季節(jié)的不遮陽(yáng)的距離，最后，再選擇集熱器間的最正確間距?！惨弧程?yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)地球外表上某一點(diǎn)所受到日照的日變化和年變化，都是地球自轉(zhuǎn)和它圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而引起的。地球公轉(zhuǎn)一周形成一年的四季變化，春秋分日晝夜等長(zhǎng)；夏至日太陽(yáng)在一年中正午高度角最高，晝最長(zhǎng)，夜最短；到了冬至日，太陽(yáng)高度角最低，晝最短，夜最長(zhǎng)。地球自轉(zhuǎn)一周，使我們?cè)诘厍蛏厦刻炜吹教?yáng)東升西落的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)，它是地球每天自轉(zhuǎn)的結(jié)果。地球自轉(zhuǎn)一周為一天，24小時(shí)，旋轉(zhuǎn)360度。

太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)，是由當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?、季?jié)〔日、月〕和時(shí)間三個(gè)因素決定的。計(jì)算太陽(yáng)在天球中對(duì)地球上某一點(diǎn)的相對(duì)位置，可以用地理緯度〔F〕、太陽(yáng)赤緯〔d〕、太陽(yáng)高度角〔a〕、太陽(yáng)方位角〔g〕及時(shí)角w等太陽(yáng)角進(jìn)行定位?！?〕太陽(yáng)赤緯角d地球中心與太陽(yáng)中心的連線(xiàn)與地球赤道平面的夾角稱(chēng)為太陽(yáng)赤緯角?！?〕d為一年中的日期序號(hào)為了計(jì)算方便，表1列出了各特征日季節(jié)、日期和太陽(yáng)赤緯的對(duì)照。表1赤緯、日期和節(jié)氣對(duì)照表節(jié)氣日期赤緯節(jié)氣日期赤緯節(jié)氣日期赤緯立春2月4日-16芒種6月6日+22寒露10月8日-5雨水2月19日-11夏至6月22日+23霜降10月24日-11驚蟄3月6日-5小暑7月7日+22立冬11月8日-16春分3月21日-0大署7月23日+20小雪11月23日-20清明4月5日+5立秋8月8日+16大雪12月7日-22谷雨4月20日+11處暑8月23日+11冬至12月22日-23立夏5月6日+16白露9月8日+5小寒1月6日-22小滿(mǎn)5月21日+20秋分9月23日+0大寒1月20日-20〔2〕時(shí)角w單位時(shí)間地球自轉(zhuǎn)的角度定義為時(shí)角w，規(guī)定正午時(shí)角為0，上午時(shí)角為負(fù)值，下午時(shí)角為正值。地球自轉(zhuǎn)一周3600，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為24小時(shí)，即每小時(shí)相應(yīng)的時(shí)角為150，每4分鐘的時(shí)角為10?！?〕太陽(yáng)高度角a太陽(yáng)的高度角a是地球外表上某點(diǎn)和太陽(yáng)的連線(xiàn)與地平線(xiàn)之間的夾角，參見(jiàn)圖1?！?〕式中——當(dāng)?shù)鼐暥圈摹?yáng)赤緯ω——太陽(yáng)時(shí)角〔4〕太陽(yáng)方位角γS太陽(yáng)方位角γS是太陽(yáng)至地面上某給定地點(diǎn)的連線(xiàn)在地面上的投影與南向〔當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)〕之間的夾角。方位角從正午算起，上午為負(fù)值，下午為正值。它代表太陽(yáng)光線(xiàn)的水平投影偏離正南的角度，由下式計(jì)算：〔3〕當(dāng)?shù)挠?jì)算值大于1時(shí)，改用下式進(jìn)行計(jì)算：〔4〕〔二〕廣州地區(qū)太陽(yáng)能集熱器的不遮陽(yáng)距離

在安裝太陽(yáng)能熱水器時(shí)，為了最大限度地收集太陽(yáng)輻射能量，必須考慮周?chē)ㄖ飳?duì)集熱器的遮陽(yáng)情況和前排集熱器對(duì)后排集熱器的遮陽(yáng)情況，以便將集熱器安放在不遮陽(yáng)或盡量少遮陽(yáng)的適宜位置。

圖2為不遮陽(yáng)距離和太陽(yáng)角的關(guān)系示意圖。圖中：

ZA為太陽(yáng)入射光線(xiàn)

