毕业设计（论文）-基于风光互补发电系统的零能耗建筑能量系统优化设计研究.doc

装订线安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称基于风光互补发电系统的零能耗建筑能量系统优化设计研究指导老师学院建筑工程学院专业班级建筑环境与能源应用工程132班姓名学号毕业设计（论文）的工作内容:1.：冷负荷模拟，确定空调能耗2.：建筑能耗模拟3.：零能耗建筑的风光互补发电系统尺寸与运行性能4.：并网状态下风光互补发电系统的优化研究5.：离网状态下风光互补发电系统的优化研究6.：图纸绘测7：10000字符英文翻译指导教师签字：指导教师签字：安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线I摘要本设计为青岛市一栋农村民用居民建筑拟为之设计风光互补发电系统为该建筑提供生活所需的电能。本设计利用DesignBuilder对建筑进行建模与能耗模拟，得出该建筑的全年生活耗电量，并以此为依据设计一套能完全满足该建筑用电需求的风光互补发电系统。本设计依据有关规定考虑节能和舒适性要求，设计的风光互补发电系统采用风力发电和光伏发电两种发电方式综合使用，能够进行有效的发电互补，提供更加稳定的电力供应。设计内容包括:建筑物建模；建筑物能耗模拟；确定空调系统的能耗；确定每个季节下建筑物的小时与日耗能；不同风光匹配情况下的发电效率与经济性分析；风光互补发电系统的优化设计；离网状态下蓄电池大小的确定。关键字：关键字：民用建筑能耗模拟风光互补发电系统优化设计两种状态下风光互补发电系统的经济性比较DesignBuilder安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线2ABSTRACTThedesignforaruralresidentialbuildingsinQingdaoCitytobedesignedforwindandsolarpowergenerationsystemforthebuildingtoprovidethenecessaryenergyforlife.ThisdesignusesDesignBuildertomodelandsimulatethebuildinganddrawstheannuallifepowerconsumptionofthebuilding.Basedonthiswedesignasetofwindandsolarpowersystemwhichcanfullymeetthedemandofconstructionelectricity.Basedontherelevantprovisionsofthedesigntoconsiderenergy-savingandcomfortrequirementsthedesignofwindandsolarpowergenerationsystemusingwindpowerandphotovoltaicpowergenerationtwokindsofpowergenerationintegratedusetoeffectivelygenerateelectricitycomplementarytoprovideamorestablepowersupply.Thedesignincludes:buildingmodelingbuildingenergysimulationdeterminingtheenergyconsumptionoftheairconditioningsystemdeterminingthehouranddayenergyconsumptionofthebuildingsundereachseasonpowergenerationefficiencyandeconomicanalysisinthecaseofdifferentscenerymatchingOptimaldesignofcomplementarypowergenerationsystemdeterminationofbatterysizeinoff-gridstate.Keywords:Civilconstruction；Energyconsumptionsimulation；Windandsolarpowergenerationsystem；Optimizeddesign；EconomicComparisonofWind-solarComplementaryGenerationSysteminTwoStates；DesignBuilder安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线3目录1绪论.61.1我国风光互补发电系统的现状.61.2光互补发电系统国内外研究现状.61.3风光互补发电系统的组成与特征.101.3.1风光互补发电系统的组成.101.3.2风光互补发电系统的特征.111.4风光互补发电系统的发展趋势.111.5国家对于发展可再生能源的优惠政策.121.6本文所做的工作.132建筑能耗模拟.142.1自然概况.142.2DESIGNBUILDER软件介绍.142.2.1软件功能.142.2.2建模.152.3冷热负荷计算与能耗模拟.162.3.1供暖设计计算：.172.3.2制冷设计计算.172.3.3建筑能耗计算.182.4建筑整体耗电量的详细计算.192.4.1用电器功率与日耗能.192.4.2青岛市的四季划分.192.4.3每个季节的日耗电情况.202.4.4一年四季中该建筑的用电特征.222.5一年中建筑用电量变化情况.22安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线43风光互补发电系统尺寸和运行性能.233.1可再生能源系统的原理与特点.233.2可再生能源系统的设计.233.2.1当建筑用电消耗全部由太阳能发电供应.243.2.2建筑耗电全部由风能发电供应.254.并网状态下风力和光伏发电的经济性分析.284.1不同设计方案下风光互补发电系统的成本对比.284.2并网建筑风光互补发电系统的优化设计.295.离网状态下风力和光伏发电的经济性分析.325.1根据并网设计发电量计算蓄电池的大小.335.1.1建筑的全年日产能与日耗能差.335.1.2建筑的全年累计发电量与用电量差值.345.1.3不改动发电系统的情况下使用蓄电池的经济性分析.345.2扩大风光互补发电系统的规模.355.2.1确定离网状态下系统的最小月发电量.355.2.2设计风光互补发电系统.355.2.3应急蓄电池容量的确定.375.3发电系统总成本与用电价格.385.3.1发电系统的初始成本.385.4蓄电池价格对于风光互补发电系统发电成本的影响.395.4.1两种状态下不同风光互补发电系统的成本比较.395.5发展风光互补发电系统的社会效益.406结论.426.1基本结论.426.2研究展望.42安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线5参考文献.44致谢.46安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线611绪论绪论安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线71.1我国风光互补发电系统的现状我国风光互补发电系统的现状中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。也就是说中国目前还有4000万人口没有享受到公用电网提供的便捷电力。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。这些地区往往地形崎岖，又远离人口密集区，建造公用电网成本往往非常高，这种情况下如果要建设公用电网，供电的电力价格远远高于城市的公用电网，而这些偏远地区往往经济欠发达，没有足够的经济能力来消费。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。进一步提高这些偏远地区人民的生活水平。我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。这种情况下，建造于研究像风光互补发电系统类似的可再生能源发电系统，降低可再生能源发电系统的成本，降低用电价格，提高用电质量和稳定性，对于提高贫困地区人民的生活水平，降低环境污染，提高清洁能源发电比例具有非常重要的意义。1.2光互补发电系统国内外研究现状1981年，丹麦的NEBusch和Kllenbach提出了太阳能和风能混合利用的技术问题，最初的风光互补发电系统只是将风力机和光伏组件进行简单的组合。随后，国外的专家学者对风光互补系统进行了研究和应用。此后，RajeshKarki(Saskatchewan大学，加拿大)等人研究了独立小型风光发电系统的成本及可靠性计算，指出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线8发电成本、提高系统可靠性的重要途径。