太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)-經(jīng)典資料

第四章太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1概述太陽能集熱系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、儲水箱及相應(yīng)的閥門和控制系統(tǒng)，強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)還包括循環(huán)水泵，間接式系統(tǒng)還包括換熱器。太陽集熱器是太陽熱水系統(tǒng)中的集熱部件，也是太陽熱水系統(tǒng)的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響到太陽能熱水系統(tǒng)的性能。太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要圍繞著它來進(jìn)行，但系統(tǒng)其它附件的合理選擇及設(shè)計(jì)，對充分利用集熱器所所收集的太陽能也起著決定性的作用。4.2太陽集熱器的定位4.2.1集熱器的安裝方位和傾角確定太陽集熱器的定位時，需要考了集熱器傾角和方位對太陽輻射能收集的影響。太陽集熱器的安裝位置不應(yīng)有任何障礙物遮擋陽光，并宜選擇在背風(fēng)處，以減少熱損失；設(shè)計(jì)全年運(yùn)行的系統(tǒng)，宜保證春分/秋分日〔此時赤緯角δ=0〕陽光照射到集熱器外表上的時間不少于6小時；主要在春、夏、秋三季運(yùn)行的系統(tǒng)，宜保證春分/秋分日〔此時赤緯角δ=0〕陽光照射到集熱器外表上的時間不低于8小時；主要設(shè)計(jì)在冬季運(yùn)行的系統(tǒng)，宜保證在冬至日〔此時赤緯角δ=－23°57′〕陽光照射到集熱器外表上的時間不少于4小時；太陽集熱器與障礙物之間的距離宜大于太陽光不被遮擋的日照距離。太陽集熱器的傾角和方位對太陽輻射能量收集會產(chǎn)生一定的影響，為了更充分地利用太陽能量，希望投射到集熱器采光面上的太陽能越多越好。由于太陽與地球相對位置的不斷變化，集熱器上所收集到的太陽能也是不斷變化的。因而需要討論一年中要得到最大太陽能量時，他們的傾角及方位是多少。對于在長時間內(nèi)，大氣條件不隨季節(jié)性變化的地區(qū)太陽集熱器方位及傾角的影響可根據(jù)太陽直接輻射估算。研究說明，當(dāng)集熱器的方位是正南方向，傾角為S=0.9Φ時，得到的年直射輻射量最大；但如果增加考慮散射輻射的影響因素，那么結(jié)果會有很大不同。由于散射輻射受大氣條件、云量變化情況影響較大，而過去受條件限制缺乏相關(guān)資料，所以，長期以來沿用的太陽集熱器定位原那么是基于對太陽直接輻射的估計(jì)結(jié)果，即集熱器方位朝向正南放置，傾角近似于當(dāng)?shù)鼐暥取布碨=Φ〕時，可得到最大年太陽輻射能量；如果希望在冬季獲得最正確的太陽輻射能量，傾角應(yīng)加大至約比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°〔即S=Φ+10°〕；而在夏天，那么應(yīng)比當(dāng)?shù)鼐暥刃?0°〔即S=Φ－10°〕；。根據(jù)軟件的模擬結(jié)果，太陽集熱器宜朝向正南，或南偏東、偏西30的朝向范圍內(nèi)設(shè)置；受條件限制集熱器不能按上述朝向范圍設(shè)置時，也可加大偏東、偏西的角度或者完全偏東、偏西設(shè)置，但應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。太陽集熱器的傾角可選擇在當(dāng)?shù)鼐暥取?0°的范圍內(nèi)；受當(dāng)?shù)貤l件限制時，需要超出此范圍的傾角時，也應(yīng)按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定設(shè)置，合理的增加集熱面積，以到達(dá)對太陽能的充分利用。低緯度地區(qū)設(shè)置在墻面、陽臺欄板上或作為陽臺欄板使用的太陽集熱器應(yīng)以適當(dāng)傾角安裝，以增大太陽輻射熱量。安裝誤差一般不超過±3%。多塊太陽集熱器在坡屋面等建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上串、并聯(lián)安裝時，集熱器上加上連接管等附件組成的集熱器陣列總尺寸應(yīng)與構(gòu)成維護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑材料的模數(shù)相配，不影響建筑物的外觀。