OZ為建筑物或集熱器的安裝高度h

OA為H的水平陰影長(zhǎng)度l

OB為不遮陽(yáng)距離S

∠ZAO為該地區(qū)某時(shí)刻太陽(yáng)高度角α

∠AOB為該地區(qū)某時(shí)刻太陽(yáng)方位角γS由圖2可見(jiàn)，對(duì)于正南朝向的集熱器，其不遮陽(yáng)距離〔5〕而影長(zhǎng)，所以〔6〕式〔6〕為求日照間距的根本公式〔南向〕。對(duì)于不是正南北朝向的建筑物，即對(duì)朝向不是正南的集熱器，〔7〕即：〔8〕γn為垂直于集熱器平面的平面M的方位角，如圖3所示。本文只著重分析正南朝向的不遮陽(yáng)距離。表2計(jì)算了廣州地區(qū)各特征日某時(shí)刻的太陽(yáng)位置和水平陰影長(zhǎng)率，供進(jìn)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。表2廣州地區(qū)〔北緯230〕太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)表節(jié)氣日期時(shí)刻6789101112181716151413夏至6月22日高度角α8213548627689方位角γS1111071039996941800水平陰影長(zhǎng)率l6.3532.47931.41280.87490.52110.24540.0079大署〔小滿(mǎn)〕7月23日高度角α8213448627587方位角γS1081039995898100水平陰影長(zhǎng)率l7.34412.60391.45330.89330.53140.75340.0489處暑〔谷雨〕8月23日高度角α4223145597178方位角γS100938980735300水平陰影長(zhǎng)率l12.8202.36731.6047098.730.59600.33150.2036春分〔秋分〕3月21日高度角α0132740526267方位角γS900847768553400水平陰影長(zhǎng)率l∞4.07651.92891.16630.75740.51470.4245雨水〔霜降〕2月19日高度角α

82134445255方位角γS

736656432400水平陰影長(zhǎng)率l

6.34962.48541.47941.01040.76670.6868大寒〔小雪〕1月21日高度角α

51728374446方位角γS

655848361900水平陰影長(zhǎng)率l

11.26663.21841.84961.28941.02270.9402冬至12月22日高度角α

31526354143方位角γS

625546341800水平陰影長(zhǎng)率l

15.82233.61302.03151.41971.13761.0519〔三〕廣州地區(qū)集熱器間距的選擇

如圖4所示，定義集熱器的間距A為前排集熱器北端與后排集熱器南端之間的水平距離。根據(jù)上述表2，可以計(jì)算出廣州地區(qū)正南向集熱器〔或建筑物〕的不擋光陰影長(zhǎng)率，列如表3。表3廣州〔北緯230〕正南向不擋光的陰影長(zhǎng)率季節(jié)日期7:008:009:0010:0011:0012:0017:0016:0015:0014:0013:00夏至6月22日

太陽(yáng)偏北太陽(yáng)偏北太陽(yáng)偏北太陽(yáng)偏北0.0079大署

小滿(mǎn)7月23日

5月21日太陽(yáng)偏北太陽(yáng)偏北太陽(yáng)偏北0.00030.03750.0489處暑

谷雨8月23日

4月20日太陽(yáng)偏北0.00980.16380.17310.19630.2036春分

秋分3月21日

9月23日0.42490.42460.42460.42450.42450.4245雨水

霜降2月19日

10月24日1.81331.00360.81110.73210.69690.6868大寒

小雪1月21日

11月23日4.67521.69041.21431.03760.96190.9402冬至12月22日7.2772.04551.40351.17511.07921.0519表中取前排集熱器〔或建筑物〕的高度為1

在進(jìn)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在計(jì)算了不擋光的最少距離后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際安裝場(chǎng)地的條件和用戶(hù)的使用要求、使用季節(jié)，因地制宜地選取各排集熱器之間的實(shí)際間距。建議在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行如下考慮：〔1〕不應(yīng)片面強(qiáng)調(diào)全年各天日出后的每個(gè)時(shí)刻均應(yīng)服從不擋光的最小距離，也不能只顧滿(mǎn)足所需求的采光面積而不考慮各排集熱器間的嚴(yán)重遮擋，影響節(jié)能效果，增大用戶(hù)投資。舉個(gè)例說(shuō)，冬至日上午7時(shí)和下午5時(shí)，不擋光的最小距離為7.277m，設(shè)計(jì)時(shí)不可能為了滿(mǎn)足此一距離而將間距選擇為此值，這樣既增加了循環(huán)管路及保溫，加大造價(jià)，又增加了管路的熱損失。但是如果將間距只選為0.5m，那么冬至日的全天的太陽(yáng)輻射會(huì)給遮擋了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時(shí)，其太陽(yáng)輻射也會(huì)遮擋掉36%左右，影響了使用效果。〔2〕根據(jù)太陽(yáng)能熱水器的使用季節(jié)設(shè)計(jì)集熱器間距，如為夏季使用，太陽(yáng)高度大，集熱器間距可選得較小也不會(huì)遮擋；如果是冬半年使用，一般要求冬至日上午10時(shí)后至下午14時(shí)前后排集熱器不受遮擋，即保證有4小時(shí)的太陽(yáng)輻射，如果滿(mǎn)足這一要求，那么集熱器間距應(yīng)控制在1.175h，約為1.3m?！?〕因受地形限制無(wú)法滿(mǎn)足上述間距要求的，最少也要保證小雪日〔11月23日〕或大寒日〔1月20日〕的正午12時(shí)太陽(yáng)輻射不受遮擋，滿(mǎn)足這一要求的集熱器間距為0.9402h約為1m?！?〕推薦選用集熱器間距為1.1～1.2m?！?〕為了便于進(jìn)行比照，通過(guò)計(jì)算，列出了廣州地區(qū)幾種不同集熱器間距對(duì)接收太陽(yáng)輻射的影響見(jiàn)表4。表4廣州地區(qū)不同集熱器間距對(duì)接收太陽(yáng)輻射的影響

總輻射月平均值kJ/㎡1.2m間距1.0m間距0.8m間距0.5m間距遮擋百分?jǐn)?shù)%減少日照kJ/㎡遮擋百分?jǐn)?shù)%減少日照kJ/㎡遮擋百分?jǐn)?shù)%減少日照kJ/㎡遮擋百分?jǐn)?shù)%減少日照kJ/㎡10511月46