采暖用平板式太阳能集热器的最佳倾角和最佳方位角

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图.
最佳倾角 !#$% 与安装方位角 # 的关系曲线
从图 $ 、 图 ! 看出， 在给定安装方位角的情况下， 当安装倾角 ! 由 % !&’ %!变化时，太阳辐射得热总量
此外， 由于采暖季太阳高度角较低， 因此某一安 装方位角下的最佳安装倾角也是该安装方位角 # 下 的最大安装倾角。 单位集热面积的太阳辐射最大得热总量随安
北京 郑州 西宁 拉萨 哈密 伊宁
阳光能源 !""# 年 $ 月刊
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摘
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技术交流
采暖用平板式太阳能集热器的最佳倾角 和最佳方位角
天津城市建设学院 赵树兴 % 要 本文采用典型年气象资料，以平板式太阳能集热器在整个采暖季的单位集热面积的太阳辐射得热总量
为目标函数， 进行动态计算分析， 给出了采暖用平板式太阳能集热器在不同地区的最佳倾角和最佳安装方位角。 关键词 平板式太阳能集热器 最佳倾角 最佳安装方位角 太阳能采暖
个非常复杂的问题。在实际应用中， 其环境温度、 吸 热板平均温度、 流体平均温度、 流体进口温度等都是 变化的，特别是用于主动式太阳能热水采暖时更是 如此。通过改变集热系统的运行工况， 在环境温度较 低时采用小流量低温运行，在环境温度较高时采用 大流量高温运行。在这种情况下， 通过适当控制可以
" ）太阳直射辐射强度 !"!
装方位角 # 的变化 图 / 给出了我国部分地区最大得热总量
"# "#$% 随安装方位角的变化关系。
从图 / 可以看出，不同地区存在不同的最佳安 装方位角 #!"，也就是说给定地区不同安装方位角下 的最大得热总量存在一个最大值，该最大值所对应 的安装方位角即为该地区的最佳安装方位角 #!"。
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引言 随着我国能源消耗总量的增加，传统的化石燃
阳能有效得热量 （有用能） 与太阳能得热量之比近似 为一常数。 在此假定条件下， 采用典型年气象资料， 以平板 式太阳能集热器在整个采暖季的单位集热面积的太
料必将越来越紧缺，同时使用化石燃料所造成的环 境污染也将日益严重。开发利用太阳能不但可以缓
解我国化石燃料的紧缺局面， 还可以减轻环境污染。 阳辐射得热总量为目标函数进行动态分析计算， 便可 因此， 太阳能采暖越来越受到人们的关注。本文旨在 探讨平板式太阳能集热器在采暖中如何最大限度地 利用太阳能。 以得出其在不同地区的最佳倾角和最佳安装方位角。
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计算结果及分析 根据上述基本假设计算公式， 利用我国部分地区
典型年采暖季逐时气象数据， 对平板式太阳能集热器 在不同地区不同安装方位角及不同倾角情况下的单 位集热面积的太阳辐射得热总量， 进行了动态计算。
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单位集热面积的太阳辐射得热总量随安装倾
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与太阳光线垂直面上的太阳直射辐射强度； !!#：
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式中：
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水平面上的太阳直射辐射强度， 即为气象监 !!’： 测站测量的水平面上的逐时直射值。 太阳高度角； "： 太阳入射角。 !： 由公式 （"#" ） 和公式 （"#* ） 可以得到任意平面 上得到的太阳直射辐射强度 +!! 为：
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基本计算依据 气象监测站测量的太阳辐射是水平面上的逐时
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阳光能源 !""# 年 $ 月刊
基本假定及计算依据 基本假定 平板式太阳能集热器的热性能的详细分析是一
总辐射值和散射值。所用典型年气象数据中的太阳 辐射则为水平面上的逐时直射值和散射值。因此， 在 计算中必须将它们转化为平板式太阳能集热器表面 上的直射值和散射值。
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图 / 单位集热面积太阳能得热量 "# "#$% 与倾角 # 之间的关系曲线
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图-
最佳倾角 !#$% 与安装方位角 # 的关系曲线
表 $ 给出了我国部分地区的最佳安装方位角。 计算分析表明：某一地区的最佳安装方位角主要取
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图 . 给出了我国部分地区平板式太阳能集热器
的最佳安装倾角 !*+, 随安装 方 位 角 # 的 变 化 曲 线 。 决于该地区的气象条件特征， 而不只是纬度。
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积的平板式太阳能集热器在整个采暖季吸热板所获 得的太阳辐射得热的总和。用下式计算：
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式中：
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结论
