广州地区太阳能集热器的间距设计

随着太阳能热水器技术的日臻成熟和人们环保意识的提高，广东许多学校、医院、招待所、工厂和家庭已安装了太阳能热水器，并取得了良好的经济效益和社会效益。太阳能热水器开展的势头之猛烈，令人振奋。

笔者看过广东地区不少单位安装的太阳能热水器，给人总体的印象较好，从系统设计到使用效果，从社会效益到经济效益，从质量到产量，都已有所突破。但也有些不尽如人意的地方，例如，对于太阳能集热器的不遮阳距离，有的厂家做得比拟好，但有个别厂家就不太注意。有的系统，前排集热器与后排集热器的间距只有0.4~0.5米，有的甚至只有0.2~0.3米，达不到应有的采光面积，也损害了用户的利益。

太阳能集热器的间距在设计时应选择多少才为适宜？才能到达预期的节能效果和经济效益？首先，需要了解太阳的周日视运动，然后，确定广州地区太阳能集热器在各个季节的不遮阳的距离，最后，再选择集热器间的最正确间距。〔一〕太阳的周日视运动地球外表上某一点所受到日照的日变化和年变化，都是地球自转和它围绕太阳公转而引起的。地球公转一周形成一年的四季变化，春秋分日昼夜等长；夏至日太阳在一年中正午高度角最高，昼最长，夜最短；到了冬至日，太阳高度角最低，昼最短，夜最长。地球自转一周，使我们在地球上每天看到太阳东升西落的运动，这种现象称为太阳的周日视运动，它是地球每天自转的结果。地球自转一周为一天，24小时，旋转360度。

太阳的周日视运动，是由当地的地理纬度、季节〔日、月〕和时间三个因素决定的。计算太阳在天球中对地球上某一点的相对位置，可以用地理纬度〔F〕、太阳赤纬〔d〕、太阳高度角〔a〕、太阳方位角〔g〕及时角w等太阳角进行定位。〔1〕太阳赤纬角d地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角。〔1〕d为一年中的日期序号为了计算方便，表1列出了各特征日季节、日期和太阳赤纬的对照。表1赤纬、日期和节气对照表节气日期赤纬节气日期赤纬节气日期赤纬立春2月4日-16芒种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惊蛰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处暑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小满5月21日+20秋分9月23日+0大寒1月20日-20〔2〕时角w单位时间地球自转的角度定义为时角w，规定正午时角为0，上午时角为负值，下午时角为正值。地球自转一周3600，对应的时间为24小时，即每小时相应的时角为150，每4分钟的时角为10。〔3〕太阳高度角a太阳的高度角a是地球外表上某点和太阳的连线与地平线之间的夹角，参见图1。〔2〕式中——当地纬度δ——太阳赤纬ω——太阳时角〔4〕太阳方位角γS太阳方位角γS是太阳至地面上某给定地点的连线在地面上的投影与南向〔当地子午线〕之间的夹角。方位角从正午算起，上午为负值，下午为正值。它代表太阳光线的水平投影偏离正南的角度，由下式计算：〔3〕当的计算值大于1时，改用下式进行计算：〔4〕〔二〕广州地区太阳能集热器的不遮阳距离

在安装太阳能热水器时，为了最大限度地收集太阳辐射能量，必须考虑周围建筑物对集热器的遮阳情况和前排集热器对后排集热器的遮阳情况，以便将集热器安放在不遮阳或尽量少遮阳的适宜位置。

