4.2 太阳能集热系统设计

4.2.1 本条介绍了太阳能空调集热系统集热器总面积的计算方法。按照太阳能集热系统传热类型，集热器总面积分为直接式和间接式两种计算方法。
    计算公式中，热力制冷机组性能系数(COP)的选取方法为：对于太阳能单效溴化锂吸收式空调系统，对应于热源温度为(88～90)℃，制冷机组的性能系数约为0.7；对于太阳能硅胶-水吸附式空调系统，对应于相同的设计工况，制冷机组的性能系数约为0.4。
    公式中Q为太阳能空调系统服务区域的空调冷负荷，与建筑空调冷负荷有所不同，目前太阳能空调系统可以提供的设计工况下制冷量还较小，而多数公共建筑空调冷负荷相对较大，因此在大部分案例中，太阳能空调系统仅能保证单体建筑中部分区域的温湿度达到设计要求。而当单体建筑体量较小时，且经计算空调冷负荷可以完全由太阳能空调系统供应，此时太阳能空调系统服务区域的空调冷负荷与建筑空调冷负荷相等。
    设计太阳能空调负荷率r由设计人员根据不同资源区、建筑具体情况以及投资规模进行确定，通常宜控制在50％～80％。设计计算中，对于资源丰富区(Ⅰ区)、资源较丰富区(Ⅱ区)以及资源一般区(Ⅲ区)，当预期初投资较大时，建议设计太阳能空调负荷率取70％～80％，当预期初投资较小时，建议设计太阳能空调负荷率取60％～70％；对于资源贫乏区(Ⅳ区)，建议设计太阳能空调负荷率取50％～60％。
    当太阳能集热器的朝向为水平面或不同朝向的立面时，空调设计日集热器采光面上的最大总太阳辐射照度J为水平面或不同朝向立面的太阳辐射照度，可根据现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019的附录A(夏季太阳总辐射照度)查表求得。当集热器的朝向为倾斜面时，最大总太阳辐射照度J＝J_θ。
    倾斜面太阳辐射照度：J_θ＝J_D，θ+J_d，θ+J_R，θ
    式中，J_θ为倾斜面太阳总辐射照度(W/㎡)；J_D，θ为倾斜面太阳直射辐射照度(W/㎡)；J_d，θ为倾斜面太阳散射辐射照度(W/㎡)；J_R，θ为地面反射辐射照度(W/㎡)。
    倾斜面太阳直射辐射照度：
    J_D，θ＝J_D[cos(Φ－θ)cosδcosω＋sin(Φ－θ)sinδ]/(cosΦcosδcosω＋sinΦsinδ)
    式中，J_D为水平面太阳直射辐射照度(W/㎡)，根据现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019的附录A查取；Φ为当地地理纬度；θ为倾斜面与水平面之间的夹角；δ为赤纬角；ω为时角。
    赤纬角δ＝23.45sin[360×(284＋n)/365]
    式中，n为一年中的日期序号。
    时角ω的计算方法为：一天中每小时对应的时角为15°，从正午算起，正午为零，上午为负，下午为正，数值等于离正午的小时数乘以15。
    倾斜面太阳散射辐射照度：
    J_d，θ＝J_d(1+cosδ)/2
    式中，J_d为水平面太阳散射辐射照度(W/㎡)，根据现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019的附录A查取。
    地面反射辐射照度：
    J_R，θ＝ρ_G(J_D+J_d)(1－cosδ)/2
    式中，ρ_G为地面反射率，工程计算中可取0.2。
    集热器平均集热效率η_cd应参考所选集热器的性能曲线确定，此处需要注意，集热效率应按照热力制冷机组热源的有效工作温度区间进行确定，一般在30％～45％之间。
    蓄能水箱以及管路热损失率η_L可取0.1～0.2。
    集热器总面积还应按照建筑可以提供的安装集热器的面积来校核。当集热器总面积大于可安装集热器的建筑外表面积时，需要先按照实际情况确定集热器的面积，然后采用公式(4.2.1-1)和(4.2.1-2)反算出太阳能空调系统的服务区域空调冷负荷，从而确定热力制冷机组的容量。
4.2.2 本条规定了太阳能集热系统设计流量与单位面积流量的确定方法，太阳能集热系统的单位面积流量与太阳能集热器的特性有关，一般由太阳能集热器生产厂家给出。在没有相关技术参数的情况下，按照条文中表4.2.2确定。
4.2.3 太阳能集热系统循环管道以及蓄能水箱的保温十分重要，已有相关标准作出了详细规定，应遵照执行。
4.2.4 南向设置太阳能集热器可接收最多的太阳辐射照度。太阳能空调系统除了在夏季制冷工况中应用外，应做到全年综合利用，避免非夏季季节集热器产生的热水浪费。太阳能集热器安装倾角等于当地纬度时，系统侧重全年使用；其安装倾角等于当地纬度减10°时，系统侧重在夏季使用。建筑师可根据建筑设计与制冷负荷需求，综合确定集热器安装屋面的坡度。