张全华

1 太阳能集热器的背景与分类及平板集热器的优势

利用太阳能的辐射热，可以用于夏热冬冷的地区建筑的集中采暖，还可以用来给建筑集中供应生活热水。我国太阳能热水器产业相对其他发达国家来说起步较晚，但由于产品并非特别复杂再加上国内需求庞大，因而我国太阳能热水器发展很快，从1979年以前的一片空白到20世纪末，已成为世界最大生产国和使用国，但是在太阳能的热利用上，我国人均使用面积还是处在较低水平，并且与建筑的结合程度不密切，所以太阳能与建筑一体化必将是建筑师在建筑设计中重点考虑的内容。

太阳能集热器产品主要有以下四种:全玻璃真空管式、热管式和U形管式、平板式几种。全玻璃真空管式，效率高，四季均可提供生活热水，但与平板式集热器相比，存在可能发生爆管的问题。热管式效率高，系统较成熟，无安全隐患，但对水质要求较高，造价高。U形管式，热效率较高(与全玻璃真空管式相比稍低)，无安全隐患，但系统不够成熟，造价较高[1］。

平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全隐患、成本造价低，由于采用排空防冻技术，从而很好的解决了平板集热器系统冬季不能使用的缺憾。

同时平板集热器还具有以下优点:

1)无真空度要求，热性能稳定，整体性好，使用寿命长。2)系统中，水或工质在金属流道内流动，不接触玻璃盖板，不会出现因骤冷、骤热引起爆管导致系统瘫痪。3)可以实现紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时，还具有保温、隔热、遮光，防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础。4)集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。5)承压性能好，可使系统运行稳定。

所以，综合考虑，在本项目中选择平板式太阳能集热器，下面将对平板集热器的面积进行计算。

2 室内热负荷的选取及计算太阳能集热器的面积

由Ecotect模拟分析可得屋顶冬季1月份屋顶的太阳辐射为313 W/m2。

对于太阳能集热器面积的计算，有多种计算方式。本计算选取其中一种较为简单实用的计算公式:

其中，Ac为太阳能集热器面积为建筑物的供暖热负荷，W·h;α为太阳能保证率，如不考虑辅助热源，则取100%;JT为平均日太阳辐射量，W/m2;ηcd为集热器的年平均集热效率，%;ηL为贮热水箱和管路的热损失率，%。

1)建筑物的供暖热负荷QN的确定。供暖热负荷采用软件Ecotect软件模拟分析，根据对本项目的建模和各个边界条件和建筑材料特性参数进行设置，结合武汉地区的气候数据模拟计算可以得到一年中各个月份的总的供暖热负荷:在全年的项目热负荷中以1月，2月，11月，12月的值较大，分别为:2 803 kW·h，1 332 kW·h，1 065 kW·h，2 215 kW·h，因此将该4个月作为设计供暖期符合实际要求。对于供暖热负荷数据的选取，取1月份最大的供暖热负荷来计算太阳能集热器的面积。

2)其他参数的选择。对于其他参数，即太阳能保证率α、集热器的年平均集热效率ηcd以及贮热水箱和管路的热损失率ηL均可按照经验值选取，在此分别取100%，52%和15%。

3)文中选取了屋顶和南墙面，分别对其计算太阳能集热器面积进行计算。

4)屋顶面积计算结果。从表1中可以看出，为了节省成本应该尽量在太阳辐射多的方向安装太阳能集热器。因此，首先根据以上分析的参数以及屋顶的太阳辐射量进行计算可以得到，若全部安装在屋顶所需的太阳能集热器面积，可以看出，以1月，2月，3月，11月，12月份的太阳辐射和热负荷不同分别计算出所需的太阳能集热器的面积，可以看到，1月份需要的热负荷最大，太阳辐射最小，即需要的太阳能热水器面积最大，为106m2，3月份需要的热负荷最小，太阳辐射最大，即需要的太阳能热水器面积最小，为59m2，所以要使得室内热能量提供达到最大状态，如果太阳能集热器全部选择安装在屋顶的话，应该选择1月份对应的106m2。

表1 屋顶太阳能集热器面积计算结果统计

5)南墙面积计算结果。由表2可以看出，以1月，2月，3月，11月，12月份的太阳辐射和热负荷不同分别计算出所需的太阳能集热器的面积，可以看到，1月份需要的热负荷最大，太阳辐射最小，即需要的太阳能热水器面积最大，为133m2，11月份需要的热负荷最小，太阳辐射最大，即需要的太阳能热水器面积最小，为61m2，所以要使得室内热能量提供达到最大状态，如果太阳能集热器全部选择安装在南墙的话，应该选择1月份对应的133m2。

表2 南墙太阳能集热器面积计算结果统计

6)东、西墙面积计算结果。由表3可以看出，以1月，2月，3月，11月，12月份的太阳辐射和热负荷不同分别计算出所需的太阳能集热器的面积，可以看到，1月份需要的热负荷最大，太阳辐射最小，即需要的太阳能热水器面积最大，为218m2和233m2，11月份需要的热负荷最小，太阳辐射最大，即需要的太阳能热水器面积最小，为91m2和87m2，所以要使得室内热能量提供达到最大状态，如果太阳能集热器全部选择安装在东、西墙面的话，应该对东西墙面所需要的太阳辐射之和再进行计算。

从南墙面、东西墙面和屋顶的分析可以得到，由于屋顶平面所接收到的太阳辐射要大于南墙面和东、西墙面，在屋顶安装太阳能集热器所能得到的太阳辐射最大，需要的集热器面积最小，所以在项目中，选择屋顶安装太阳能集热器最为经济。

表3 东、西墙太阳能集热器面积计算结果统计

3 结语

综上所述，在太阳能平板热水器的布置中，选择1月份对应的106m2的太阳能热水器能达到室内最大的热量，但是在2月，3月，11月，12月份室内不需要那么多热量的情况下造成很大部分的热水浪费，所以，应该同时考虑到采暖季1月，2月，11月，12月份的太阳辐射不同来布置，以免造成太阳能平板热水器的浪费。

[1]曹 伟.广议建筑节能—太阳能与建筑一体化设计[M］.北京:中国电力出版社，2008.

[2]刘闽敏，金晓东.建筑与太阳能技术一体化设计[J］.山西建筑，2010，36(13):231-232.