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平板太阳能集热器通常以固定的倾斜和方向朝向太阳安装。真空管集热器也是如此。倾斜角的选择必须使集热器能很好地暴露在太阳最有用的高度角上,而方向的选择则能很好地暴露在太阳的方位角上(太阳从东到西的路径)。对于北纬地区最常见的供暖负荷,最佳的朝向角度是真正的南方,向东或向西的微小变化(正负10度左右)只会对年性能产生很小的影响。然而,倾斜角度可以改变,从而产生不同的年度结果,因此,在选择固定倾斜时,了解其后果是很重要的。
月太阳气候资料
为了了解任何地点的太阳加热气候,逐月检查是有帮助的。国家可再生能源实验室(NREL)的网站是这类气候数据的一个很好的资源。他们的“平板和聚光收集器的太阳辐射数据手册”包含了美国239个地点的方便摘要,尽管已经绝版,但可以在他们的网站上免费获得太阳能/酒吧/红皮书/ www.rredc.nrel.govPDF格式以及ASCII数据文件(逗号分隔),可以复制到电子表格中进行太阳能计算。
每个数据页都描述了位置,列出了平板集热器和集中式集热器每月的平均太阳辐射值,并给出了平均气候条件,如温度、加热天数和湿度。数据由NREL提供,从水平方向倾斜的五个角度为:0度,纬度- 15度,纬度+ 15度和90度。倾角为0度的数据(称为全球水平太阳辐射)显示了水平表面(如太阳能游泳池盖)接收到多少太阳辐射。
《太阳数据手册》指出,使用大约等于地点纬度的倾角可以获得最大的年太阳辐射,并且为了优化冬季的性能,收集器可以比纬度大15度。为了在夏季优化性能,集热器可以比纬度倾斜15度。倾斜90度的数据适用于垂直安装的集热器(例如,主要用于冬季空间供暖的朝南墙壁),也适用于被动太阳能加热设计的朝南窗户。
考虑热负荷剖面
住宅生活热水(DHW)通常可以被描述为每月的恒定负荷,当住宅连续被占用时。例如,如果每天消耗80加仑,热水器需要温度上升70度,那么每天大约需要46,000 btu,每月变化很小。图21-1所示为弗吉尼亚州斯特林附近的一个样品改造项目的理想热水负荷,其水平线逐月不变。
居住空间的热负荷是另一回事。例如,斯特林附近一个2000平方英尺的房子可能需要400 btu每小时每华氏度的室内和室外之间的差异(δ T)加上一些额外的热量损失由于空气渗透。因此,全年的热负荷远不是恒定的,冬季急剧上升,夏季只有热水器负荷下降。当然,供暖行业的每个人都知道这一点,但当你把它绘制成图表(如图21-2所示)时,你开始从太阳能供暖的角度看到这幅图。空间热负荷不像DHW那样是一条直线,而是在一年中剧烈波动,其形状与没有手柄的北斗七星没有什么不同。而且,让事情变得更具挑战性的是,如果你真的选择了错误的集热器倾斜,对空间热量的需求可能会与可用的太阳能热量完全不一致,就像水平集热器所看到的那样,偏离目标六个月。(顺便说一下,大多数常见的天窗就像水平太阳能收集器一样。)
将热负荷与太阳能热源匹配
上面描述的NREL太阳气候数据已绘制在图21-1和图21-2中,用于我们在弗吉尼亚州斯特林的样本项目(除了我省略了纬度- 15度并增加了72度的陡峭倾斜)。这五条曲线显示了每个月一个典型的一天,在不同的倾斜角度上,对于一个合理大小的太阳能集热器来说,可以获得多少太阳能热量。这可以与每个月典型一天的热负荷进行比较,用红线标记为圆圈。
在图21-1中的一个简单的太阳能热水器的情况下,比较是直接的。典型的日DHW热负荷被视为一条水平线,从月到月。提供太阳热量的收集器倾斜最接近负载是赢家。正如NREL所预测的那样,纬度加15度的集热器倾斜在冬季和夏季都倾向于更好地匹配负荷,比纬度倾斜曲线在夏季产生更多的多余热量,而在冬季产生较少的热量提供更好的匹配。在这个例子中,64平方英尺的集热器可以安装一个100 - 120加仑的DHW储罐,在夏天吸收额外的热量,同时每天向水龙头提供80加仑的热水。
同样的选择在图21-2中进行了比较,但这一次应用于一个更大的集热器阵列(320平方英尺),大到足以为这个房子的空间加热和水加热负荷做出重大贡献。注意,来自DHW的熟悉的水平线仅在夏季作为恒定负载可见。这条线以上和太阳能集热器倾斜线以下的区域是额外的夏季热量,并不真正需要用于水加热,但如果附近有游泳池,则可以用于夏季游泳池加热。在我们位于斯特林的样本项目中,没有游泳池,因此设计成为一种平衡行为,减少夏季多余的热量,同时尽可能保持冬季的太阳能热量。图21-2中的数据表明,太阳能集热器倾斜最适合“斗”形状的年热负荷是垂直集热器(90度倾斜)。但是当你看到春天的太阳热量时,纬度加上15度的倾斜效果更好。也许最理想的温度是在华氏72度左右,在这个温度下,春天的温度不会被切断得太厉害,但夏天的温度会被切断得很好。
一个完美的匹配并不总是容易或实用的,这就是为什么太阳能供暖系统通常被设计为占用大量的年供暖负荷,但不是全部。在这个例子中,看起来320平方英尺的集热器可以提供超过一半的年供暖负荷。这里显示的太阳能热贡献的大小是典型的太阳能加热改造,但请记住,这只是一个例子。太阳能加热系统可以根据气候、经济、蓄热方案、控制和许多其他因素来设计更高或更低的太阳能贡献。
实际考虑
当太阳能税收抵免或其他激励措施可用时,这可能会改变经济状况,有利于更多的收集者。当更多的收集器被认为是负担得起的时候,设计师必须更加注意避免在温暖的季节过热。有关防止过热设计的讨论,请参阅本专栏前面的文章。
一些真空管集热器有倾斜限制,如果它们倾斜得太接近垂直或太接近水平,可能无法正常工作。咨询制造商和安装手册,以确保太阳能集热器是正确的工作。
在浅倾斜的情况下,排雪需要更长的时间,这在一些装置中可能是一个问题,当收集器被雪覆盖时,没有实用的方法来清除它们。
必须安装回排收集器,使其在重力作用下正确排水,因此请记住,创造性的管道和非常规的倾斜可能会干扰这一点。
当一个陡峭的倾斜是必需的,一个低姿态的收集器可能更可取,以克服独立的高收集器的美学问题。例如,大多数制造商提供一种更低调的面板,可以安装在不到6英尺的独立高度。有些可以安装到不到四英尺高。但是要小心。适合这项工作的收集器必须制造内部水平集管和其他结构支持,以处理“景观”方向。并不是所有的太阳能集热器都要安装在低位,当安装在错误的方向时,可能不能正常工作或可能会损坏。
布里斯托尔Stickney从事太阳能水力加热系统的设计、制造、维修和安装已有30多年的经验。他拥有机械工程学士学位,是新墨西哥州的许可机械承包商。他是位于新墨西哥州圣达菲的SolarLogic有限责任公司的首席技术官,在那里他参与了太阳能加热控制系统的开发和太阳能加热专业人员的设计工具www.solarlogicllc.com了解更多信息。)