石河子地區(qū)太陽能供暖系統(tǒng)集熱器最佳傾角的計(jì)算及模擬分析

武曉偉，李 潔

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子 832003）

太陽能資源是一種清潔的可再生資源，對于解決能源緊缺問題具有突出作用[1]。我國幅員遼闊，冬季整個(gè)北方地區(qū)都屬于采暖地區(qū)，單純的利用火力供暖造成了大量的能源浪費(fèi)及嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。如果能將太陽能資源應(yīng)用于冬季供暖，勢必會(huì)改善目前的采暖狀況[2]。

國內(nèi)外對于太陽能熱利用方面的研究早在19世紀(jì)40年代就已開始，國內(nèi)外已建成一系列太陽能房，對于綠色可持續(xù)發(fā)展作用巨大。集熱器作為太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其安裝傾角的準(zhǔn)確選取對于高效利用太陽能資源至關(guān)重要。太陽能集熱器與建筑一體化技術(shù)發(fā)展至今也已具有相當(dāng)規(guī)模[3]，但是目前太陽能集熱器與建筑一體化技術(shù)主要供給生活用水，太陽能集熱器應(yīng)用室內(nèi)采暖方面的研究還相對較少。

太陽能集熱器傾角對于太陽能供暖系統(tǒng)中太陽保證率的影響較大。在國內(nèi)工程實(shí)踐中，往往根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50364-2005）中的相關(guān)建議“集熱器安裝傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢隆?，如系統(tǒng)側(cè)重在夏季使用，其傾斜角宜為當(dāng)?shù)鼐暥葴p10°，系統(tǒng)側(cè)重在冬季使用，其傾角宜為當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°[4]。上述規(guī)范中建議沒有全面考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、日照時(shí)間長短及太陽能輻射差異等因素，顯然是不夠合理的[5]。本文以石河子地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度和地理特征為依據(jù)，以集熱器冬季接收到的太陽輻射量達(dá)到最大為原則，通過編程計(jì)算不同傾角的太陽能集熱器傾斜面的集熱量，從而確定石河子地區(qū)太陽能集熱器最佳安裝傾角，并運(yùn)用ECOTECT軟件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證，從而為石河子地區(qū)太陽能冬季開發(fā)利用提供理論借鑒。

1 石河子地區(qū)太陽能輻射量資源

石河子地區(qū)位于嚴(yán)寒區(qū)，冬季寒冷，采暖期長達(dá)6個(gè)月。石河子地區(qū)屬于太陽能資源較富區(qū)，經(jīng)度為85.93°，緯度為44.27°，水平面年總輻照量為1393(kW·h)/m2-1625(kW·h)/m2。石河子地區(qū)各月的水平面太陽輻射強(qiáng)度如圖1所示。

從圖1可以看出：石河子地區(qū)7、8月的太陽輻射量最高，而冬季受陰天及大霧天氣的影響，散射輻射量大于直射輻射量。表明石河子地區(qū)夏季太陽輻射量比較充足，冬季采暖期太陽輻射量相對比較貧乏。由此看來，計(jì)算冬季采暖期的太陽能集熱器最佳安裝傾角就很有必要。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50364-2005）中的相關(guān)建議，本研究選擇石河子地區(qū)冬季采暖期太陽能集熱器安裝傾角為54.27°。本文將對石河子地區(qū)冬季太陽能集熱器最佳安裝傾角進(jìn)行計(jì)算，再與經(jīng)驗(yàn)做法對比集熱量。

2 理論分析

計(jì)算太陽能集熱器的最佳安裝傾角，首先要計(jì)算太陽能集熱器傾斜面上的太陽能輻射量。傾斜角度為S的太陽能集熱器所能接收到的太陽輻射總量HT由直接太陽輻射量HbT、天空散射輻射量HdT和地面反射輻射量HρT三部分組成[6]，即：

式中：H、Hb和Hd分別為水平面上太陽輻射總量、直接輻射量和散射輻射量；Rb為傾斜面上的輻射量與水平面輻射量之比；Rd為天空散射輻射量與水平面輻射量之比；ρ為地面反射率，按集熱器安裝地表為混凝土取值0.22；Rρ為地面反射輻射量與水平面輻射量之比。

對于向赤道的傾斜面，Rb可由下式計(jì)算：

式（3）中：φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋籗為太陽能集熱器與水平面的夾角；ωs1為太陽對水平面的日落時(shí)角；ωst為太陽對太陽能集熱器傾斜面的日落時(shí)角；δ為太陽赤緯角，其值為（n為年中的日期序號(hào)，如春分n=81，算得δ=0。）

