太阳能热利用课程设计.doc

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： 2013.11.182013.11.22 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51.1 建筑概况51.2 气象参数5第二章 太阳能集热器系统设计62.1 集热器倾角设计62.2 太阳能集热器面积设计6第三章 设备选型93.1 太阳能集热器93.2 贮热水箱93.3 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114.1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 114.3 回收年限13第五章 太阳能热水系统的计算机模拟135.1热水系统设计及部件装配135.2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3948，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3040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） 系统日热水量计算系统设计日用热水量式中 设计日用水量，L/d; 最高日热水用水定额，100L/（人d）； m用水计算单位数(人数或床位位数），200人。则 20000L/d系统平均日用热水量式中 平均日用热水量，L/d； 日平均用水定额，40L/d； 用水计算单位数，200人。则 =8000L/d（2）集热器采光面积的确定式中 直接系统集热器采光面积，； 平均日用水量，8000L/d; c 水的比热容，4.187kJ/(）； 热水密度，近似取1/L； 贮水箱内水的终止温度，45； 冷水温度，15； 年平均集热器倾角表面上年平均日辐照量，17217kJ/； 太阳能保证率； 管道及贮水箱的热损失率； 太阳能集热器的全日集热效率。确定太阳能保证率 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=0.5。 确定管路及贮水箱热损失率 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。集热器全日集热效率归一化温差式中 集热器入口温度, ； 北京年平均日室外空气温度，11.5； 年平均日太阳辐照度，W/;式中 年平均每日的日照小时数，277.5h365d=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605040302010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，得=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。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 =75=7570=5250L=5.25m贮水容积 式中设计小时耗热量，W; m用水人数，200人； 最高日热水用水定额100L/（人d）； c水的比热容，4187J/(）；热水温度，45；冷水温度，15； 热水密度，近似取1/L；小时变化系数，4.8；T每日使用时间，16h。则 =209350W容积式热交换器贮热量保证系统用户90设计小时耗热量，即 =9060=1130.499000L=9m3.3 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：式中辅助加热器的设计小时供热量，W;设计小时耗热量，=209350W；热水密度，近似取1/L；有效贮热容积系数，0.75；T设计小时耗热量持续时间，4h热水温度，45；冷水温度，15；则 =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160000W3.4 控制器温差控制器第4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式中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； 太阳能集热器倾角表面上的年太阳辐照量6281.99MJ/； 太阳能集热器的全日集热效率57%。 管道及贮水箱的热损失率0.25；则 =187988.55MJ取电加热设备的效率为95%，太阳能热水器的年节能量式中太阳能热水器的年节能量，MJ； 辅助热源系统的工作效率，0.95； 系统建设当年我国单位供电煤耗，349g/（kWh）； 则 =562233.74MJ4.2 寿命期内太阳能热器系统的总节省费用 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 常规能源热价，电加热效率取95%，则热价为0.14元/MJAd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%； 按照计算得197882.68MJ15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 3.74回收年限 4.35年第5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1Data Reader Mode2-3Sky model for diffuse radiation4-4Tracking mode1-输入1Ground reflectance0.2-2Slope of surface40degrees3Azimuth of surface0.0degrees2、集热器参数1Number in series35-2Collector area70m23Fluid specific heat4.190KJ/kg.K4Efficiency mode1-5Tested flow rate40.0kg/hr.m26Intercept efficiency0.80-7Efficiency slope13.0KJ/hr.m2.K8Efficiency curvature0.05KJ/hr.m2.K29Optical mode 22-101st-order IAM0.2-112nd-order IAM0-输入1Inlet temperature202Inlet flow rate1000/hr3Ambient temperature159Collector slope40degrees3、水泵参数1Rated flow rate600/hr3Rated power1000KJ/.K输入1Inlet fluid temperature15.02Inlet fluid flow rate500/hr4、温差控制器参数2High limit cut-out100输入1Upper input temperature Th100.02Lower input temperature Tl15.03Monitoring temperature Tin45.05Upper dead band DT10.0Temp.Difference6Lower dead band T2.0Temp.Difference5、 水箱参数2Tank volume95Tank loss coefficient (-)-3.0KJ/hr.m2.K6Height of node-10.05m7Height of node-20.05m8Height of node-30.05m9Height of node-40.05m10Height of node-50.05m11Height of node-60.05m12Auxiliary heater mode1-13Node containing heating element 11-14Node containing thermostat 11-15Set point temperature for element 145.016Dead band for heating element 15.0delta17Maximum heating rate of element 1160000w25Boiling point100输入5Environment temperature15.06、 调节阀输入1Inlet temperature15.03Heat source temperature55.04Set point temperature457、 T型阀输入1Temperature at inlet 120.02Flow rate at inlet 1100.0/hr3Temperature at inlet 220.04Flow rate at inlet 2100.0/hr8、 Water draw参数1Initial value of time0hr2Initial value of function0/hr3Time at point-16hr4Water draw at point -10/hr5Time at point-26hr6Water draw at point -2500/hr7Time at point-322hr8Water draw at point -3500/hr9Time at point-422hr10Water draw at point -40/hr11Time at point-524hr12Water draw at point -50/hr9、在线绘图参数1Nb. of left-axis variables2-2Nb. of right-axis variables2-3Left axis minimum0.0-4Left axis maximum150-5Right axis minimum0.0-6Right axis maximum1000.0-输入1Left axis variable-1Outlet2Left axis variable-2Outlet3Right axis variable-1total4Right axis variable-2Outlet第 20 页第6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 GB5001520032 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范GB5036420053 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范GB/T 1871320024 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