太阳能热利用课程设计1

新能源科学与工程学院

太阳能热利用原理与计算机模拟课程设计

学院：新能源科学与工程学院

专业班级：太阳能光热技术及应用

学生姓名：章杜彬

学号： 1103040036

指导教师：詹长军

实施时间：2013.11.18—2013.11.22

姓名章杜彬课程设计成绩评语：

指导教师（签名）

摘要

太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/㎡。地球赤道的周长为40,000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为499,400,00,000焦。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳。

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。

关键词：太阳能集热器系统设计太阳能集热器面积设备的选型

目录

第一章项目概况 (5)

1.1 建筑概况 (5)

1.2 气象参数 (5)

第二章太阳能集热器系统设计 (6)

2.1 集热器倾角设计 (6)

2.2 太阳能集热器面积设计 (6)

第三章设备选型 (9)

3.1 太阳能集热器 (9)

3.2 贮热水箱 (9)

3.3 辅助热源 (10)

3.4 控制器 (10)

第四章太阳能热水系统的总预算 (11)

4.1太阳能热水系统的年节能量 (11)

4.2寿命期内太阳能热器系统的总节省费用 (11)

4.3 回收年限 (12)

第五章太阳能热水系统的计算机模拟 (13)

5.1热水系统设计及部件装配 (13)

5.2部件参数 (13)

第六章模拟计算报告 (18)

参考文献 (20)

第一章项目概况

1.1 建筑概况

该建筑为北京某大学学生宿舍，纬度：北纬39°48′，经度：东经117°；该宿舍楼满员200人。供热水时间为早上6点到晚上10点，用水温度45℃，每人每天用水量40L。

1.2 气象参数

北京

年太阳辐照量：水平面5570.48MJ/㎡,40°倾角表面6281.99MJ/㎡

年平均日太阳辐照量：水平面15.25MJ/㎡,40°倾角表面17.21MJ/㎡年日照时数：2755.5h

年平均温度：11.5℃

沙尘暴从1951年至2000年间，年均28天，最高年份是1952年，达87天，最少年份为2天，发生季节以12月至翌年4月占62%，春季特别是4月份最多，8、9月份最少，仅占15%。年均情况为，大风22天，扬沙20天，浮尘6天，沙尘暴2.4天。沙尘暴最多年份1966年达20天，50、60年代年均5天，70年代年均不到1天；2000年以来每年都有多次发生沙尘暴。

第二章太阳能集热器系统设计

2.1 集热器倾角设计

利用Meteo Norm v4.0软件计算得出：北京正南方向30°～40°的补偿面积最大，故集热器倾角取40°。

2.2 太阳能集热器面积设计

1、热水系统负荷计算

（1）用水人数

总用水人数200人

（2）系统日热水量计算

①系统设计日用热水量

q r

m

q

rd=

式中rd q——设计日用水量，L/d;

q——最高日热水用水定额，100L/（人·d）；

r

m——用水计算单位数(人数或床位位数），200人。

则=

q20000L/d

rd

②系统平均日用热水量

Q ar

m

q

w=

式中w Q——平均日用热水量，L/d；

q——日平均用水定额，40L/d；

ar

m——用水计算单位数，200人。

则 w Q =8000L/d （2）集热器采光面积的确定

)

1()(L cd T L end r w J f t t c Q Ac ηηρ--=

式中 c A ——直接系统集热器采光面积，㎡；

w Q ——平均日用水量，8000L/d;

c ——水的比热容，4.187kJ/(㎏·℃）； r ρ——热水密度，近似取1㎏/L ； en

d t ——贮水箱内水的终止温度，45℃；

L t ——冷水温度，15℃； T

J ——年平均集热器倾角表面上年平均日辐照量，17217kJ/

㎡；

f

——太阳能保证率；

L η——管道及贮水箱的热损失率； cd η——太阳能集热器的全日集热效率。

①确定太阳能保证率f 北京属于太阳能资源一般区，系统偏重于在春、夏、秋三季使用，表1（不同地区太阳能保证率的选值范围

4

），取太阳能保证率f =0.5。

②确定管路及贮水箱热损失率L η 由于系统保温的热水管路和

贮热水箱等部件都在室内，环境温度较高，取0.25。

③集热器全日集热效率cd η 归一化温差

G

t t X a i )(-=

式中 i t ——集热器入口温度,2053

])([23=-+-+=L L end L i t t t f t

t ℃ ；

a t ——北京年平均日室外空气温度，11.5℃；

G ——年平均日太阳辐照度，W/㎡;