RoyBillinton(Saskatchewan大学，加拿大)等人研究了独立小型风光发电系统的扩容问题，指出互补发电系统扩容的可能性。BDShakya(Melbourne大学，澳大利亚)等人设计了一种采用压缩氢气储能的风光互补发电系统，并对该系统的技术可行性和经济性做了分析。RodolfoDufoLopez（Zzaagoza大学，西班牙）等人用C+语言开发了一套用于光风，光柴等互补发电系统的基于遗传算法的优化软件，并对位于Zaragoza的光柴互补发电系统进行了设计与优化，还与另外一个互补优化软件HOMER（可再生能源互补发电优化建模）进行了比较，结果显示该系统能够根据负载和光照条件确定所用的光伏列阵，蓄电池和柴油机的数量与类型，找到系统最佳配置，以最小的成本获得最大的电能输出，证实了光风，光柴等互补发电系统比任何一种单独单独发电系统都更具优势。BorowyBS针对风光互补系统提出了优化系统配置的方法，但是该方法在优化系统配置的过程中，并没有把系统的串联连接和并联连接区别开来，此外系统所采用的数学模型也有待进一步改进。BAi在BorowyBS的工作基础上，通过对系统性能小时数据的计算，给出了优化系统配置的一套方法，即在一些列给定的LPSP(lossofpowersupplyprobility)下，得出光伏列阵容量与蓄电池容量的协调曲线，通过画出该曲线的切线（其斜率代表光伏列阵与蓄电池费用的关系），从而唯一的确定系统的最优配置。KThyagarajian研究了包括风光柴复合发电系统的可再生能源复合发电系统的计算机数学模型，用以计算机系统的性能。MAElhadidy以沙特阿拉伯Dhahran气象站1989年和1991年的小时平均风俗为依据，针对系统10Kw风力发电机（2套）+蓄电池+柴油机，分析了蓄电池的最优配置问题。WKellogg以系统成本为目标函数，以最小负载损失率为约束，采用简单迭代算法研究了风光柴蓄系统最优配置问题。ANCelik根据8年间所测得的气象小时数据，分析计算了复合风光发电系统和独立光伏发电系统或独立风力发电系统，从系统运行性能和经济性能两方面对上述系统进行了比较。ADBagul采用三事件概率密度逼近的算法，以20年的风速，太阳辐射，环境温度为依据，针对特定的负载，计算出风光符合发电系统中蓄电池和光伏列阵的大小。WKellogg在前期工安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线9作的基础上，进一步对独立光伏发电系统，独立风力发电系统，风光复合发电系统的技术性能和经济性能进行了分析比较CDennisBarley研究了边远风光复合发电系统调度策略的优化设计问题MACastro研制了主要用于包括风光复合发电系统在内的可再生能源发电系统的仿真软件。RChedid提出了风光蓄电复合系统的设计及控制软件。RChedid提出了在考虑政治、社会条件，技术、经济等多种因素条件下，利用分层序列法和新的三维协调曲面最小距离风险评价函数法，为风光复合发电并网系统的设计者提供决策支持。SDiafa等人提出了风光互补系统的优化方法，分两步：第一步建立精确地数学模型（包括光伏模型，风力机模型，蓄电池模型）；第二步根据失电率（LPSP）和电能成本（LCE）优化系统的容量大小，认为满足系统的稳定性（LPSP=0）且LEC最低的系统为最优系统。将此方法用于安装在Corsica岛的风光互补系统，得出三条结论：在保证LPSP为0的情况下，如果蓄电池的容量不够大，系统超过30%的电能就不能用；系统的设备选择（包括设备的型号和容量大小）对降低系统成本十分重要；为了在LCE最低的情况下，降低不可用的电量，利用第三种能源（柴油机）对系统有利。KlaasvanAlphena等人利用复合系统设计工具HOMER软件对Maidives岛屿的三个不同的可再生能源（RE）系统中的风电和太阳能发电进行评估，提出了多准则分析方法。评估结果显示，风光柴复合发电系统比100%的RE（renewableenergy）系统有更高的适应性，后一种系统在Maldives岛上经济性不可行。相比较而言，风柴复合系统在经济上有更好的适应性，而光柴复合系统在技术上有更好的适应性。但是技术过程的实现只考虑了技术范畴本身，没有考虑环境，公共机构和政治等因素的影响。TomonobuSenjyua等人针对只用柴油机发电的孤岛存在柴油缺乏，环境污染等问题，提出利用可再生能源发电的系统，系统包括柴油机、风力机、光伏阵列和蓄电池，并对该系统进行了优化，并且当风速、用电量、发动机的额定功率和设备的初次投资改变时，提出的策略也可以调整，仅从系统的仿真效果来看，利用提出的优化方法，系统运行成本比只用柴油机降低了约10%。