自遮擋對(duì)壁掛式太陽能熱水器影響模擬研究

王禮飛，方廷勇，楊　陽，李雪松

自遮擋對(duì)壁掛式太陽能熱水器影響模擬研究

王禮飛，方廷勇，楊陽，李雪松

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽合肥 230601)

高層住宅建筑中生活熱水的能耗在建筑能耗中占有不可忽略的份額。目前，國(guó)內(nèi)陽臺(tái)壁掛式太陽能的應(yīng)用有效的解決了住宅中的生活熱水需求，但陽臺(tái)壁掛式太陽能在高層住宅的安裝使用中易受到建筑自身凸出部位的日照影響。本文通過Ecotect軟件模擬，研究自遮擋對(duì)太陽能集熱器年輻射量的影響，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，為壁掛式太陽能熱水器的設(shè)計(jì)和安裝提供有益的指導(dǎo)。

自遮擋；壁掛式太陽能；高層住宅；輻射量

0　引 言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保的高度重視，綠色建筑的推廣力度也越來越大。合肥市因地制宜，制定相關(guān)政策，加強(qiáng)可再生能源尤其是太陽能在建筑中的使用。2014年10月，合肥地區(qū)明文規(guī)定：“滿足春分或秋分日照時(shí)間累計(jì)達(dá)到4小時(shí)的新建居住建筑樓層必須安裝太陽能熱水系統(tǒng)”。

太陽能熱水器為當(dāng)前我國(guó)利用太陽能的主要方式之一。由于高層住宅受屋頂面積的限制，采用陽臺(tái)壁掛式太陽能來解決生活熱水是節(jié)能環(huán)保的重要舉措。壁掛式太陽能熱水器采用了比較先進(jìn)的技術(shù)，包括集熱技術(shù)、傳熱技術(shù)、儲(chǔ)水技術(shù)、溫控等，這些技術(shù)很大程度上提高了太陽能的利用率，延長(zhǎng)了太陽能熱水器的使用壽命[1]。

本文通過Ecotect軟件模擬得出陽臺(tái)壁掛式太陽能[2-3]的年均太陽輻射量[4]，研究合肥地區(qū)高層住宅不同進(jìn)深的凸出部位即自遮擋對(duì)壁掛式太陽能熱水器的影響，這對(duì)促進(jìn)合肥市建筑節(jié)能，減少住宅建筑能耗具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1　合肥年均太陽輻射量

合肥市屬于Ⅲ類太陽能資源豐富地區(qū)，年平均日照時(shí)數(shù)為2100小時(shí)左右。依據(jù)安徽省地標(biāo)《太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)規(guī)程》DB34/1801-2012，可得出合肥市年平均太陽輻射量為4475 MJ/m2[5]，如表1所示。

表1　合肥輻射站實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料—太陽輻照量日均值

2　Ecotect軟件介紹

Ecotect是由英國(guó)建筑師開發(fā)的集建筑設(shè)計(jì)和建筑環(huán)境性能分析的軟件，提供了一種交互式的分析方法，可以進(jìn)行太陽輻射、熱、光學(xué)、聲學(xué)、建筑投資等綜合的技術(shù)分析，該軟件分析計(jì)算的結(jié)果已被廣泛的認(rèn)可[6]。

3　高層住宅凸出部位介紹

高層住宅凸出部位如圖1中圈出部分所示，若此凸出部位的相鄰陽臺(tái)安裝壁掛式太陽能，日照易受凸出部位的遮擋。因此，本文通過模擬來研究不同進(jìn)深的凸出部分對(duì)相鄰陽臺(tái)壁掛式太陽能的年平均太陽輻射量影響。

圖1　凸出部位示意圖

4　工況設(shè)置

統(tǒng)計(jì)實(shí)際項(xiàng)目高層住宅的陽臺(tái)尺寸，開間×進(jìn)深為：3700 mm×1500 mm、3400 mm×1600 mm、4400 mm×1600 mm、3100 mm×1700 mm、3800 mm×1800 mm、4400 mm×1800 mm、4600 mm×1800 mm。建筑的體形系數(shù)對(duì)建筑的節(jié)能影響較大[7]，一般凸出部位的進(jìn)深H不會(huì)超過建筑陽臺(tái)的進(jìn)深尺寸，則由統(tǒng)計(jì)的陽臺(tái)尺寸，模擬中取凸出部位進(jìn)深尺寸H的范圍為500 mm~2000 mm，取陽臺(tái)進(jìn)深L的范圍為3000 mm~5000 mm。模擬中建筑朝向?yàn)檎?，建筑?biāo)準(zhǔn)層高為2.9 m，陽臺(tái)壁掛式平板太陽能集熱器的尺寸為市場(chǎng)常用尺寸2000 mm×1000 mm，安裝傾角為70°，集熱器安裝在陽臺(tái)的正中央，距離凸出部位的橫向尺寸為D。模擬中采用合肥地區(qū)典型氣象數(shù)據(jù)（Hefei CSWD），模型圖如圖2和圖3所示所示。

