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。
阳台壁挂 平板集热器 倾斜安装 竖直安装
近年来，太阳能作为一种清洁能源，阳台壁挂系统已进入成千上万的家庭，具有无动力自然循环、可靠、稳定、节能、独立、管理方便、无过热、安全保护、智能控制技术，使用户舒适、安全、节能。许多学者比较了许多品牌平板集热器的不同结构和类型。本文主要分析了管板平板集热器的常用安装角。
阳台壁挂式太阳能系统作为高层住宅的清洁能源解决方案得到了普及。为了保证系统的效率，现有的阳台壁挂式太阳能热水系统必须与建筑立面有15个集热器~30°倾斜，集热器倾斜安装在建筑立面，会影响整个建筑的外观，对下层居民的照明有一定的影响，降低住宅的舒适性。目前，高端建筑对建筑立面的影响要求越来越高，迫切需要解决壁挂式太阳能与建筑完美结合的问题。在建筑物内垂直安装集热器的南立面是一种有效的解决方案。我们研究了垂直安装和倾斜安装的太阳能热水系统的热效率、日常有用和水箱温升。
图1现有的阳台壁挂式太阳能热水系统集热器安装
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，使集热板中介质温度升高，导致密度差，高温介质通过重量差流入水箱，热量进入储热水箱，介质温度下降，继续返回集热板吸收热量。
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
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。具有结构简单、维护方便、集热效率高、使用寿命长等优点。它可用于生产40~80℃中温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。其工作原理是：当太阳通过透明玻璃盖板照射到表面涂有太阳能吸收涂层的吸热板上时，吸热体吸收太阳能辐射能，并将吸收的太阳能辐射能转化为热能。热能用于加热从集热器进口流入吸热器流道的工作质量。吸热器流道加热后，工作质量从集热器出口流出，带走集热器吸热器吸收的热能。
表1：平板集热器参数
图4平板集热器结构示意图
阳台壁挂式太阳能热水系统一般用于满足4小时以上住宅建筑的热水供应。大多数情况下，太阳能集热器（平板）安装在建筑阳台外的南立面墙上，储热水箱主要悬挂在阳台内侧的固定安装和承重墙上。阳台窗外的太阳能集热器与储热水箱通过热介质的循环管连接。储热水箱具有电加热辅助、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，冷水进入储热水箱，将出水箱内的热水，热水流向用户用水末端的洗浴喷嘴。
阳台外窗下安装的太阳能集热器一般为平板太阳能集热器（部分用户使用安装U管真空管太阳能集热器），平板集热器与用户南立面外墙之间有15~30度的倾斜角。为了满足集热器大面积的阳台照射。如果垂直与地面平行镶嵌安装在建筑物南立面墙上，接收到的阳光面积会相应减少，导致太阳能热水系统热量不足，导致水箱温度低。
我们将两种不同的安装方法，我们将进行实际测试和理论分析研究，以及对太阳能热水系统热性能的不同影响。
在研究之前，我们将建立系统1和系统2两个实验测试模型。系统1和系统2采用的系统模式、集热器类型、集热面积、储热水箱结构、容量、管道安装材料、长度、试验条件和环境完全相同。不同之处在于，平板太阳能安装在系统1和系统2中的倾斜角度不同。系统1集热器和建筑南立面墙为28°夹角。系统2集热器和建筑南立面墙为0°夹角。如图5所示，图6所示。
图5系统原理图，图6系统集热器安装方式不同
测试时间：2018.4.11-2018.4.12
4月11日累计辐照量1911日.149MJ/m2，风速1.1m/s，环境温度24.8℃。
4月12日累计辐照量1912日.117 MJ/m2，风速1.4m/s环境温度21.9℃。
按照国家标准:平板集热器朝南，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间，日射表传感器安装在平板集热器高度的中间，平行于平板集热器的照明平面，平行度差小于1°。安装位置应避免太阳集热器反射对其测量结果的影响。在整个测试过程中，总日射表不得遮挡太阳集热器的照明，也不得被其他物体遮挡[1]。
实验装置组成及型号：同一平板集热器2块（尺寸）L*W*H为2400*800*80mm，采光面积1.76m2)；夹套式100L两个水箱；集热器循环管采用不锈钢波纹管Φ16-22长度小于16-22.5米。2台混水循环水泵；一套太阳能测试系统；一套安装工具。
测试系统1：平板集热器的安装倾角和建筑物南立面的夹角∠28°(与地面夹角62)；
测试系统2：平板集热器的安装倾角和建筑物南立面的夹角∠0°(与地面夹角90)；
试验开始前，应测量储水箱的试验水量，测量如下：打开供水阀给储水箱供水。当水箱热水出口流量稳定时，表明水箱已充满水，并关闭供水阀。然后进行储水箱排放试验，测量水箱能排放的水容量。试验结果：系统1储热水箱排放量97.5升，系统2储热水箱放水量97.4升。下一步安装检验规范要求安装测试仪器。
测量平板集热器的照明面积AC并记录。最后利用遮光物将平板集热器遮盖住。早上8点，实验开始时，取下集热器上的盖子，记录水箱温度tb、太阳辐照量H1、环境温度T1。之后，每小时记录一次数据。在此期间，系统为自然循环。直到下午16:00，打开混合水循环泵，在水箱混合水15分钟后关闭循环泵（避免水箱内水温不均匀影响测试数据），记录水箱温度te、太阳辐照量H2、环境温度T2。该系统的热效率[2]由以下公式计算。
表2测试记录数据如下表所示(4月11日)
第一天测试数据完成后，第二天的持续加热试验没有进行水箱放水，而是进行了储热水箱热损性能测试。测试数据如下表所示：
表3测试记录数据如下表所示(4月12日)
在系统试验过程中，单位轮廓照明面积的日用热量q[3]用公式(4-1)计算：
式中：
系统热效：
式中：
本实验已进行前置实验，后续实验可在误差允许范围内进行。
计算结果见下表4、表5：
测试数据计算结果表4第1天(4月11日)
表5第2天测试数据计算结果(4月12日)
将计算结果与柱状图表进行比较，如下图7、图8所示：
4月11日图7系统1和2有用热量，图8系统1和2有用热量
图7、图8为4月11日和4月12日的实验测试数据，系统1和系统2计算有用热量，公式（4-1）已给出，日热反应太阳能热水系统工作能力，4月11日分别为13.45MJ、9.04MJ，集热器倾斜安装系统1的热量高于垂直安装系统2.8%；4月12日，两个系统的1和2热量分别为8.67MJ、5.99MJ，集热器倾斜安装系统1热比系统2.9%。
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.温度传感器探头的安装位置不够准确。
2.防冻液是否加满，管道内是否有气阻，影响正常换热。
3.集热器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。
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。
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
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
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℃)
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。
[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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