JKKaidellis等人提出了一种风柴蓄复合孤网系统的发电成本模型，包括初次投资成本，固定成本和可变成本（包括柴油的消费成本和安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线10平均每5-7年更换蓄电池的成本）。提出影响发电成本的因素有风资源的潜能，资本成本，油价，蓄电池的价格和初次投资等等。研究结果表明，对于风资源丰富的偏远地区，当年均风速高于6ms时，风柴复合系统是成本效益最好的发电系统。EsserThomas介绍了离网状态下的可再生能源电站的方案，供电系统由超大容量的风力机，光伏电池阵列和蓄电池组组成。分析结果表明，相对于常规电站，可再生能源电站提供了更高的可靠性，降低了资金花费，降低并预测系统的运行成本，减小系统对燃油价格的依赖性。CramerGl介绍了一种小型的离网型风光互补系统，系统包括风力机，光伏电池，蓄电池和柴油机组。基于6年的发展、制造和运行经验，证明此独立的小型发电系统能提供廉价的电能。Simic等人提出了一种小型的离网系统，系统包括太阳能光伏，风能和柴油机。根据实际的太阳能辐射、风速和负荷等数据，利用HOMER软件进行了仿真和优化，主要评估风力机功率曲线如何影响电成本和风电量。保持系统的其他部分不变，评估了五种不同的风力机功率曲线，仅在一些部件（例如，太阳能、蓄电池、整流器逆变器的容量）的优化数量改变时，系统的结构才改变。表明风力机的功率曲线不仅影响用电成本，而且影响优化系统的结构。1982年，我国的余华扬等人提出了太阳能风能发电机的能量转换装置，风光互补发电系统的研究从此进入实际利用阶段。此后，合肥工业大学能源研究所研制了风光柴蓄复合发电及智能控制系统的试验模拟装置，用来模拟实际运行系统，以考研系统结构及控组策略的合理性，系统动态运行的可靠性等，把实际不可重复的系统运行（由于风能和太阳能的波动性），变成可以重复试验的过程。同时，对系统进行了大量研究，建立了光伏阵列、风力发电机组、蓄电池、柴油机和逆变器的稳态数学模型；利用改进的遗传算法对系统进行优化；开发了变结构、可视化建模的风光柴蓄复合系统实时仿真软件和智能控制软件系统；在MATLAB环境下，建立了带有MPPT功能的太阳电池阵列通过仿真模型、变速风力发电机通用仿真模型和风光蓄复合发电系统的动态数学模型等。中国科学院电工研究所、中国科学院广州能源研究所、内蒙古工业大学等单位分别开发出能利用当地风光数据资源和所需的复合参数，可以评价和优化设计孤立电网系统各发电单元的软件。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线11艾斌等人根据风光互补发电系统优化设计的CAD方法编制了相应的匹配设计程序。并把该程序应用于一个假定安装在香港横澜岛上的风光互补发电系统。根据横澜岛的地理位置、每小时实测的气象数据（太阳辐射、风速、温度数据）、用户选定组件的价格和特性，由程序给出了以最小投资成本满足两种供电可靠性要求，即全年功率供给亏欠率LPSP分别等于0.1和0.01的优化的系统配置。比较并讨论了这两种优化的系统配置每小时、每日、每月和每年的详细性能表现。李丹等人提出了基于NASA资源数据的、以风力发电及为基础的风光互补发电系统设计计算模型，开发了用于风光互补发电系统配置的计算程序。录用风力发电量的计算模型和太阳能电池发电量计算模型，计算出在给定风速和太阳能强度下风光互补系统的发电量。1.3风光互补发电系统的组成与特征风光互补发电系统的组成与特征1.3.1风光互补发电系统的组成风光互补发电系统的组成风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。图1-1风光互补发电系统图安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线12风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性。在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益1.3.2风光互补发电系统的特征风光互补发电系统的特征风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线13随着社会的发展和能源的短缺，高科技和新技术得到广泛的应用。新能源的发展和开发是人类发展的趋势。风能和太阳能必将在这个资源稀缺的年代得到大力推广和使用。