太陽視圓面中心在出沒地平線的瞬間，太陽高度角αs=0。如果不考慮地表曲折及大氣折射的影響，即可得出日出日沒時(shí)角表達(dá)式[7]：

采用Hay模型計(jì)算天空散射輻射量[8]，即太陽方向的繞日分量及其余天空穹頂均勻分布的散射輻射總量組成了集熱器傾斜面上天空散射輻射量HdT，可用下式來表示：

式（7）中GSC=1367 W/m2，。

地面反射引起的散射輻射是同質(zhì)分布的[9]。有：

綜合以上公式即可得太陽能集熱器傾斜面上太陽輻射量HT的表達(dá)式為：

利用上述公式結(jié)合各地水平面上的太陽總輻射和散射輻射數(shù)據(jù)，便可以計(jì)算出不同傾角的太陽能集熱器傾斜面上的輻射量，從而確定太陽能集熱器最佳安裝傾角。

表1 不同傾角的集熱器各月太陽能輻射量Tab.1 Solar radiation for each month with different angle of heating collector

3 編程模擬

計(jì)算流程詳見圖2。

圖2 編程流程圖Fig.2 Programming flow chart

本文結(jié)合石河子地區(qū)輻射、地理特征，運(yùn)用計(jì)算機(jī)Visual Basic語言，在Visual Basic6.0環(huán)境下，對太陽能集熱器傾斜面太陽輻射量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程計(jì)算。由于本文太陽輻射量的計(jì)算不存在循環(huán)計(jì)算，只需按照本文介紹的公式依次編寫即可。運(yùn)行時(shí)，給定集熱器傾斜角度，即可計(jì)算得出傾斜面太陽輻射量。

4 集熱器最佳傾角的計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 不同傾角斜面上各月輻射量

集熱器盡量選擇正南放置情況（即方位角為0度）[10]。按月平均值，對集熱器傾斜面上太陽輻射量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)集熱器傾角從0°變化到90°，假設(shè)步進(jìn)為5°，太陽能集熱器傾斜面上各月太陽能輻射量隨傾角的變化關(guān)系如下表1所示，從表1可以看出：

（1）石河子地區(qū)全年太陽能集熱器各月輻射量均呈現(xiàn)出隨著傾角的增大，輻射量數(shù)值先增大后減小的趨勢。存在一個(gè)變化的極值點(diǎn)，但每個(gè)月出現(xiàn)極值點(diǎn)的傾角并不一致。

（2）石河子地區(qū)夏季太陽輻射強(qiáng)度大，集熱器安裝傾角在0°-10°之間即可獲得最大輻射量。冬季隨著太陽高度角的減小，最佳傾角逐漸增大。11、12月集熱器集熱峰值對應(yīng)的最佳安裝傾角在40°-50°之間；1月集熱器集熱峰值對應(yīng)的最佳安裝傾角在35°-45°之間；2月集熱器集熱峰值對應(yīng)的最佳安裝傾角在30°-40°之間；3月集熱器集熱峰值對應(yīng)的最佳安裝傾角在25°-35°之間。

（3）整個(gè)采暖期，隨著時(shí)間的變化，最佳安裝傾角在不斷變化。應(yīng)綜合考慮各月的太陽輻射變化情況，計(jì)算石河子地區(qū)采暖期集熱器最佳傾角。

4.2 采暖期集熱器最佳傾角

石河子地區(qū)位于嚴(yán)寒C區(qū)，冬季采暖期多達(dá)6個(gè)月。為分析石河子地區(qū)采暖期太陽能集熱器最佳安裝傾角，本文選用采暖期傾斜面太陽能輻射強(qiáng)度的月平均值為研究對象。通過編程模擬，對石河子地區(qū)采暖期太陽能集熱器最佳安裝傾角進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[11]。

編程模擬首先假設(shè)步進(jìn)為5°，模擬結(jié)果見圖3a。

由圖3a可以看出：步進(jìn)為5°時(shí)，傾斜面太陽輻射強(qiáng)度月平均值大小呈現(xiàn)出先增大后減小的變化過程，是一條明顯的拋物線，最大值出現(xiàn)在45°-50°之間。

在45°-50°之間，假設(shè)編程模擬的步進(jìn)為0.1°，模擬結(jié)果詳見圖3b。從圖3b可以看出，角度為47.6°時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度月平均值為最大。由此可以得出，石河子地區(qū)采暖期太陽能集熱器最佳安裝傾角為 47.6°。

圖3 傾斜面太陽輻射強(qiáng)度隨傾角變化關(guān)系Fig.3 The intensity of the solar radiation in the inclined surface with the change of angle

