第四章太阳能集热系统设计
4.1 概述
太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、储水箱及相应的阀门和控制系统，强制循环系统还包括循环水泵，间接式系统还包括换热器。

太阳集热器是太阳热水系统中的集热部件，也是太阳热水系统的核心部件，其性能优劣直接影响到太阳能热水系统的性能。

太阳能集热系统的设计主要围绕着它来进行，但系统其它附件的合理选择及设计，对充分利用集热器所所收集的太阳能也起着决定性的作用。

4.2 太阳集热器的定位
4.2.1 集热器的安装方位和倾角
确定太阳集热器的定位时，需要考了集热器倾角和方位对太阳辐射能收集的影响。

太阳集热器的安装位置不应有任何障碍物遮挡阳光，并宜选择在背风处，以减少热损失；设计全年运行的系统，宜保证春分/秋分日（此时赤纬角δ=0）阳光照射到集热器表面上的时间不少于6小时；主要在春、夏、秋三季运行的系统，宜保证春分/秋分日（此时赤纬角δ=0）阳光照射到集热器表面上的时间不低于8小时；主要设计在冬季运行的系统，宜保证在冬至日（此时赤纬角δ=－23°57′）阳光照射到集热器表面上的时间不少于4小时；太阳集热器与障碍物之间的距离宜大于太阳光不被遮挡的日照距离。

太阳集热器的倾角和方位对太阳辐射能量收集会产生一定的影响，为了更充分地利用太阳能量，希望投射到集热器采光面上的太阳能越多越好。

由于太阳与地球相对位置的不断变化，集热器上所收集到的太阳能也是不断变化的。

因而需要讨论一年中要得到最大太阳能量时，他们的倾角及方位是多少。

对于在长时间内，大气条件不随季节性变化的地区太阳集热器方位及倾角的影响可根据太阳直接辐射估算。

研究表明，当集热器的方位是正南方向，倾角为S=0.9Φ时，得到的年直射辐射量最大；但如果增加考虑散射辐射的影响因素，则结果会有很大不同。

由于散射辐射受大气条件、云量变化情况影响较大，而过去受条件限制缺乏相关资料，所以，长期以来沿用的太阳集热器定位原则是基于对太阳直接辐射的估计结果，即集热器方位朝向正南放置，倾角近似于当地纬度（即S=Φ）时，可得到最大年太阳辐射能量；如果希望在冬季获得最佳的太阳辐射能量，倾角应加大至约比当地纬度大10°（即S=Φ+10°）；而在夏天，则应比当地纬度小10°（即S=Φ－10°）；。

根据软件的模拟结果，太阳集热器宜朝向正南，或南偏东、偏西30的朝向范围内设置；受条件限制集热器不能按上述朝向范围设置时，也可加大偏东、偏西的角度或者完全偏东、偏西设置，但应根据相应的规定和标准设置。

太阳集热器的倾角可选择在当地纬度±10°的范围内；受当地条件限制时，需要超出此范围的倾角时，也应按照相应的标准和规定设置，合理的增加集热面积，以达到对太阳能的充分利用。

低纬度地区设置在墙面、阳台栏板上或作为阳台栏板使用的太阳集热器应以适当倾角安装，以增大太阳辐射热量。

安装误差一般不超过±3%。

多块太阳集热器在坡屋面等建筑外围护结构上串、并联安装时，集热器上加上连接管等附件组成的集热器阵列总尺寸应与构成维护结构的建筑材料的模数相配，不影响建筑物的外观。

4.2.2 集热器前后排间距
某一时刻，太阳集热器不被前方障碍物遮挡阳光的日照间距如图4-1所示。

图4-1 日照间距示意图
图中障碍物的高度为H，当要求正午前后n小时照射到太阳集热器表面的阳光不被遮挡时，必须满足正午前后n小时前方障碍物的阴影落在集热器下边缘的P点，以通过P点作集热器表面的法线Pn，正南方向线PS，则Pa即为日照间距线S。

