張玉菡 吳金順 張偉捷 魏鋆 晉文

摘 要：為了解決太陽能采暖系統(tǒng)熱管夏季遮陽問題，本文提出了一種基于太陽位置變化計算的太陽能集熱器遮陽板，同時利用Ecotect軟件對遮陽板的遮陽效果進行模擬。結(jié)果表明，在過渡季節(jié)遮陽面積較小，隨著遠離過度季，遮陽面積逐漸增大。

關鍵詞：太陽能集熱器;太陽高度角;遮陽性能;Ecotect

中圖分類號：TU83 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0005-02

0 引言

太陽能作為一種潔凈的新型可再生能源越來越受到人們的關注。隨著太陽能集熱技術的相對成熟以及我國政府的大力支持，越來越多的用戶選擇太陽能熱水系統(tǒng)滿足用戶供熱及熱水的需求[1]。隨之而來集熱器夏季溫度過高，進而其壽命降低的問題也越來越突出。在實際工程中為了避免集熱器溫度過高，常采用普通的遮陽布進行簡單遮擋，但遮陽布使用壽命短、維護成本高使得夏季遮陽問題更加突出。而現(xiàn)有集熱器的研究主要集中于提高太陽能集熱器結(jié)構(gòu)、提高傳熱效率等方面[2]，在集熱器遮陽方面鮮有涉及。遮陽問題由來已久，但目前的研究主要集中建筑遮陽[3]、綠化遮陽[4]、遮陽的影響[5]等，且這些研究主要為基于自身特點的遮擋、或是透光性的研究[6]，關于遮陽的各方面設計正在不斷探索中，但幾乎未涉及對某些避免陽光入射尤其是對集熱器進行遮擋的方面。針對上述兩方面問題，提出了一種基于太陽能高度角計算的太陽能集熱器遮陽板的設計方法。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)中的遮陽板由耐熱不透明材料構(gòu)成，遮陽板有頂部遮陽和側(cè)部遮陽兩部分組成，頂部遮陽設有卡槽，側(cè)部遮陽設有凸起，兩者連接避免遮陽板晃動，遮陽裝置焊接在太陽能集熱器的支架上，遮陽板結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。在供暖季將外側(cè)遮陽板折回內(nèi)側(cè)，以保證太陽能集熱器的集熱面積，在過渡季節(jié)將外側(cè)遮陽板扳回，隨著時間遠離供暖季，太陽能高度角逐漸增加，太陽能遮陽板的遮陽面積隨之增加。通過科學合理的設計可以使太陽能集熱器在過度季節(jié)仍發(fā)揮供熱作用，進而大大提高太陽能集熱器的有效使用時間。

2 遮陽板設計原理

2.1 太陽位置

根據(jù)太陽高度角、太陽光入射角、太陽方位角可以確定太陽能集熱器與太陽照射光的相對位置。計算說明如下：假設安裝的地理位置為北緯φ，太陽赤緯δ，太陽高度角h，太陽能入射角β，當?shù)貢r間Τ，時角t，日角x，積日y，太陽能集熱器高H，寬K，在一年中的第a天，則相應的計算如下：

2.2 遮陽計算

根據(jù)對稱性，上午或下午的遮陽面積關于正午時刻對稱性分布，若遮陽板寬為K1，太陽能集熱器安裝角度為α，如圖2所示，右下角部分即為非遮陽部分。根據(jù)幾何關系，在當?shù)貢r間Τ時刻，遮陽面積為：

2.3 遮陽性能

對式7進行定性分析，在當?shù)貢r間某時刻側(cè)遮陽寬度為一定值，而頂部遮陽的高度僅與太陽高度角有關，即太陽能高度角越大，遮陽面積越大。即在太陽能遮陽板的遮陽效率隨著遠離過度季，其遮陽性能越好，在太陽能高度角最大時（夏至日）遮陽性能達到最大值。

3 遮陽板遮陽模擬

以北京地區(qū)太陽能集熱器豎直安裝，長、寬各1.8m，遮陽板寬0.4m為例，采用Ecotect軟件建立數(shù)學模型模擬3月15日、6月21日及11月15日在9：00—12：00每隔半小時的遮陽板遮陽情況。如圖3、4、5所示，在供暖季結(jié)束即3月15日時，太陽能遮陽板能夠遮住小部分的太陽能集熱器。由于遮陽原因，集熱器集熱效率降低，可以繼續(xù)進行供暖，提高室內(nèi)熱舒適度。在夏至日太陽直射位置到達北回歸線，此時遮陽板在9：42前能夠全部遮擋太陽能集熱器，且在全天范圍內(nèi)能夠遮擋大部分的太陽能集熱器，即能夠大幅度的降低熱量的集聚，近而降低太陽能集熱器的溫度，提高太陽能集熱器的使用壽命。當開始供暖時即11月15日，遮陽板能夠遮擋小部分的太陽能集熱器。

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，遮陽板從供暖季結(jié)束開始遮陽，隨著遠離遮陽季，其遮陽面積逐漸增大，在夏至日遮陽面積達到最大值，隨后開始逐漸減小。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于太陽能高度角的太陽能集熱器遮陽板，采用理論分析的方法計算了遮陽性能及遮陽系數(shù)。通過分析、模擬遮陽性能，可以知道遮陽板的遮陽效果與太陽位置有關，在當?shù)赝粫r刻，遮陽板的遮陽效果只有太陽能高度角有關，且隨著太陽能高度角增大，其遮陽面積增加，在夏至日遮陽板的遮陽效果最佳。由于遮陽板的遮擋導致集熱效率降低，而在過渡季節(jié)其室內(nèi)熱負荷雖然較低但停止供暖后其熱舒適性仍然較差，此時仍可使用太陽能集熱器進行供熱，因此可以延長集熱器每周期的使用時間。同時，采用遮陽板避免集熱器夏季溫度過高，減小了對太陽能集熱器材質(zhì)的損害，進而大大延長了太陽能集熱器的使用壽命。

參考文獻

[1] 王鵬.新型槽式太陽能集熱器的研究[D].華北電力大學（北京），2017.

[2] 吉佳文，王文志，李金凱，段廣彬，劉宗明.平板太陽能集熱器強化傳熱應用研究進展[J].材料導報，2016，30（05）：45-51.

[3] 劉念雄.歐洲新建筑的遮陽[J].建筑技術，2012（12）：48-53.

[4] 唐紹堯.基于太陽能光伏/熱技術的建筑遮陽策略研究[D].湖南大學，2012.

[5] 鄧天福，李景廣，葉倩，張泉，葉劍軍.外遮陽百葉隔熱性能與采光分析[J].建筑熱能通風空調(diào)，2008（04）：13-18.

[6] 任俊.遮陽系數(shù)的原理及其測試分析[J].暖通空調(diào)，2012，42（3）：114-118.