我国可以在这方面努力，争取在新能源方面走在世界的前列。1.4风光互补发电系统的发展趋势风光互补发电系统的发展趋势太阳能是当今发展速度居第二位的能源。太阳能光伏发电过去十五年平均年增长率为15%，到上个世纪90年代末期以30%以上的速度增长。购买相当于1千瓦发点能力的太阳能电池的价格已经从70年代的7万美元下降到2010年的3000美元，今后十年可能继续降低到1500美元左右，大约有40万户居民许多是尚未与电网相连的偏远地区的住户已经在利用太阳能发电。世界观察研究所的研究表明，在现有建筑物的顶部放置太阳能电池可以满足每年所需电量的一半以上。目前，全世界太阳能电池的生产厂以不下几百家，已有120万套光伏系统在运转。2001年全世界太阳电池的产量达到350MW累计安装量已经超过1600MW，预计到2030年的时候，光伏发电在全世界的总发电量中将占到5%-20%。面对新世纪，许多国家十分重视风电发展，从可持续发展的角度制定了风电发展规划。1998年公布的欧盟能源战略白皮书宣城，到2050年可再生能源在欧盟成员国能源供应结构中将达到50%.美国和日本也宣布21世纪能源的增长主要考虑清洁的可再生能源。到2020年风电占电力比重达到10%的国家有：美国、德国、丹麦、英国、荷兰、瑞典、西班牙和印度。实际上，在20世纪末的90年代后，全世界煤炭、火力发电的增长率几乎为零，水力发电、核电的发展速度也不到两位数，而风力发电的发展速度在30%左右。目前来说，我国的风光互补发电系统还处于起步阶段，发展时间也不超过40年，使用和研究时间都比较短，但是在这期间的发展速度十分迅猛，现在这种发电系统的主要发展阻力是资金上的匮乏。一方面远离人口密集区和城市电网的偏远地区用电困难，另一方面这些地区的经济都欠发达，而风光互补发电系统的安装和造价现在来说还比较高，后期的维护和更换工作难度也很大，造成了风光互补发电系统难以全面普及的现象。目前，这种发电系主要应用于孤岛式的电力系统中，一般都是在离网的状态下使用的，而且大多发电能力较为有限，只能提供生活用电。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线14风光互补优点众多，与只用光伏发电提供电能相比，风光互补发电系统可以降低蓄电池的容量大小，极大地降低用电成本。风光互补发电也从真正意义上将蓄电池电能的存储变成了电能的中继，从侧面降低了成本。并且对风力发电与光伏发电互相补充，对发电量进行良好的匹配后，供电充足，基本上可以保证一个完整系统的电力供应，而无需其他设备。因而，设计电网时，有时可以不必考虑如分布式发电一样的并网难题，无需配备其他电源。1.5国家对于发展可再生能源的优惠政策国家对于发展可再生能源的优惠政策1.政策上加以积极引导，这包括价格政策。政府鼓励使用风能和太阳能，成本高出常规能源的部分在全国分摊，这就是费用分摊机制。2.采取财政和税收的优惠政策，包括建立专项基金给予补助，也包括减免税收。3.培育市场。市场是十分关键的，市场的培育也包括对市场份额的强制和对市场环境的改善。比如，建筑商、房地产开发商要逐步在房地产开发中，安装一些利用太阳能的构件等。4.加强可再生能源开发的能力建设，主要是指对这个方面的科研的投入、教育的投入以及人才的培养。5.加强对可再生能源的意义和利用方法、途径的宣传，提高全社会公民的意识，提高全民参与的程度。1.6本文所做的工作本文所做的工作模拟青岛市一栋位于偏远地区的农村民用建筑的全年耗能情况，并为其设计风光互补发电系统。结合建筑的耗能特征，每个季节与每天的用电特点，合理的分配风力发电和光伏发电的比例，使得此风光互补发电系统能够尽量满足该用户的用电需求，计算求得最为经济的风力发电机与PV板的比例与数量。分析并网与离网风光互补发电系统的不同并确定离网状态下的蓄电池大小。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线152建筑能耗模拟2.1自然概况本建筑是一幢两层高的农村居民建筑，地处山东省青岛市。青岛地处山东半岛南部，东南濒临黄海，属暖温带亚湿润季风气候。受海洋环境的直接调节，具有显著的海洋性气候特点。空气湿润，温度适中，四季分明。春季气温回升缓慢，较内陆迟1个月左右；夏季湿热多雨，但无酷暑，极端最高温度不超过38；秋季天高气爽，降水少；冬季风大温低，持续时间较长，但无严寒。全年8月份最热，平均气温25摄氏度，最冷的1月份，平均气温-0.5摄氏度。年平均降雨量约660毫米。夏冬两级有季风，冬天北风，夏天南风。由于地处沿海，青岛市全年的风力资源都较为丰富，尤其是冬天，而太阳辐射能在夏季比较丰富。