"#$ 对于给定地区采暖用平板太阳能集热器存在
最佳倾角和最佳安装方位角。
向银阶( ’责编：
%#$ 采暖用平板太阳能集热器的最佳倾角随安装
方位角的不同而变化。因此， 应根据安装方位角的不 同采用不同的安装倾角，以获得最大太阳辐射得热 量。而且采暖用平板太阳能集热器的最佳安装倾角 也是平板式太阳能集热器的最大安装倾角， 因此， 实 际安装倾角不得超过最佳安装倾角。
式中： 水平面上的天空散射辐射强度， 即为气象监 !! ’： 测站测量的水平面上的逐时散射值。
角的变化 图 " 为北京地区平板式太阳能集热器安装方位 角偏东时，不同安装方位角下单位集热面积的太阳 辐射得热总量 4’ 随安装倾角 ! 的变化曲线。
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单位集热面积的太阳辐射得热总量 4’ 单位集热面积的太阳辐射得热总量是指单位面
")*：平板式太阳能集热器盖板对入射角为时的
太阳直射辐射的透过率； 平板式太阳能集热器盖板对太阳散射辐射的 ",： 透过率， 可用下式计算：
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天空散射辐射强度 *） 天空散射辐射强度 是 太 阳 光 经 过 大 气 层 时 ， 由 于大气中的薄雾和少量尘埃等使光线向各个方向反 射和折射， 形成一个由整个天空所照射的散射光。 通常假定天空散射辐射为等灰度辐射， 因此， 与 “看见” 的天空的百 水平面呈 ! 倾角的外表面上所能 分数为 （!"#$%! ） 故与水平面呈倾角的外表面上的 .* ， 天空散射强度 ! !& 为：
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郑州 西宁 拉萨 哈密 伊宁
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单位集热面积太阳能得热量 "# 与倾角 ! 之间的关系曲线
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图"
单位集热面积太阳能得热量 4’ 与倾角 ! 之间的关系曲线
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技术交流
图 ! 为北京地区平板式太阳能集热器安装方位 角偏西时，不同安装方位角下单位集热面积的太阳 辐射得热总量 "# 随安装倾角 ! 的变化曲线。
显然，不同地区的平板式太阳能集热器的最佳安装 倾 角 !*+, 随 安 装 方 位 角 # 的 变 化 规 律 具 有 不 同 特 点，这主要是由于不同地区具有不同特征的气象条 件所造成的。
6$7 /)1： ) 时刻单位集热面积的太阳辐射得热
量，即在单位时间内太阳辐射透过单位面积平板式
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倾角 !
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"# 先是随 ! 增大而增大，当达到某一值又开始随 !
的增大而减小。 显然， 存在一个最大得热总量 " ""#$%。 !(-
!(!)) 不同安装方位角下平板式太阳能集热器的最佳
安装倾角 !* + , 最大得热总量 !* + , 所对应的安装倾角即为给定 的安装方位角 # 下的最佳安装倾角 !*+ ,。 图 - 为北京地区平板式太阳能集热器的最佳安 装倾角 !*+, 随安装方位角的变化曲线。显然， 对于北 京地区最佳安装倾角 !*+, 随安装方位 # 角偏西或偏 东的增大而减小。
任 意 平 面 上 得 到 的 太 阳 直 射 辐 射 强 度 !"! 与 太 阳光对该平面的入射角有关。 如果某平面的倾角为 !
% 赵树兴， "HI$ 年，讲师
咨询了解本文发 JK =+09： ’L’M;,,90125687+<#;,=
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维持平板集热器热损失率基本恒定，即假定平板式 太阳能集热器用于主动式太阳能热水采暖时，其太
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时， 其表面所接受的太阳直射辐射强度 !!! 为：
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技术交流
太阳能集热器盖板的辐射热量 （假定盖板不吸收太
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式中：
。因此， 可采用下式计算： （"#" ） 阳辐射）
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式中： ： 时刻单位时间内太阳辐射透 过 单 位 面 $7（ " (） 积盖板的辐射热量； 时刻射到平板式太阳能集热器盖板上的太阳 !!(： 直射辐射强度， 此时入射角为 ! ； 时刻射到平板式太阳能集热器盖板上的太阳 -9： 散射辐射强度；
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表" 我国部分地区采暖用平板太阳能集热器 最佳安装方位角
地区 北京 郑州 西宁 拉萨 哈密 伊宁 最佳安装方位角 !!" #
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技术交流
方位角也不同。因此必须根据当地具体的气象条件 来确定最佳安装方位角。
&#$本文计算结果及其分析是依据普通平板玻璃太
阳能集热器在假定平板集热器热损失率基本恒定的条 件下推导出来的，但对采暖用平板式太阳能集热器的 安装具有一定的参考意义。 光 源