圖2　陽臺(tái)壁掛式太陽能模型示意圖

圖3　陽臺(tái)壁掛式太陽能Ecotec模型示意圖

5　模擬結(jié)果

現(xiàn)分別取陽臺(tái)長(zhǎng)度尺寸L=3000 mm、3500 mm、4000 mm、4500 mm、5000 mm，改變凸出部位進(jìn)深H的尺寸，在不考慮周邊建筑的日照遮擋下，分別模擬東、西兩邊不同長(zhǎng)度陽臺(tái)安裝的太陽能集熱器年平均太陽輻射量。表2中為各工況的模擬結(jié)果圖，東邊模擬結(jié)果統(tǒng)一色卡范圍下限為630000 Wh，上限為900000 Wh；西邊模擬結(jié)果統(tǒng)一色卡范圍下限為700000 Wh，上限為900000 Wh。全年00:00-24:00平均太陽輻射量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表2　模擬結(jié)果截圖表

表3　全年00:00-24:00平均太陽輻射量統(tǒng)計(jì)表

由模擬結(jié)果得出的年平均太陽輻射量數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的曲線圖如圖4-7：

圖4　年輻射量隨H變化結(jié)果對(duì)比（東邊）　

圖5　年輻射量隨H變化結(jié)果對(duì)比（西邊）

圖6　年輻射量隨D變化結(jié)果對(duì)比（東邊）

圖7　年輻射量隨D變化結(jié)果對(duì)比（西邊）

6　結(jié)論與建議

6.1結(jié)論

本文通過Ecotect模擬得出了陽臺(tái)壁掛式太陽能在不同工況下的年均太陽輻射量，對(duì)比模擬結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

（1）從圖4、圖5可以得出：在相同的D下，隨著H的增大，東西兩邊集熱器受建筑凸出部位的日照遮擋越來越大，年平均太陽輻射量趨于線性減小。在相同的H下，隨著D的增大，東、西兩邊集熱器年平均太陽輻射量均相差越來越小。

（2）從圖6、圖7可以得出：在相同的H下，隨著D的增大，東西兩邊集熱器受建筑凸出部位的日照遮擋越來越小，年平均太陽輻射量趨于線性增大。在相同的D下，隨著H的增大，東、西兩邊集熱器年平均太陽輻射量均相差越來越小。

（3）在相同上面四個(gè)圖中可以得出：在D和H相同的情況下，東邊比西邊陽臺(tái)的集熱器年平均太陽輻射量值平均高63 MJ/m2。

（4）本文模擬所選取的陽臺(tái)開間和凸出部位進(jìn)深的尺寸范圍均參考于多個(gè)高層住宅項(xiàng)目，模擬得出的相關(guān)數(shù)據(jù)可為合肥地區(qū)高層住宅光熱建筑一體化設(shè)計(jì)與安裝提供實(shí)際參考。

6.2建議

（1）本文考慮的D和H的取值范圍有限，只分析了建筑正南朝向的情況，建議朝向南偏東和南偏西角度較小的高層住宅可參考本文所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）若高層住宅陽臺(tái)安裝壁掛式太陽能，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮建筑自身凸出部位對(duì)太陽能集熱器的日照遮擋，提高可再生能源的使用效益。

[1]劉帥. 關(guān)于掛壁式太陽能熱水器的發(fā)展前景和應(yīng)用[J]. 科技資訊，2012(14)：3.

[2]黃堅(jiān)強(qiáng). 平板型陽臺(tái)壁掛式太陽能熱水器的應(yīng)用分析[J]. 才智，2011(08)：91-92.

[3]王璋元，楊晚生. 居住建筑光熱系統(tǒng)一體化技術(shù)問題研究[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(04)：121-124.

[4]廖禎群，劉新月. 平板集熱器安裝傾角與太陽輻射量吸收的關(guān)系[J]. 綠色科技，2015(04)：258-259.

[5]DB34/1801-2012，太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化技術(shù)規(guī)程[S].

[6]云朋. ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[7]姚露. 住宅建筑節(jié)能體型設(shè)計(jì)[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2010(05)：24-27.

Simulation Study of the Impact of Self-occlusion on Wall-mounted Solar Water Heaters

WANG Lifei， FANG Tingyong， YANG Yang， LI Xuesong
(School of Civil Engineering , Anhui Jianzhu University, Hefei,230601,China)

In the high-rise residence building, energy consumption domestic hot water occupies a non-negligible share of energy consumption in buildings. At present, applications of the domestic balcony wall-mounted solar water heaters offer effective solution to the residential need for hot water, but the installation and use of the balcony wall-mounted solar in high-rise residential building, is vulnerable to the influence of the convex area the building itself. This paper, through Ecotect software simulation, studies the influence of annual solar radiation for self-occlusion, and obtains relevant data for providing useful guidance for design and installation of balcony wallmounted solar water heaters.

self-occlusion；wall-mounted solar；high-rise residence；radiation

TK519

A

2095-8382(2016)03-068-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160315

2015-11-04

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAJ03B04）

王禮飛（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：綠色建筑及建筑節(jié)能。