4.2.2集熱器前后排間距某一時刻，太陽集熱器不被前方障礙物遮擋陽光的日照間距如圖4-1所示。圖4-1日照間距示意圖圖中障礙物的高度為H，當(dāng)要求正午前后n小時照射到太陽集熱器外表的陽光不被遮擋時，必須滿足正午前后n小時前方障礙物的陰影落在集熱器下邊緣的P點(diǎn)，以通過P點(diǎn)作集熱器外表的法線Pn，正南方向線PS，那么Pa即為日照間距線S。由S/Pb=cosγ0,Pb/bb′=Pb/H=coth可得：S=Hcothcosγ0〔4-1〕式中S——日照間距，m;H——前方障礙物的高度，m;h——計(jì)算時刻的太陽高度角；γ0——計(jì)算時刻太陽光線在水平面上的投影與集熱器外表法線在水平面上的投影線之間的夾角。角γ0和太陽范圍角α及集熱器方位角γ〔集熱器外表法線在水平面上的投影線與正南方向線之間的夾角，偏東為負(fù)，偏西為正〕有如下關(guān)系，如圖4-2所示。圖4-2集熱器朝向與太陽方位的關(guān)系太陽集熱器在安裝時，為充分發(fā)揮太陽集熱器的效能，要求前后排集熱器之間不能互相遮擋。集熱器前、后排之間不互相遮擋的最小間距可有公式〔4-1〕計(jì)算得出。計(jì)算時刻的選擇，應(yīng)遵循以下原那么：〔1〕全年運(yùn)行系統(tǒng)，選春分/秋分日〔此時赤緯角δ=0〕的9:00或15:00；〔2〕主要在春、夏、秋三季運(yùn)行的系統(tǒng)，選春分/秋分日的8：00或16:00；〔3〕主要在冬季運(yùn)行的系統(tǒng)，選擇冬至日〔此時赤緯角δ=－23°57′〕的10:00或者14:00；〔4〕太陽集熱器安裝方位為南偏東時，選擇上午時刻，南偏西時，選擇選完時刻。4.3集熱器的連接工程中使用的太陽集熱器數(shù)量一般很多，一般假設(shè)干集熱器先連接一個集熱器組，集熱器組之間再通過一定的方式連接成一個集熱器系統(tǒng)。如何連接太陽集熱器對太陽能集熱器系統(tǒng)的防凍排空、水力平衡和減少阻力都起著重要作用。一般來說，集熱器連接成集熱器組的方式有三種〔圖4-3〕：串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)，串并聯(lián)也稱為混聯(lián)。圖4-3集熱器的連接方式對于自然循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)，集熱器不能串聯(lián)，否那么因循環(huán)流動阻力大，系統(tǒng)難以循環(huán)，只能采用并聯(lián)方式，且每個集熱器組集熱器數(shù)目不宜超過16個或者總面積不宜大于32m2；對于非自然循環(huán)系統(tǒng)，集熱器可采用串并聯(lián)或者并聯(lián)方式連接，但一般情況下，推薦采用并聯(lián)的方式連接，采用串聯(lián)時，串聯(lián)的集熱器也不宜超過3個。通過以上方式連接起來的集熱器稱之為集熱器組。多個集熱器組連接起來形成太陽能集熱系統(tǒng)。為保證各集熱器組之間的水力平衡，各集熱器之間的連接推薦采用同程連接，如圖4-4〔a〕所示。當(dāng)不得不采用異程連接時，在每個集熱器組的支路上應(yīng)該增加平衡閥來調(diào)節(jié)流量平衡，如圖4-4〔b〕所示。集熱器組之間采用并聯(lián)方式連接，各集熱器組包含的集熱器數(shù)應(yīng)該相同，自然循環(huán)系統(tǒng)全部集熱器的數(shù)量不宜超過24個或者總面積不宜超過48m2。圖4-4集熱器組的接管方式4.4貯水箱的設(shè)計(jì)太陽能熱水系統(tǒng)的貯水箱必須保溫。太陽能熱水系統(tǒng)貯水箱的容積既與太陽集熱器總面積有關(guān)，也與熱水系統(tǒng)所效勞的建筑物的要求有關(guān)，貯水箱的設(shè)計(jì)對對太陽集熱系統(tǒng)的效率和整個熱水系統(tǒng)的性能都有重要影響。4.4.1貯水箱容積計(jì)算一般來說，對于每平方米太陽集熱器總面積，需要的貯熱水箱容積為40—100L，推薦采用的比例關(guān)系通常為每平方米太陽集熱器總面積對應(yīng)75L貯熱水箱容積。需要精確計(jì)算時，可以通過計(jì)算機(jī)相關(guān)模擬軟件進(jìn)行長期熱性能分析得到。4.4.2貯水箱管路布置貯熱水箱同時連接太陽能集熱器和熱水供給系統(tǒng)時，為很好的利用由于水箱內(nèi)的分層效應(yīng)，熱水供給出水管一般安排在水箱頂部，自來水補(bǔ)水管一般插在水箱下部，出水口距離水箱底部10—15cm。