Y

T

S J G 6.3=

式中 Y S ——年平均每日的日照小时数，277.5h ÷365d=7.5h. 则 G=638W/㎡ 则归一化温差X=0.0133㎡·℃/W 。

根据归一化外温差查集热器生产厂家提供的集热器效率曲线

，得cd η=0.57。

将以上参数带入集热器采光面积计算公式，得Ac=68.26㎡，集热器的规格为2㎡ 一块，则需要块集热器，实际集热器面积为70㎡。

60 50 40 30 20 10

瞬时效率﹪ 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11

基于进口温度的归一化温差 图1

第三章 设备选型

3.1 太阳能集热器

本工程需要70㎡的集热器，每块集热器的面积是2㎡，应用串联的方法5个一串，共7个阵列；采用捷森HJ 型集热器，集热器的使用年限是15年。

3.2 贮热水箱

按每平方米米太阳能集热器采光面积对应75L 贮热水箱容积确定：

水箱的有效容积 Vr =75·Ac =75×70=5250L=5.25m 3 贮水容积

T

p t t c mq K Q r

L r r h

h 3600)(-=

式中h Q ——设计小时耗热量，W; m ——用水人数，200人；

r q ——最高日热水用水定额100L/（人·d ）； c ——水的比热容，4187J/(㎏·℃）；

r t ——热水温度，45℃； L t ——冷水温度，15℃；

r ρ——热水密度，近似取1㎏/L ；

h K ——小时变化系数，4.8；

T ——每日使用时间，16h 。

则 h Q =209350W

容积式热交换器贮热量保证系统用户90min 设计小时耗热量，即 'Q =90×60h Q =1130.49MJ

=-=

)

('

L r r t t cp Q V 9000L=9m 3

3.3 辅助热源

辅助热源为电加热，放置于水箱中。 辅助加热量按下式计算：

p

t t T

V Q Q L r r

h g )(163

.1--=η

式中g Q ——辅助加热器的设计小时供热量，W;

h Q ——设计小时耗热量，h Q =209350W ；

r ρ——热水密度，近似取1㎏/L ； η——有效贮热容积系数，0.75；

T ——设计小时耗热量持续时间，4h

r t ——热水温度，45℃； L t ——冷水温度，15℃；

则 g Q =150473.125W

电加热的效率按95%考虑，则电加热的加热量为162512.45/0.95=158392.76W 。保险取160000W

3.4 控制器

温差控制器

第四章 太阳能热水系统的总预算

4.1太阳能热水系统的年节能量

cd c T c save J A Q ηη)1(-=?

式中save Q ?——太阳能集热器系统提供的有用热量，MJ; Ac ——直接系统集热器采光面积，70㎡；

T J ——太阳能集热器倾角表面上的年太阳辐照量6281.99MJ/㎡；

cd η——太阳能集热器的全日集热效率57%。

c η——管道及贮水箱的热损失率0.25； 则 save Q ?=187988.55MJ

取电加热设备的效率为95%，太阳能热水器的年节能量

s

save

e s Q C Q η3600308.29?=

? 式中s Q ?——太阳能热水器的年节能量，MJ ；

s η——辅助热源系统的工作效率，0.95；

e C ——系统建设当年我国单位供电煤耗，349g/（kW ·h ）； 则 s Q ?=562233.74MJ

4.2 寿命期内太阳能热器系统的总节省费用

d d s A DJ A Q PI SAV --?=)( ??

?

