小白看过来：住宅楼太阳能热水系统集热器面积的计算
在民用住宅楼太阳能热水系统设计中，如何确定集热器面积是一个十分重要的问题，而集热器面积的精确计算又是一个比较复杂的问题。小编知道，这对于很多想做太阳能或是想装太阳能的人来讲都是一个难题。
虽然太阳能热利用领域这两年处于行业低潮期，但随着多能源集成系统的利用，太阳能和燃气、空气能的融合加快，越来越多的工程商、集成设备企业开始关注太阳能。那么工长大叔今天推荐的这篇技术文章应该算是很应景了。
在欧美等发达国家，集热器面积的精确计算一般采用F-Chart软件、软件或其他类似的软件来进行，它们是根据系统所选太阳能集热器的瞬时效率方程（通过试验测定）及安装位置（方位角和倾角），再输入太阳能热水系统使用当地的地理纬度、平均太阳辐照量、平均环境温度、平均热水温度、平均热水用量、贮水箱和管路平均热损失率、太阳能保证率等数据，按一定的计算机程序计算出来的。
然而，我国目前还没有将这种计算软件列入国家标准内容。根据我国目前的国情及实际工程的需要，国家标准GB 50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》提出了确定集热器总面积的计算方法，其中分别规定了在直接系统和间接系统两种情况下集热器总面积的计算方法。
该规范之所以计算集热器总面积，而不计算采光面积或吸热体面积，是因为在民用建筑安装太阳能热水系统的情况下，建筑师关心的是在有限的建筑围护结构中太阳能集热器究竟占据多大的空间。
直接系统的集热器面积
直接系统集热器总面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定，按下式计算：
（5-1）
式中，
AG ——直接系统集热器总面积，m2；
Qw——日均用水量，kg；
Cw ——水的定压比热容，kJ /（kg ·℃）；
tend ——贮水箱内水的设计温度，℃；
ti ——水的初始温度，℃；
JT ——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/m2；
f ——太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80%；
ηcd ——集热器的年平均效率，%；根据经验取值宜为0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；
ηL ——贮水箱和管路的热损失率，%；根据经验取值宜为0.20～0.30。
对如何选取式（5-1）中几个参数的具体数值，进一步讨论如下：
（1）年平均日太阳辐照量JT
年平均日太阳辐照量JT可以从表5-2全国城市的年平均气象参数中查出（本表仅列出部分城市，如需了解更多城市情况，请查阅其它相关资料）。各参数的含义说明如下：
Hha——水平面太阳总辐射年平均日辐照量，MJ／(m2·d)；
Hht——水平面太阳总辐射年总辐照量，MJ／(m2·a)；
HLa——倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射年平均日辐照量，MJ／(m2·d)；
HLt——倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射年总辐照量，MJ／(m2·a)；
Ta ——年平均室外气温，℃；
Sy ——年平均每日的日照小时数，h；
St ——年平总日照小时数，h。
表5-2 我国72个城市的年平均气象参数
（2）太阳能保证率f
如上所述，太阳能保证率可根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80%。
民用建筑太阳能热水系统的太阳能保证率值可按表5-3推荐的范围选取。
表5-3 我国各太阳能资源区的太阳能保证率值推荐范围
（3）集热器年平均效率ηcd
如上所述，集热器年平均效率可根据经验取值宜为0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定。
假设集热器产品实际测得的瞬时效率方程（一次方程）为：
（5-2）
式中，
η ——以集热器总面积为基准的集热器效率，%；
η0 ——T*＝0时的集热器效率，%；
FRUL——集热器总热损系数，W/（m2·℃）；
T* ——归一化温差，（m2·℃）/ W。
（5-3）
式中，
ti ——集热器工质进口温度，℃；
ta ——环境空气温度，℃；
G ——总太阳辐照度，W/m2。
在计算集热器年平均效率时，对于式（5-3）中的集热器工质进口温度、环境空气温度和总太阳辐照度，都应取这些参数的年平均值，即：
① 年平均系统进水温度
（5-4）
式中，
ti ——水的初始温度（贮水箱初始温度），℃；
tend ——贮水箱内水的设计温度（贮水箱终止温度），℃。
② 年平均环境空气温度
取当地的年平均环境空气温度，可从表5-2查得。
③ 年平均总太阳辐照度
（5-5）
式中，
J T ——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/m2；
Sy ——当地年平均每天的日照小时数，h。
根据式（5-3）计算得到的归一化温差T*，再用瞬时效率方程（5-2）计算或在瞬时效率曲线图上查得集热器效率值，即为所需的集热器年平均效率ηcd。
间接系统的集热器面积
间接系统集热器总面积可按下式计算：
（5-6）
式中，
AIN ——间接系统集热器总面积，m2；
AG ——直接系统集热器总面积，m2；
FRUL——集热器总热损系数，W/（m2·℃）；
对平板型集热器，FRUL宜取4～6 W/（m2·℃）；
对真空管集热器，FRUL宜取1～2 W/（m2·℃）；
具体数值应根据集热器产品实际测试结果而定；
Uhx ——换热器传热系数，W/（m2·℃）；
Ahx ——换热器换热面积，m2。
在确定间接系统的集热器总面积时，由于间接系统的换热器内外存在传热温差，使得在获得相同温度的热水情况下，间接系统比直接系统的集热器运行温度稍高，造成集热器效率略为降低。
跟直接系统的说明一样，虽然国家标准GB 50364-2005给出了FRUL的推荐值，但也强调FRUL的具体数值应根据集热器产品的实际测试结果而定。至于换热器传热系数Uhx 和换热器换热面积Ahx的数值，则可以从选定的换热器产品说明书中查得。
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