图2为不遮阳距离和太阳角的关系示意图。图中：

ZA为太阳入射光线

OZ为建筑物或集热器的安装高度h

OA为H的水平阴影长度l

OB为不遮阳距离S

∠ZAO为该地区某时刻太阳高度角α

∠AOB为该地区某时刻太阳方位角γS由图2可见，对于正南朝向的集热器，其不遮阳距离〔5〕而影长，所以〔6〕式〔6〕为求日照间距的根本公式〔南向〕。对于不是正南北朝向的建筑物，即对朝向不是正南的集热器，〔7〕即：〔8〕γn为垂直于集热器平面的平面M的方位角，如图3所示。本文只着重分析正南朝向的不遮阳距离。表2计算了广州地区各特征日某时刻的太阳位置和水平阴影长率，供进行太阳能热水系统设计时参考。表2广州地区〔北纬230〕太阳位置数据表节气日期时刻6789101112181716151413夏至6月22日高度角α8213548627689方位角γS1111071039996941800水平阴影长率l6.3532.47931.41280.87490.52110.24540.0079大署〔小满〕7月23日高度角α8213448627587方位角γS1081039995898100水平阴影长率l7.34412.60391.45330.89330.53140.75340.0489处暑〔谷雨〕8月23日高度角α4223145597178方位角γS100938980735300水平阴影长率l12.8202.36731.6047098.730.59600.33150.2036春分〔秋分〕3月21日高度角α0132740526267方位角γS900847768553400水平阴影长率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水平阴影长率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水平阴影长率l

11.26663.21841.84961.28941.02270.9402冬至12月22日高度角α

31526354143方位角γS

625546341800水平阴影长率l

15.82233.61302.03151.41971.13761.0519〔三〕广州地区集热器间距的选择

如图4所示，定义集热器的间距A为前排集热器北端与后排集热器南端之间的水平距离。根据上述表2，可以计算出广州地区正南向集热器〔或建筑物〕的不挡光阴影长率，列如表3。表3广州〔北纬230〕正南向不挡光的阴影长率季节日期7:008:009:0010:0011:0012:0017:0016:0015:0014:0013:00夏至6月22日

太阳偏北太阳偏北太阳偏北太阳偏北0.0079大署

小满7月23日

5月21日太阳偏北太阳偏北太阳偏北0.00030.03750.0489处暑

谷雨8月23日

4月20日太阳偏北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表中取前排集热器〔或建筑物〕的高度为1

在进行太阳能热水系统设计时，在计算了不挡光的最少距离后，应根据实际安装场地的条件和用户的使用要求、使用季节，因地制宜地选取各排集热器之间的实际间距。建议在设计时进行如下考虑：〔1〕不应片面强调全年各天日出后的每个时刻均应服从不挡光的最小距离，也不能只顾满足所需求的采光面积而不考虑各排集热器间的严重遮挡，影响节能效果，增大用户投资。举个例说，冬至日上午7时和下午5时，不挡光的最小距离为7.277m，设计时不可能为了满足此一距离而将间距选择为此值，这样既增加了循环管路及保温，加大造价，又增加了管路的热损失。但是如果将间距只选为0.5m，那么冬至日的全天的太阳辐射会给遮挡了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时，其太阳辐射也会遮挡掉36%左右，影响了使用效果。〔2〕根据太阳能热水器的使用季节设计集热器间距，如为夏季使用，太阳高度大，集热器间距可选得较小也不会遮挡；如果是冬半年使用，一般要求冬至日上午10时后至下午14时前后排集热器不受遮挡，即保证有4小时的太阳辐射，如果满足这一要求，那么集热器间距应控制在1.175h，约为1.3m。〔3〕因受地形限制无法满足上述间距要求的，最少也要保证小雪日〔11月23日〕或大寒日〔1月20日〕的正午12时太阳辐射不受遮挡，满足这一要求的集热器间距为0.9402h约为1m。〔4〕推荐选用集热器间距为1.1～1.2m。〔5〕为了便于进行比照，通过计算，列出了广州地区几种不同集热器间距对接收太阳辐射的影响见表4。表4广州地区不同集热器间距对接收太阳辐射的影响

总辐射月平均值kJ/㎡1.2m间距1.0m间距0.8m间距0.5m间距遮挡百分数%减少日照kJ/㎡遮挡百分数%减少日照kJ/㎡遮挡百分数%减少日照kJ/㎡遮挡百分数%减少日照kJ/㎡10511月46