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线16本建筑第一、二层标高3.5m建筑物长宽均为10m，总建筑面积为200，面朝南部，地处偏僻的地区，土地价格便宜。2.2DesignBuilder软件介绍2.2.1软件功能DesignBuilder是一款针对建筑能耗动态模拟程序EnergyPlus开发的综合用户图形界面模拟软件，可对建筑采暖、制冷、照明、通风、采光等进行全能耗模拟分析和经济分析。是一款实现从规划阶段开始便考虑环境的节能型建筑设计软件。DesignBuilder是统合了快速建筑建模、便利性和最高水准技术的动力能源模拟软件。通过其革新的性能，即使是非专业用户也可将复杂的建筑物迅速进行模型化。EnergyPlus的动力热力模拟引擎拥有最完善的用户界面，在作业的任意阶段均可以制作正确的环境性能数据和优质的图像和动画。具体而言，选择建筑物表面的范围，可视化表现过加热的影像、能源消费等。最适当地校核所使用的自然光，实行照明控制系统和电器照明节约的计算。同时，还可进行自然换气的温度模拟，及适当的冷暖空调大小的计算。2.2.2建模DesignBuilder采用了易操作的OpenGL固体建模器。由此，在3D空间中配置块，通过拉伸、剪切可直观地进行建筑物模型的制作。可对建筑部件的厚度、房间的面积及体积进行可视化把握。此外，对模型的几何学的形状和表面形状没有限制。使用数据模板，通过从下拉列表中选择，可以载入一般性建筑结构、建筑物内部的人物活动、HVAC（Heating、VentilatingandAirConditioning.）及设计照明装置。同样类型的建筑物可反复使用，还能追加到模板。此功能与数据库连动，可对建筑物及其周边的区划追加大型变更，在设计、评价流程的阶段，可进行对各个建筑模型的个别详细设定。根据房屋的长宽以及高度等基本信息，初步建立外部模型，并设置窗墙比例和房屋朝向，设置门的宽度，高度和位置。设置窗的数量，大小和位置。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线17图2-1建筑物建模外部图再根据房屋的内部结构，划分房间安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线18图2-2建筑物建模内部图建筑的内部与外部结构制作好后，设置窗墙比，建筑内部窗户和门的大小与数量。房屋模型建好，设置建筑的基本信息，包括该建筑的地理位置与地理详细信息，海拔、气候带等，每月的平均温度，最高温度和最低温度，设计年降水量，冬天喝夏天的风速与风向，最大、最小湿球温度等等，最后设置好模拟天数。2.3冷热负荷计算与能耗模拟模型建立完善后，在Building页面的Location处设置建筑的基本信息，包括该建筑的地理位置与地理详细信息，海拔、气候带等，每月的平均温度，最高温度和最低温度，设计年降水量，冬天喝夏天的风速与风向，最大、最小湿球温度等等，安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线19最后设置好模拟的总天数与具体时间，开始制冷设计计算，供暖设计计算与能耗的计算。表2-1：建筑基本参数地理位置E36.07，N120.33海拔77m气候带4A设计年降水量0.75m夏季风速4.6ms夏季风向南风冬季风速13.5ms冬季风向北风最大湿球温度32.2最小湿球温度25.9模拟天数365天2.3.1供暖设计计算：表2-2：供暖设计计算Block舒适温度()设计加热能力(kW)Block120.754.475根据建筑的基本信息，综合该建筑的热负荷和该建筑的供暖需求，得出当该建筑的所有个房间均有供暖需求的情况下，供暖所需要的设计加热能力，以及在这种情况下的房间温度。2.3.22.3.2制冷设计计算制冷设计计算表2-3：供冷设计计算建筑设计容量（Kw）设计流量(m3s)总冷却负荷(kW)空气温度()湿度(%)安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线20Building7.7150.439656.712452.1最大冷却时间最高工作温（）房屋面积(m2)体积(m3)每层设计冷负荷(Wm2)七月17:0028.183.37291.79592.6根据建筑的基本信息，综合该建筑的冷负荷和该建筑的制冷需求，得出当该建筑所有房间均需要供冷的情况下，供冷时所需要的设计供冷功率，该建筑在全部房间均需要供冷的情况下，设计供冷容量比较大，但是一般来说，居民在夏天供冷时，并不会对所有的房间都进行制冷，会尽量减少空调的使用。