不同安装角度下平板集热器阳台壁挂式太阳能热水系统性能分析

1 引言

近年来太阳能作为清洁能源备受大家欢迎，阳台壁挂系统的成熟已然走进了千家万户，本着无动力自然循环，可靠、稳定、节能的优势，以及分户独立、方便管理的优点，加上天普公司的无过热技术、安全防护技术、智能控制技术，让用户使用做到舒适、安全、节能。不少学者已对较多品牌的平板集热器不同结构和类型做过对比研究，本文将对一种管板式平板集热器的常用安装角进行分析。

2 研究背景

阳台壁挂太阳能系统作为高层住宅的一种清洁能源解决方案得到了普及，现有的阳台壁挂式太阳能热水系统在安装时为保证系统的效率要求集热器必须与建筑立面有15~30°的倾角（如图1），而集热器在建筑立面上倾斜安装，会影响到整个建筑的外观，并且会对下层住户的采光造成一定影响，降低住宅使用功能的舒适性。现在高端楼盘对建筑立面的效果要求越来越高，亟需解决壁挂太阳能与建筑完美结合的问题。而集热器垂直安装、嵌入建筑的南立面是一种有效的解决方案。我们对垂直安装与倾斜安装的太阳能热水系统热效率、日有用的热量、水箱温升等进行了研究。

图1 现有阳台壁挂式太阳能热水系统集热器安装方式

3 系统原理

阳台壁挂式太阳能热水系统一般采用自然循环的原理，即：太阳能集热器吸收热量，使得集热板内的介质温度升高，由此引起密度差，高温介质靠重量差流到水箱中，将热量换给储热水箱中的水，介质温度下降以后，继续回流到集热板吸收热量（如图2、3 所示）。

图2 系统原理图

图 3 阳台壁挂式太阳能热水系统安装效果图

3.1 平板太阳能集热器介绍

平板太阳能集热器是指吸热体结构基本为平板形状的太阳能集热器。它具有结构简单，维护方便，集热效率高，使用寿命长，可利用直射和散射太阳光等优点。它可用于产生40 ～ 80℃中等温度的热水，也可用于空气加热。

平板集热器的基本结构如图4 所示，主要由透明盖板、吸热体、保温层、边框外壳组成。其工作原理为：当太阳光透过透明玻璃盖板射到表面涂有太阳能吸收涂层的吸热体板上时，吸热体吸收太阳辐射能，并将吸收的太阳辐射能转换成热能。热能用于加热从集热器进口流入吸热体流道内的工质，工质在吸热体流道内被加热后从集热器出口流走，并将集热器吸热体吸收的热能带走，表1 为平板集热器参数。

表1 平板集热器参数

图4 平板集热器结构示意图

3.2 不同安装方式下的太阳能热水系统

阳台壁挂式太阳能热水系统一般应用于满足4 小时日照以上住宅建筑的热水供应。较多情况为太阳能集热器（平板式）安装于建筑阳台外南立面墙上，储热水箱则多悬挂固定安装于阳台内侧承重墙上。阳台窗外的太阳能集热器与储热水箱之间通过热媒介质的循环管道进行连接。储热水箱配置有电加热辅助及温度显示、手动自动操作等功能。用户使用热水时，直接打开热水阀门，冷水进入储热水箱将水箱内的热水顶出，热水流向用户用水末端的洗浴喷头。

安装于用户阳台外窗下的太阳能集热器一般情况下多为平板型太阳能集热器（也有部分用户使用安装U型管真空管式太阳能集热器），平板集热器与用户南立面外墙之间有15-30 度的倾斜角度以满足集热器较大面积接受到阳光照射。如果采用垂直于地面的平行镶嵌安装于建筑南立面墙上时，接收到的阳光照射面积将被相应减少，会影响到太阳能热水系统的得热量和水箱温度。

针对这两种不同安装方式对太阳能热水系统热性能造成的不同程度影响，进行了实际测试和理论分析研究。

研究前，先建立两个实验测试模型，即系统1 和系统2。系统1 和系统2 所采用的系统模式、集热器类型、集热面积、储热水箱结构、容量、安装管道材质、长度、测试条件环境等情况完全相同。不同之处在于，系统1 和系统2 采用的平板型太阳能安装的倾斜角度不同。系统1 为集热器与建筑南立面墙呈28 度夹角。系统2 为集热器与建筑南立面墙呈0 度夹角。如图5、图6 所示。

图5 两种不同安装方式下的系统原理图

图6 两种系统集热器不同安装方式图

4 实验装置及测量过程

实验条件

测试时间：2018.4.11—2018.4.12。

4 月11 日累计辐照量19.149 MJ/m²，风速1.1m/s，环境温度24.8℃。

4 月12 日累计辐照量19.117 MJ/m²，风速1.4m/s环境温度21.9℃。

按照国家标准：平板集热器方向正南，累计辐照量大于16MJ/m²；白天试验期间的平均环境温度应大于15℃，小于30℃；温度传感器安装在水箱中部；总日射表传感器应安装在平板集热器高度的中间位置，并与平板集热器采光平面平行，两平行面的平行度相差应小于1°。安装位置应避免太阳集热器的反射对其测量结果产生影响。在整个测试期间，总日射表不应遮挡太阳集热器采光，并不被其它物体遮挡[1]。

实验装置组成及型号：相同的平板集热器2 块（尺寸L×W×H为2400×800×80mm, 采光面积1.76m²）；夹套式100L 水箱2 台；集热器循环管道采用不锈钢波纹管Φ16-22，单路循环管道长度小于1.5 米。混水循环水泵2 台；太阳能测试系统一套；安装工具一套。

