摘要：本文对阳台壁挂系统太阳能平板集热器的安装角度(集热器与南立面墙的夹角分别为28°和0°)建立一个对比实验，依据国家相关规范及标准做详细的热性能研究，结果表明倾斜安装的平板集热器热水系统的水箱温升、日用得热量等明显高于平板集热器竖直安装(与地面垂直)的系统。

关键词：阳台壁挂  平板集热器  倾斜安装  竖直安装

引言：近年来太阳能作为清洁能源备受欢迎，阳台壁挂系统已然走进了千家万户，本着无动力自然循环，可靠、稳定、节能；分户独立，方便管理的优点,加上天普公司的无过热、安全防护、智能控制等技术，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，本文主要对一种管板式平板集热器的常用安装角进行分析。

1.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，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

2.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。

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

2.1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，主要有透明盖板、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：平板集热器参数

图4平板集热器结构示意图

2.2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)安装与建筑阳台外南立面墙上，储热水箱则多为悬挂固定安装与阳台内侧承重墙上。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。

安装与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的接受到阳台照射。如果采用垂直与地面的平行镶嵌安装与建筑南立面墙上时，接收到的阳光照射面积将被相应的减少，会导致太阳能热水系统产生得热量不足，造成水箱温度不高等问题。

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

研究前，我们将先建立2个实验测试模型，即为：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都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°夹角。系统2为集热器与建筑南立面墙呈0°夹角。如图５、图６所示。

图５系统原理图、图６两种系统集热器不同安装方式图

3 .实验装置及测量过程

3.1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)；

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。接下来安装检查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。最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测试记录数据如下表(4月11日)

第1天测试数据完成后没有进行水箱放水，而是进行了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。测试数据如下表：

表3测试记录数据如下表(4月12日)

4.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：

系统热效率：

式中：

本次实验已进行过前置实验，在误差允许范围内，可以进行后续实验。

按上述测试数据记录结构进行计算，计算结果详见下表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下图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%。

5.系统实验误差分析

对该系统进行分析研究时，主要依据于该实验的测试数据，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次进行实验，数据相差不大，则以第1次该测试数据为分析依据。

6.理论分析

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

6.1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下表6：

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：

图9 62°倾斜面辐照量模拟计算、图10 90°倾斜面辐照量模拟计算

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

表6不同倾斜面的日均辐照量MJ/m2

6.2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：

按上述计算公式(6-1)计算结果如下表7所示：

表7　天普平板集热器不同月份日平均集热效率

6.3系统日有用得热量计算

经集热面积公式(6-2)计算，在由公式(6-2)已知辐照量下求出温差，最终根据公式(4-1)得到月平均日有用得热量。

式中：

以100L水箱为例，基础水温(又称初始水温)20℃，集热效率全年日平均见表7，可推理计算得出系统1和系统2在全年各月日平均太阳辐照量情况下的得热量和水箱温升。如表8所示：

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11 系统1和系统2在全年1-12月份水箱温度对比表(基础水温按20℃)

7.结论

从本次实验数据计算及理论分析上，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；在全年来说高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的原因所致，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℃，造成太阳能热水系统无法满足用户使用。在不用太阳高度角下，尤其是夏季季节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.

责编：张建苹

作者：丁海兵、白建祥、张广顺

来源：天普新能源科技有限公司

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