2.3.32.3.3建筑能耗计算建筑能耗计算表2-4：建筑能耗模拟表区域制冷计算设计载荷W用户设计负载W每个区域的用户设计负荷Wm2计算设计风量m3s用户设计风量m3s峰值负载下室内温度C峰值负载下室外温度C5453.8955453.89537.6150.37150.427523.9931.32区域供暖计算设计载荷W用户设计负载W每个区域的用户设计负荷Wm2计算设计风量m3s用户设计风量m3s峰值负载下室内温度C峰值负载下室外温度C7851.5557851.55558.860.4490.561522-7.9软件模拟得出，该建筑制冷所需负载为5.45kW供暖所需负载为7.85kW。结合实际情况，北方建筑在冬季供暖时会保证尽可能多的房间房间均维持供暖状态，而在夏季制冷时，一般只维持客厅与卧室的供冷。所以在计算该建筑的详细耗能数据时，可以将区域制冷的计算设计负载调小一些，本次设计计算，制冷负载选择2kW安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线21左右，供暖负载选择4kW左右，选用一台2P规格的空调对该建筑进行制冷与供暖，可以满足该建筑在冬夏两季的制冷与供暖的需求。2.4建筑整体耗电量的详细计算2.4.12.4.1用电器功率与日耗能用电器功率与日耗能表2-5：建筑用电设备详表用电设备规格功率（W）平均使用时间天用电天（kWh）灯具40W1040050.8电视机21寸7030.21电脑台式机40041.6空调（夏）2P1800610.8空调（冬）2P3600621.6洗衣机滚筒1200.20.024电饭锅10000.50.5微波炉10000.10.1冰箱120101.2保鲜柜180101.8电热毯双人18091.62小功率用电器100242.4本设计选用一栋经典的农村居民建筑，用电器种类较为丰富，使用频率也比较高，由于地处北方，冬天使用空调进行供暖的时候空调的功率比较大。2.4.22.4.2青岛市的四季划分青岛市的四季划分表2-6：青岛市四季具体划分与时间青岛市四季划分季节起止时间持续天数春4月11日-6月30日81夏7月1日-9月10日72秋9月11日-11月10日61安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线22冬11月11日-次年4月10日151青岛市地处北方沿海，受气候上的影响，夏季短暂而冬季十分漫长，夏天气温不会太高，冬天气温也不会太低。2.4.32.4.3每个季节的日耗电情况每个季节的日耗电情况图3-1-A春季每日用电情况图3-1-A夏季每日用电情况安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线23图3-1-C秋季每日用电情况图3-1-D冬季每日用电情况结合青岛市的四季划分，有制冷需求的天数为72天，有供暖需求的天数为151天，综合每个季节的能耗可以得出：表2-7：每个季节的建筑总耗能季节持续天数每日电耗（KWh）季节总电耗(KWh)春818.634699.354夏7218.9842662.848秋618.634526.674安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线24冬15130.95410110.054全年总耗能7266.932.4.42.4.4一年四季中该建筑的用电特征一年四季中该建筑的用电特征青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候。春季气温回升缓慢，较内陆迟1个月；夏季湿热多雨，但无酷暑；秋季天高气爽，降水少，蒸发强；冬季风大温低，持续时间较长。由于气候上的影响，该建筑在夏季和冬季的制冷和采暖两方面耗能较多，尤其是比较漫长的冬天，长达151天的时间，采暖耗能多达3125.7kwh，占到了全年总耗能的一半左右。本建筑模拟了一栋偏远地区的普通农村居民楼，由于住户需要外出工作，每天的8：00至18：00点钟建筑的耗能都很少，在春秋两季，由于不需要使用空调，晚上22：00至早上的7:00基本处于低能耗状态。在夏季，该建筑有制冷需求，虽然空调在处于制冷状态下功率很大，但是由于青岛市的夏季时间较短，夏季的制冷总能耗只有756kwh，远远低于冬季的采暖能耗。2.52.5一年中建筑用电量变化情况一年中建筑用电量变化情况图3-2：年度耗电变化安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线2533风光互补发电系统尺寸和运行性能风光互补发电系统尺寸和运行性能3.1可再生能源系统的原理与特点可再生能源系统被定义为基于可再生能源而不是核能或化学能源的去不能源供应与需求系统，它既包括供应也包括需求。