测试系统1：平板集热器的安装倾角与建筑南立面夹角∠ 28°（与地面夹角62°）；

测试系统2：平板集热器的安装倾角与建筑南立面夹角∠ 0°（与地面夹角90 度°）；

试验开始前，需测储水箱的试验水量，测量如下：打开上水阀门给储水箱上水，当水箱热水出水口流量稳定后，说明水箱已注满水，关闭上水阀门。随后进行储水箱放水试验，测量水箱能放出水的容量，测试结果：系统1 储热水箱放水量97.5 升；系统2 储热水箱放水量97.4 升。接下来按照规范要求进行测试仪器安装。

测量该平板集热器的采光面积AC 并记录。然后利用遮光物将平板集热器遮盖住。在早上8:00，实验开始，撤去集热器上的遮盖物，并记录此时的水箱温度tb、太阳辐照量H1、环境温度T1。之后每隔一个小时记录一次数据，在此期间系统为自然循环，直到下午16:00 时，开启混水循环泵将水箱混水15 分钟后关闭循环泵（避免水箱内水温不均匀而影响测试数据），记录此时的水箱温度te、太阳辐照量H2、环境温度T2。所测数据填写在表2 中，由以下公式计算出该系统的热效率[2]。

表2 测试记录数据（4 月11 日）

第1 天测试数据完成后没有进行水箱放水，而是进行储热水箱热损性能测试后，又进行了第2 天的持续升温实验。测试数据如表3：

表3 测试记录数据（4 月12 日）

5 数据分析

系统试验期间单位轮廓采光面积的日有用得热量q[3] 用公式（4-1）计算：

式中：q——日有用得热量MJ/m²；

H——累计辐照量MJ/m²；

按上述测试数据记录进行计算，计算结果详见表4、表5：

表4 第1 天测试数据计算结果（4 月11 日）

表5 第2 天测试数据计算结果（4 月12 日）

用柱状图表来对比计算结果，如图7、图8 所示：

图7 系统1 和2 在4 月11 日有用得热量

图8 系统1 和2 在4 月12 日有用得热量

图7、图8 为实验测试4 月11 日和4 月12 日数据下，系统1 和系统2 的计算有用得热量，公式（4-1）已给出，日有用得热量反应太阳能热水系统做功的能力，在4 月11 日两套系统的日有用得热量分别为13.45MJ、9.04MJ，集热器倾斜安装系统1 的得热量比竖直安装系统2 的得热量高32.8%；4 月12 日两套系统1 和系统2 得热量分别为8.67MJ、5.99MJ，集热器倾斜安装系统1 得热量比系统2 高约30.9%。

6 系统实验误差分析

对该系统进行分析研究时，主要依据该实验数据的测试结果，影响测试数据结果的可能性有：

（1）温度传感器探头安装位置不够精确；

（2）防冻液是否加满，管道中是否有气阻，影响正常换热；

（3）集热器与水箱管道距离及保温情况。

经再一次检查系统并进行分析，该误差可能原因较小，该实验测试数据较为可靠。后期又经过第2 次，第3 次实验，数据相差不大，则以第1 次该测试数据为分析依据。

7 理论分析

经中国太阳能不同倾斜面上资料库[4] 查得全年的月平均日累计辐照量，进行全年性的综合评估及理论计算。

7.1 集热器安装倾斜面的各月日均辐照量

在系统1 和系统2 不同安装角度下，采用计算机软件进行模拟计算，该集热器面积对应全年不同月份日平均辐照量，计算结果如表6：

表6 不同倾斜面的日均辐照量MJ/m²

系统1（与地面倾角62 度）和系统2（与地面倾角90 度）进行计算机模拟计算，全年各月日平均累计辐照量为：

说明：以上模拟计算结果单位为KWH/m²•D，转换为热量单位焦耳，数据乘以3.6MJ/KWH。

7.2 不同月份集热器日均效率计算

依据国检检测中心提供的天普公司平板集热器的检测报告的集热器效率方程为：

表7 天普平板集热器不同月份日平均集热效率

7.3 系统日有用得热量计算

表8 系统1、系统2 计算各月份日有用得热量及水箱温升

图9 系统1 和系统2 在全年1 ～ 12 月份水箱温度对比表

8 结论

从本次实验数据计算及理论分析，可以看出集热器与墙面成28°夹角安装的壁挂系统的日有用得热量、水箱温升等方面均比集热器竖直安装（集热器与墙面成0°夹角）的系统高30% 以上，全年高26.4% 左右。究其原因，主要是系统2 垂直于地面安装的太阳能集热器，得到阳光照射的有效集热器投影面积较小，在阳台日照条件较好的5、6、7、8 月份，系统的得热量却达到了最低，水箱温升没有超过20 度，造成太阳能热水系统无法满足用户使用。在不考虑太阳高度角条件下，尤其是夏季平行于建筑南立面墙安装的太阳能集热器，如何获得更大的集热器面积，有效提高太阳能系统的温升，是我们进行系统设计和产品研发的方向，此次实验结果和结论分析，为探讨研究适合阳台壁挂垂直安装和设计的太阳能集热器提供了理论依据。

参考文献

[1]GB/T 20095-2006, 家用太阳能热水系统热性能试验方法[S].

[2] 刘继者. 热管平板式太阳能集热器和太阳能热水系统的研究[D]. 天津：天津大学，2006.

[3] 龚小辉，羌季. 与建筑一体化太阳能集热器的选型设计与分析[J]. 太阳能，2010（2）：44-47.

[4] 中国太阳能不同倾斜面上辐照量资料库.2006.中国可再生能源发展项目（REDP）.

[5]RABINOWITZ P H. Some global results for nonlinear eigenvalue problems[J].J Funct Anal，7（3）：487-513.

作者

天普新能源科技有限公司丁海兵白建祥张广顺

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