???++--=

n d e e d PI )11(11 式中SAV ——系统寿命期内总节省费用，元；

PI ——折现系数；

d ——五年以上银行贷款利率6.55%年执行）；

e ——年燃烧价格上涨率，按1%考虑； n ——分析节省费用的年限，取15年； 取 PI=9.941

Cc ——常规能源热价，电加热效率取95%，则热价为0.14元/MJ

Ad ——太阳能热水系统总增加投资，10万； DJ ——维修费用占总增加投资的百分比，一般取1%； s Q ?——按照s

save s Q Q η?=?计算得197882.68MJ

15年内节省燃料费用 SAV=16.546万

4.3 回收年限

系统回收年限为系统节省的总费用等于系统投资的年限为回收年限 此时折现系数

=

-?=

DJ A C Q A PI d c s d

3.74

回收年限 []=++--=

)11ln()(1ln d

e e d PI Ne 4.35年

第五章太阳能热水系统的计算机模拟5.1热水系统设计及部件装配

5.2部件参数

1、天气数据

参数 1 Data Reader Mode 2 -

3 Sky model for diffuse

4 -

radiation

4 Tracking mode 1 -

输入 1 Ground reflectance 0.2 -

2 Slope of surface 40 degrees

3 Azimuth of surface 0.0 degrees

2、集热器

参数 1 Number in series 35 -

2 Collector area 70 m^2

3 Fluid specific heat 4.190 KJ/kg.K

4 Efficiency mode 1 -

5 Tested flow rate 40.0 kg/hr.m^2

6 Intercept efficiency 0.80 -

7 Efficiency slope 13.0 KJ/hr.m^2.K

8 Efficiency curvature 0.05 KJ/hr.m^2.K^2

9 Optical mode 2 2 -

10 1st-order IAM 0.2 -

11 2nd-order IAM 0 -

输入 1 Inlet temperature 20 ℃

2 Inlet flow rate 1000 ㎏/hr

3 Ambient temperature 15 ℃

9 Collector slope 40 degrees

3、水泵

参数 1 Rated flow rate 600 ㎏/hr

3 Rated power 1000 KJ/㎏.K

输入 1 Inlet fluid temperature 15.0 ℃

2 Inlet fluid flow rate 500 ㎏/hr

4、温差控制器

参数 2 High limit cut-out 100 ℃

输入 1 Upper input temperature Th 100.0 ℃

2 Lower input temperature Tl 15.0 ℃

3 Monitoring temperature Tin 45.0 ℃

5 Upper dead band DT 10.0 Temp.Differen

ce

6 Lower dead band T 2.0 Temp.Differen

ce

5、水箱

参数 2 Tank volume 9 ?

5 Tank loss coefficient (-) -3.0 KJ/hr.m^2.K

6 Height of node-1 0.05 m

7 Height of node-2 0.05 m

8 Height of node-3 0.05 m

9 Height of node-4 0.05 m

10 Height of node-5 0.05 m

11 Height of node-6 0.05 m

12 Auxiliary heater mode 1 -

13 Node containing heating element 1 1 -

14 Node containing thermostat 1 1 -

15 Set point temperature for element 145.0 ℃

16 Dead band for heating element 1 5.0 delta℃

17 Maximum heating rate of element 1160000w

25 Boiling point 100 ℃

输入 5 Environment temperature 15.0 ℃

6、调节阀

输入 1 Inlet temperature 15.0 ℃

3 Heat source temperature 55.0 ℃

4 Set point temperature 4

5 ℃

7、T型阀

输入 1 Temperature at inlet 1 20.0 ℃

2 Flow rate at inlet 1 100.0 ㎏/hr

3 Temperature at inlet 2 20.0 ℃

4 Flow rate at inlet 2 100.0 ㎏/hr 8、Water draw

参数 1 Initial value of time 0 hr

2 Initial value of function 0 ㎏/hr

3 Time at point-1 6 hr

4 Water draw at point -1 0 ㎏/hr

5 Time at point-2

6 hr

6 Water draw at point -2 500 ㎏/hr

7 Time at point-3 22 hr

8 Water draw at point -3 500 ㎏/hr

9 Time at point-4 22 hr

10 Water draw at point -4 0 ㎏/hr

11 Time at point-5 24 hr

12 Water draw at point -5 0 ㎏/hr 9、在线绘图

参数 1 Nb. of left-axis variables 2 -

2 Nb. of right-axis variables 2 -

3 Left axis minimum 0.0 -

4 Left axis maximum 150 -

5 Right axis minimum 0.0 -

6 Right axis maximum 1000.0 - 输入 1 Left axis variable-1 Outlet

2 Left axis variable-2 Outlet

3 Right axis variable-1 total

4 Right axis variable-2 Outlet

第六章模拟计算报告

用水温度

集热器收集的有用能

水泵消耗的电能

辅助加热消耗的能源

集热器表面的温度

参考文献:

［1］《建筑给水排水设计规范》 GB50015—2003

［2］《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364—2005

［3］《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T 18713—2002

［4］郑瑞澄主编，化学工业出版社；第2版；民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 2011年7月

［5］何梓年编著；中国科学技术大学出版社；太阳能热利用；2009年7月