对与零碳建筑来说，可再生能源系统是由太阳能光伏板或风能发电来满足建筑用电需求的系统。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。风能是太阳能的一种形式，太阳光对地球表面不均匀加热，造成了大气层中温度和压力的差别，风的运动起着减少这种差别的作用。风力发电是利用风力带动风车叶片的旋转，在通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电风能和太阳能都具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响然而太阳能与风能在时间上和地域上一般都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强在夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太阳光强度小而风大。太阳能发电稳定可靠，但目前成本较高，而风力发电成本较低，随机性大，供电可靠性差。若将两者结合起来，可实现昼夜发电在合适的气象资源条件下，风光互补发电系统能提高系统连续性、稳定性和可靠性，在很区得到了广泛的应用3.2可再生能源系统的设计由青岛的地理位置（东经11930，北纬3535）查得当地的太阳辐射能和风速.表3-1：月平均太阳辐射能（kwh天）月份一二三四五六七八九十十一十二十年平均值年平均值2.853.744.615.495.75.414.884.654.373.662.882.54.23表3-2：离地面50米处的月平均风速（ms）安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线26月份一二三四五六七八九十十一十二十年平均值年平均值6.215.354.954.514.154.794.714.244.636.487.166.915.34表3-3：月平均日照时间（h）月份一二三四五六七八九十十一十二平均值年平均值10111213141514141211109.812从表一可以看出，青岛市的太阳能资源是非常丰富的，全年的太阳辐射量都较高，变化趋势是夏天多而冬天少，而风能恰好相反，青岛市冬季风能较为丰富，风速较高有利于风机发电。3.2.13.2.1当建筑用电消耗全部由太阳能发电供应当建筑用电消耗全部由太阳能发电供应若用太阳能发电供给整个建筑，将消耗大量的太阳能电池板和土地。太阳能电池板发电时产生的电能为：pcWPpcdesmfpcirraWAI其中：PV板的产电量（kwh）pcWPV板的总面积（）desAPV板的组件效率m填充因子Pf空调电源效率（kwh）pc每小时的太阳辐射（kWhm2day）irraI安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线27在此建筑中，PV板的组件效率为0.18，填充因子为0.9，功率调节效率为0.98，因建筑的用电量等于建筑的产电量，则当建筑的耗电量=7266.93kwh，W需该建筑的发电量要求=7266.93kwh。从表一可得，青岛市的年太阳辐射W供W需能总量为I=1522.2kWh，由公式可以得出PV板的面积为30.07，若按照这个面积的PV板进行安装，每个月的发电量为：表3-4：30.07的PV板每月发电量月份一二三四五六七八九十十一十二年平均值热辐射能（kWhm2day）产电量(kwh)2.85408.2535.6660.2786.3816.3774.8698.9666625.9524.2412.5358605.63.744.615.495.75.414.884.654.373.662.882.54.23图3-1PV板每月发电量安徽工业大学毕业设计（论文）说明书装订线28从图中可以看出，每月的5月份为光伏发电量最高峰，夏季太阳辐射能比较丰富，冬天较为缺乏。3.2.23.2.2建筑耗电全部由风能发电供应建筑耗电全部由风能发电供应风力发电系统，此处选择400W的小型风力发电机，它采用永磁直驱低速发电机，气动效率高，风轮具有独特的强风失速保护特性，轴承、磁钢等选用优质的、品牌材料，保证发电机在恶劣环境下的可靠运行，独特的尾舵预偏设计，自动精确对准迎风方向，提高输出功率同时兼顾调速和强风保护。表3-5风力发电机技术参数风轮直径（米）1.35叶片数3叶片材料加