关于太阳能采暖系统热管夏季遮阳问题的研究

张玉菡 吴金顺 张伟捷 魏鋆 晋文

摘 要：为了解决太阳能采暖系统热管夏季遮阳问题，本文提出了一种基于太阳位置变化计算的太阳能集热器遮阳板，同时利用Ecotect软件对遮阳板的遮阳效果进行模拟。结果表明，在过渡季节遮阳面积较小，随着远离过度季，遮阳面积逐渐增大。

关键词：太阳能集热器;太阳高度角;遮阳性能;Ecotect

中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0005-02

0 引言

太阳能作为一种洁净的新型可再生能源越来越受到人们的关注。随着太阳能集热技术的相对成熟以及我国政府的大力支持，越来越多的用户选择太阳能热水系统满足用户供热及热水的需求[1]。随之而来集热器夏季温度过高，进而其寿命降低的问题也越来越突出。在实际工程中为了避免集热器温度过高，常采用普通的遮阳布进行简单遮挡，但遮阳布使用寿命短、维护成本高使得夏季遮阳问题更加突出。而现有集热器的研究主要集中于提高太阳能集热器结构、提高传热效率等方面[2]，在集热器遮阳方面鲜有涉及。遮阳问题由来已久，但目前的研究主要集中建筑遮阳[3]、绿化遮阳[4]、遮阳的影响[5]等，且这些研究主要为基于自身特点的遮挡、或是透光性的研究[6]，关于遮阳的各方面设计正在不断探索中，但几乎未涉及对某些避免阳光入射尤其是对集热器进行遮挡的方面。针对上述两方面问题，提出了一种基于太阳能高度角计算的太阳能集热器遮阳板的设计方法。

1 系统简介

本系统中的遮阳板由耐热不透明材料构成，遮阳板有顶部遮阳和侧部遮阳两部分组成，顶部遮阳设有卡槽，侧部遮阳设有凸起，两者连接避免遮阳板晃动，遮阳装置焊接在太阳能集热器的支架上，遮阳板结构具体如图1所示。在供暖季将外侧遮阳板折回内侧，以保证太阳能集热器的集热面积，在过渡季节将外侧遮阳板扳回，随着时间远离供暖季，太阳能高度角逐渐增加，太阳能遮阳板的遮阳面积随之增加。通过科学合理的设计可以使太阳能集热器在过度季节仍发挥供热作用，进而大大提高太阳能集热器的有效使用时间。

2 遮阳板设计原理

2.1 太阳位置

根据太阳高度角、太阳光入射角、太阳方位角可以确定太阳能集热器与太阳照射光的相对位置。计算说明如下：假设安装的地理位置为北纬φ，太阳赤纬δ，太阳高度角h，太阳能入射角β，当地时间Τ，时角t，日角x，积日y，太阳能集热器高H，宽K，在一年中的第a天，则相应的计算如下：

2.2 遮阳计算

根据对称性，上午或下午的遮阳面积关于正午时刻对称性分布，若遮阳板宽为K1，太阳能集热器安装角度为α，如图2所示，右下角部分即为非遮阳部分。根据几何关系，在当地时间Τ时刻，遮阳面积为：

2.3 遮阳性能

对式7进行定性分析，在当地时间某时刻侧遮阳宽度为一定值，而顶部遮阳的高度仅与太阳高度角有关，即太阳能高度角越大，遮阳面积越大。即在太阳能遮阳板的遮阳效率随着远离过度季，其遮阳性能越好，在太阳能高度角最大时（夏至日）遮阳性能达到最大值。

3 遮阳板遮阳模拟

以北京地区太阳能集热器竖直安装，长、宽各1.8m，遮阳板宽0.4m为例，采用Ecotect软件建立数学模型模拟3月15日、6月21日及11月15日在9：00—12：00每隔半小时的遮阳板遮阳情况。如图3、4、5所示，在供暖季结束即3月15日时，太阳能遮阳板能够遮住小部分的太阳能集热器。由于遮阳原因，集热器集热效率降低，可以继续进行供暖，提高室内热舒适度。在夏至日太阳直射位置到达北回归线，此时遮阳板在9：42前能够全部遮挡太阳能集热器，且在全天范围内能够遮挡大部分的太阳能集热器，即能够大幅度的降低热量的集聚，近而降低太阳能集热器的温度，提高太阳能集热器的使用寿命。当开始供暖时即11月15日，遮阳板能够遮挡小部分的太阳能集热器。

根据模拟结果可以看出，遮阳板从供暖季结束开始遮阳，随着远离遮阳季，其遮阳面积逐渐增大，在夏至日遮阳面积达到最大值，随后开始逐渐减小。

4 结语

本文提出了一种基于太阳能高度角的太阳能集热器遮阳板，采用理论分析的方法计算了遮阳性能及遮阳系数。通过分析、模拟遮阳性能，可以知道遮阳板的遮阳效果与太阳位置有关，在当地同一时刻，遮阳板的遮阳效果只有太阳能高度角有关，且随着太阳能高度角增大，其遮阳面积增加，在夏至日遮阳板的遮阳效果最佳。由于遮阳板的遮挡导致集热效率降低，而在过渡季节其室内热负荷虽然较低但停止供暖后其热舒适性仍然较差，此时仍可使用太阳能集热器进行供热，因此可以延长集热器每周期的使用时间。同时，采用遮阳板避免集热器夏季温度过高，减小了对太阳能集热器材质的损害，进而大大延长了太阳能集热器的使用寿命。

参考文献

[1] 王鹏.新型槽式太阳能集热器的研究[D].华北电力大学（北京），2017.

[2] 吉佳文，王文志，李金凯，段广彬，刘宗明.平板太阳能集热器强化传热应用研究进展[J].材料导报，2016，30（05）：45-51.

[3] 刘念雄.欧洲新建筑的遮阳[J].建筑技术，2012（12）：48-53.

[4] 唐绍尧.基于太阳能光伏/热技术的建筑遮阳策略研究[D].湖南大学，2012.

[5] 邓天福，李景广，叶倩，张泉，叶剑军.外遮阳百叶隔热性能与采光分析[J].建筑热能通风空调，2008（04）：13-18.

[6] 任俊.遮陽系数的原理及其测试分析[J].暖通空调，2012，42（3）：114-118.