小白看過來：住宅樓太陽能熱水系統集熱器面積的計算
在民用住宅樓太陽能熱水系統設計中，如何确定集熱器面積是一個十分重要的問題，而集熱器面積的精确計算又是一個比較複雜的問題。小編知道，這對于很多想做太陽能或是想裝太陽能的人來講都是一個難題。
雖然太陽能熱利用領域這兩年處于行業低潮期，但随着多能源集成系統的利用，太陽能和燃氣、空氣能的融合加快，越來越多的工程商、集成設備企業開始關注太陽能。那麼工長大叔今天推薦的這篇技術文章應該算是很應景了。
在歐美等發達國家，集熱器面積的精确計算一般采用F-Chart軟件、軟件或其他類似的軟件來進行，它們是根據系統所選太陽能集熱器的瞬時效率方程（通過試驗測定）及安裝位置（方位角和傾角），再輸入太陽能熱水系統使用當地的地理緯度、平均太陽輻照量、平均環境溫度、平均熱水溫度、平均熱水用量、貯水箱和管路平均熱損失率、太陽能保證率等數據，按一定的計算機程序計算出來的。
然而，我國目前還沒有将這種計算軟件列入國家标準内容。根據我國目前的國情及實際工程的需要，國家标準GB 50364-2005《民用建築太陽能熱水系統應用技術規範》提出了确定集熱器總面積的計算方法，其中分别規定了在直接系統和間接系統兩種情況下集熱器總面積的計算方法。
該規範之所以計算集熱器總面積，而不計算采光面積或吸熱體面積，是因為在民用建築安裝太陽能熱水系統的情況下，建築師關心的是在有限的建築圍護結構中太陽能集熱器究竟占據多大的空間。
直接系統的集熱器面積
直接系統集熱器總面積可根據用戶的每日用水量和用水溫度确定，按下式計算：
（5-1）
式中，
AG ——直接系統集熱器總面積，m2；
Qw——日均用水量，kg；
Cw ——水的定壓比熱容，kJ /（kg ·℃）；
tend ——貯水箱内水的設計溫度，℃；
ti ——水的初始溫度，℃；
JT ——當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，kJ/m2；
f ——太陽能保證率，%；根據系統使用期内的太陽輻照、系統經濟性及用戶要求等因素綜合考慮後确定，宜為30%～80%；
ηcd ——集熱器的年平均效率，%；根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據集熱器産品的實際測試結果而定；
ηL ——貯水箱和管路的熱損失率，%；根據經驗取值宜為0.20～0.30。
對如何選取式（5-1）中幾個參數的具體數值，進一步讨論如下：
（1）年平均日太陽輻照量JT
年平均日太陽輻照量JT可以從表5-2全國城市的年平均氣象參數中查出（本表僅列出部分城市，如需了解更多城市情況，請查閱其它相關資料）。各參數的含義說明如下：
Hha——水平面太陽總輻射年平均日輻照量，MJ／(m2·d)；
Hht——水平面太陽總輻射年總輻照量，MJ／(m2·a)；
HLa——傾角等于當地緯度傾斜表面上的太陽總輻射年平均日輻照量，MJ／(m2·d)；
HLt——傾角等于當地緯度傾斜表面上的太陽總輻射年總輻照量，MJ／(m2·a)；
Ta ——年平均室外氣溫，℃；
Sy ——年平均每日的日照小時數，h；
St ——年平總日照小時數，h。
表5-2 我國72個城市的年平均氣象參數
（2）太陽能保證率f
如上所述，太陽能保證率可根據系統使用期内的太陽輻照、系統經濟性及用戶要求等因素綜合考慮後确定，宜為30%～80%。
民用建築太陽能熱水系統的太陽能保證率值可按表5-3推薦的範圍選取。
表5-3 我國各太陽能資源區的太陽能保證率值推薦範圍
（3）集熱器年平均效率ηcd
如上所述，集熱器年平均效率可根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據集熱器産品的實際測試結果而定。
假設集熱器産品實際測得的瞬時效率方程（一次方程）為：
（5-2）
式中，
η ——以集熱器總面積為基準的集熱器效率，%；
η0 ——T*＝0時的集熱器效率，%；
FRUL——集熱器總熱損系數，W/（m2·℃）；
T* ——歸一化溫差，（m2·℃）/ W。
（5-3）
式中，
ti ——集熱器工質進口溫度，℃；
ta ——環境空氣溫度，℃；
G ——總太陽輻照度，W/m2。
在計算集熱器年平均效率時，對于式（5-3）中的集熱器工質進口溫度、環境空氣溫度和總太陽輻照度，都應取這些參數的年平均值，即：
① 年平均系統進水溫度
（5-4）
式中，
ti ——水的初始溫度（貯水箱初始溫度），℃；
tend ——貯水箱内水的設計溫度（貯水箱終止溫度），℃。
② 年平均環境空氣溫度
取當地的年平均環境空氣溫度，可從表5-2查得。
③ 年平均總太陽輻照度
（5-5）
式中，
J T ——當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，kJ/m2；
Sy ——當地年平均每天的日照小時數，h。
根據式（5-3）計算得到的歸一化溫差T*，再用瞬時效率方程（5-2）計算或在瞬時效率曲線圖上查得集熱器效率值，即為所需的集熱器年平均效率ηcd。
間接系統的集熱器面積
間接系統集熱器總面積可按下式計算：
（5-6）
式中，
AIN ——間接系統集熱器總面積，m2；
AG ——直接系統集熱器總面積，m2；
FRUL——集熱器總熱損系數，W/（m2·℃）；
對平闆型集熱器，FRUL宜取4～6 W/（m2·℃）；
對真空管集熱器，FRUL宜取1～2 W/（m2·℃）；
具體數值應根據集熱器産品實際測試結果而定；
Uhx ——換熱器傳熱系數，W/（m2·℃）；
Ahx ——換熱器換熱面積，m2。
在确定間接系統的集熱器總面積時，由于間接系統的換熱器内外存在傳熱溫差，使得在獲得相同溫度的熱水情況下，間接系統比直接系統的集熱器運行溫度稍高，造成集熱器效率略為降低。
跟直接系統的說明一樣，雖然國家标準GB 50364-2005給出了FRUL的推薦值，但也強調FRUL的具體數值應根據集熱器産品的實際測試結果而定。至于換熱器傳熱系數Uhx 和換熱器換熱面積Ahx的數值，則可以從選定的換熱器産品說明書中查得。
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