5 ECOTECT模擬分析

ECOTECT是一個(gè)全面的技術(shù)性能分析輔助設(shè)計(jì)軟件[12]，主要用于建筑方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[13]。該軟件是較為全面的建筑物理分析軟件之一[14]。目前，ECOTECT軟件主要用于建筑設(shè)計(jì)時(shí)對建筑光環(huán)境模擬[15]及使用期間光污染模擬[16]。楊金煥[17]等通過編制計(jì)算程序?qū)δ承┑貐^(qū)最佳傾角時(shí)，不同方位角的平均太陽日輻射量計(jì)算，結(jié)果顯示，朝向赤道（即方位角為0時(shí)）太陽能集熱器傾斜面上平均太陽日輻射量最大，隨著方位角增大，逐漸減小。減小的幅度與緯度有關(guān)，尤其是高緯度地區(qū)（哈爾濱地區(qū)方位角從0°增大到80°，下降57%），從而得出在高緯度地區(qū)應(yīng)盡量減小方位角。因此，本文研究方位角為0°的情況。

本次模擬選用的指標(biāo)為傾斜面日均輻射值，設(shè)定的計(jì)算日期為10月1日至次年的3月31日，基本相當(dāng)于一年的采暖期。通過調(diào)整集熱器傾斜角度，對本地區(qū)傾斜面太陽輻射量具體數(shù)值進(jìn)行模擬分析，從而驗(yàn)證上述所得的采暖期太陽能集熱器最佳安裝傾角的正確性。ECOTECT中模型圖如圖5所示。只需調(diào)整太陽能集熱器傾斜角度即可得到該傾角下傾斜面表面太陽能輻射強(qiáng)度。

圖4 ECOTECT模型圖Fig.4 The model diagram of ECOTECT software

圖4 為ECOTECT軟件模擬模型圖。在圖中設(shè)置傾斜面的材質(zhì)為太陽能集熱器。

選定石河子地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，并根據(jù)模擬條件改變太陽能集熱器的傾斜角度，即可計(jì)算出采暖季太陽能集熱器傾斜面太陽能輻射強(qiáng)度，結(jié)果如圖5所示。

由ECOTECT軟件模擬結(jié)果（圖5）可知，傾斜面太陽輻射日平均值曲線隨著傾斜角度的不同，呈現(xiàn)出較為明顯的拋物線型。表明模擬結(jié)果與前述計(jì)算結(jié)果一致。

圖5 ECOTECT模擬傾斜面太陽輻射量日平均值結(jié)果Fig.5 The simulation results of ECOTECT software

最后對最佳安裝傾角（即47.6°）及工程經(jīng)驗(yàn)傾角（即7°）2種工況采用ECOTECT進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采暖期太陽能集熱器傾斜面日均輻射值為 2755.7（W·h）/m2，傾角為 54.27°時(shí)，采暖期太陽能集熱器傾斜面日均輻射值為2643.6（W·h）/m2。

圖6 不同傾角時(shí)集熱器傾斜面日均輻射值Fig.6 The average daily radiation value of the collector-inclined-surface when the inclination angle is 47.6°，54.27°

6 結(jié)論與討論

（1）本文計(jì)算出的石河子地區(qū)冬季采暖期太陽能集熱器最佳安裝傾角，與國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50364-2005）中的相關(guān)建議“集熱器安裝傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢隆被疚呛?。若系統(tǒng)側(cè)重在夏季使用，其傾斜角宜為當(dāng)?shù)鼐暥葴p10°，系統(tǒng)側(cè)重在冬季使用，其傾角宜為當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°，但考慮到國家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施需因地制宜，應(yīng)充分考慮石河子地區(qū)的氣候特點(diǎn)、太陽輻射情況等客觀因素。

（2）本文計(jì)算出的石河子地區(qū)太陽能集熱器最佳安裝傾角為47.6°，集熱器采暖日均輻射值為2755.7（W·h）/m2，較以工程經(jīng)驗(yàn)傾角 54.27°時(shí)集熱器采暖日均輻射值增加112.1（W·h）/m2，整個(gè)采暖期增加20290.1（W·h）/m2。這對于石河子地區(qū)大力開發(fā)利用太陽能資源具有指導(dǎo)意義，石河子地區(qū)發(fā)展利用可再生資源具有廣闊的前景。

（3）北方地區(qū)冬季采暖能耗大，空氣污染嚴(yán)重。如果能將可再生能源應(yīng)用于冬季采暖，將會(huì)極大改善環(huán)境質(zhì)量。

（4）本文結(jié)果、結(jié)論為石河子地區(qū)發(fā)展太陽能采暖系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)資料。

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