1阳台（南墙）式太阳能集热器的倾角设计与选定高元运 李振锋 石雄雁（广东五星太阳能股份有限公司 东莞 523051）摘 要： 通过对阳台（南墙）式太阳能集热器的朝向赤道的采光分析，提出其倾角设计的三原则并给出不同纬度带下其倾角的推荐数值与建议关键词: 阳台（南墙） 太阳能集热器 倾角1 引言在太阳能城市化进程中，其在高层建筑南立面的结合与应用具有独特的优势，因为高层建筑南墙上有丰富的太阳能资源，甘肃自然能源研究所曾为此提出过《南墙计划》的概念，阳台（南墙）式平板太阳能热水器也因此而得到篷勃发展，受到普遍欢迎，成为政府部门在房屋建筑中强制推行太阳能热利用的重要内容但太阳能企业在生产和安装应用中，常常会因对太阳能的日地运动不甚了解而出现一些十分低级的错误一个突出的问题就是对阳台（南墙）式太阳能集热器（以下简称阳台集热器）的倾角处理不当如在南京，合肥这样纬度(Φ )较低的地方采用了将集热器在阳台上垂直安装的方案，岂不知当夏至日前后，太阳高度角很大（夏至日 αs =81.5°） ，试想还有多少太阳能照在集热器上，造成太阳能热水器效果极差，这种问题在知名的太阳能和家电企业都有发生，而且为数不少。
也有太阳能企业闹出在广东珠海和海南岛五指山装常规阳台热水器的笑话凡此种种说明阳台集热器的倾角对生产制造和设计应用部门都是一个值的重视的问题本文对阳台集热器的太阳能采光基于朝向赤道的情况进行分析，在找出其规律后提出确定阳台集热器倾角的三原则，并按每隔 4°为一个纬度带，作了针对性的分析，从而给出不同纬度带的阳台集热器倾角的推荐值和建议一个优秀的阳台热水器还涉及总体系统方案，关键器件的热工和结构设计，加工制造工艺等方面，但由于其自身的特点，倾角成为她首当其冲的问题2 确定阳台集热器倾角的原则2.1 对常规太阳热水器使用经验的借鉴1）加大倾角，照顾冬季传统教科书总是推荐太阳集热器的倾角 S 为夏季用：S=Φ-(5°-10°)冬季用：S=Φ+(5°-10°)全年用：S=Φ然而我们实际使用经验总是夏天热水用不完，冬季不够用；其热性能计算也说明倾角S=Φ+5°时夏季有用得热和产水量比冬季要高 70—80%，当倾角 S=Φ+8°时，夏季比冬季的前述值是 20—30%，当倾角S=Φ+23°时，其值为 10%，全年比较均衡阳台集热器由于应用部位的原因，不得不使用较大的倾角，这真是适逢其是2）集热器阵列前后不遮挡对于阳台集热器当然也要上下不遮挡的。
1.2 阳台集热器的倾角设计三原则1）照顾冬季这就要加大倾角，使冬至太阳高度角最低时太阳光能直射在集热器表面即需倾角为S=Φ+23.5°,在此基础上再予调正2）上下不遮挡3）南立面美观这是阳台集热器特有的问题，幸好集热器倾角有调正空间可以满足这一要求22 阳台集热器的采光分析图 1 是一个阳台集热器的采光分析图，其中 H 是层高，B 是集热器宽度，Ld是集热器前端伸出长度，Lt 是调正后的集热器前端伸出长度Sy 是按 S=Φ+23.5°所确定的照顾冬季的倾角，这反映在图 1a)中，这时 我们看到冬至日阳光垂直入设到集热器采光面上，但夏至日投射的太阳射线却被集热器前端所遮挡而到不了下层集热器的采光面上为此，我们需要牺牲冬至垂直入射的优点而将上下集热器倾角再予加大，使集热器伸出端由 A 点缩至 B 点，Ld 变为 Lt,从而使夏至日的阳光可以照设到下层集热器，这如图 1b)夏至无遮角图所示，此时倾角由 Sy 变为 St. 这个角度可按集热器宽度 B 为半径经两次的迭代作图求得 3 不同纬度带倾角的图解我们将中国可使用阳台集热器的地区分为 6 个纬度带：1） φ28：与长沙、遵义所处纬度带相近的地区；2） φ32：与合肥、南京所处纬度带相近的地区；3） φ36：与青岛、兰州所处纬度带相近的地区；4） φ40：与北京、敦煌所处纬度带相近的地区；5） φ44：与乌鲁木齐、长春所处纬度带相近的地区；6） φ48：与阿勒泰、黑河所处纬度带相近的地区。
下面是这些图解，按上述采光分析方法，不难看清这些图解过程，据此，可对任何纬度的倾角作出相应的结果3北纬 28°，几乎是阳台集热器应用的最低纬度了，从图解中可见，为了避免上下遮挡，集热器的宽度选为700mm，且倾角由优化的 52°调正为76°，图中的前端由伸出 431mm 缩小到 167mm，基本可以，但再宽的集热器就不合适了由图 3 可见，在给出优化角 56°后，看出三种宽度上下都是有遮挡的，需分别调正到 67°、71° 、和 74°，将集热器前端伸出减小，这样对建筑美观也有好处 ，这些角度从现有的配水量（52kg/㎡）来看，不论实践和计算也都是可行的由图 4 可见，纬度 36°可认为是一个转折点，在此所选优化角所产生的一点上下遮挡，已可不予理会，如从建筑美观考虑，将倾角加大到 75°也是可以的由图 5 可见， 到了较高纬度的40°，再选定优化角后，上下已无遮挡了，如出于建筑考虑，其倾角也还有可加大到垂直的可能由图 6 可见，纬度更大，在优化角下，就更不会上下遮挡，建筑师会有更大的空间由图,7 可见，阳台集热器在纬度越高的地带越有优势，到了高纬度，其自由空间就更大了44 阳台集热器倾角值的推荐根据以上图解结果将阳台集热器倾角值汇总整理为下表。
阳台集热器倾角推荐值与建议集热器宽度/mm序号 纬度φ/°相 应 地 区700 800 900 10001 28 长沙、遵义 75°尚可不可 不可 不可2 32 合肥、南京 不推荐70°—75° 70°—75° 70°—75°3 36 青岛、兰州 不推荐60°—75° 60°—75° 60°—75°4 40 北京、敦煌 不推荐70°-75°-90°可垂直70°-75°-90可垂直°70°- 75°-90可垂直°5 44 乌鲁木齐、长春不推荐68°-75°-90°可垂直68°-75°-90°可垂直68°-75°-90°可垂直6 48 阿勒泰、黑河 不推荐75°—90°可垂直75°—90°可垂直75°—90°可垂直注：1）斜梯粗字为优化倾角，更大倾角是热性能尚可接收的角度；2）75°倾角（有下划线）可认为是一个广适角度5 结论1) 优化角是当地纬度加 23.5°，是日阳光垂直照射集热器采光面；2）阳台集热器在高纬度地带具有优势，其低纬度只能用到 28°；3）阳台集热器倾角的确定要兼顾照顾冬季、上下不遮挡和南立面美观的三原则；4）阳台集热器在纬度接近 40°及其以上才可考虑垂直安装；5）低纬度 28°，只能使用较窄的集热器（700mm） ，倾角为 75°；6）75°可认为是一个广适倾角。