Pb/bb′=Pb/H=cot h可得：
由S/Pb=cosγ
0 ,
（4-1） S=H cot h cosγ
式中 S——日照间距，m ;
H——前方障碍物的高度，m ;
h——计算时刻的太阳高度角；
——计算时刻太阳光线在水平面上的投影与集热器表面法线在水平面γ
上的投影线之间的夹角。

角γ
和太阳范围角α及集热器方位角γ（集热器表面法线在水平面上的投
影线与正南方向线之间的夹角，偏东为负，偏西为正）有如下关系，如图4-2所示。

图4-2 集热器朝向与太阳方位的关系
太阳集热器在安装时，为充分发挥太阳集热器的效能，要求前后排集热器之间不能互相遮挡。

集热器前、后排之间不互相遮挡的最小间距可有公式（4-1）计算得出。

计算时刻的选择，应遵循以下原则：
（1）全年运行系统，选春分/秋分日（此时赤纬角δ=0）的9:00或15:00；
（2）主要在春、夏、秋三季运行的系统，选春分/秋分日的8：00或16:00；
（3）主要在冬季运行的系统，选择冬至日（此时赤纬角δ=－23°57′）的10:00或者14:00；
（4）太阳集热器安装方位为南偏东时，选择上午时刻，南偏西时，选择选完时刻。

4.3 集热器的连接
工程中使用的太阳集热器数量一般很多，一般若干集热器先连接一个集热器组，集热器组之间再通过一定的方式连接成一个集热器系统。

如何连接太阳集热器对太阳能集热器系统的防冻排空、水力平衡和减少阻力都起着重要作用。

一般来说，集热器连接成集热器组的方式有三种（图4-3）：串联、并联和串并联，串并联也称为混联。

图4-3 集热器的连接方式
对于自然循环的太阳能热水系统，集热器不能串联，否则因循环流动阻力大，系统难以循环，只能采用并联方式，且每个集热器组集热器数目不宜超过16个或者总面积不宜大于32 m2；对于非自然循环系统，集热器可采用串并联或者并联方式连接，但一般情况下，推荐采用并联的方式连接，采用串联时，串联的集热器也不宜超过3个。

通过以上方式连接起来的集热器称之为集热器组。

多个集热器组连接起来形成太阳能集热系统。

为保证各集热器组之间的水力平衡，各集热器之间的连接推荐采用同程连接，如图4-4（a）所示。

当不得不采用异程连接时，在每个集
热器组的支路上应该增加平衡阀来调节流量平衡，如图4-4（b）所示。

集热器组之间采用并联方式连接，各集热器组包含的集热器数应该相同，自然循环系统全部集热器的数量不宜超过24个或者总面积不宜超过48m2。

图4-4 集热器组的接管方式
4.4 贮水箱的设计
太阳能热水系统的贮水箱必须保温。

太阳能热水系统贮水箱的容积既与太阳集热器总面积有关，也与热水系统所服务的建筑物的要求有关，贮水箱的设计对对太阳集热系统的效率和整个热水系统的性能都有重要影响。

4.4.1 贮水箱容积计算
一般来说，对于每平方米太阳集热器总面积，需要的贮热水箱容积为40—100L，推荐采用的比例关系通常为每平方米太阳集热器总面积对应75L贮热水箱容积。

需要精确计算时，可以通过计算机相关模拟软件进行长期热性能分析得到。

4.4.2 贮水箱管路布置
贮热水箱同时连接太阳能集热器和热水供应系统时，为很好的利用由于水箱内的分层效应，热水供应出水管一般安排在水箱顶部，自来水补水管一般插在水
箱下部，出水口距离水箱底部
10—15cm。

集热系统的水箱出水口应距离水箱底部10cm左右以防将水箱底部的部分沉淀物吸入集热器，集热系统的回水接到水箱上部辅助热源以下。

图4-5为水箱接管示意图。

图4-5 水箱连接管示意
太阳能热水系统的贮水箱容积与用户的用热规律紧密相关，在条件允许的情况下，太阳能热水系统的贮水箱应在上述计算的基础上适当增大。

（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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