（化学工艺专业论文）太阳能供暖系统的模拟研究.pdf

1 i j 要 _ | 。 j j i 1 太阳能供暖系统的模拟研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 二o j d 0 2 6 - 枥丽广 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：锯葫签字日期：山细年5 月1 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以下 事项： 1 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 喙两 签字日期：知年6 月i o 日 导师签字 签字同期讥fo 年6 月沾 太阳能供暖系统的模拟研究 摘要 能源的过度开发对发展中国家的环境造成了非常严重的污染，太阳能作为一 种洁净无污染的能源在发电、供热等领域都有广泛的应用。本文提出一种直接式 太阳能地板辐射供暖系统的方案，此方案具有两个子系统，分别在白天和夜晚为 房间供暖。通过动态模拟此供暖系统的运行，研究影响太阳能供暖系统的因素。 此外，又对太阳能热泵供暖系统的方案进行模拟分析，将这两种方案进行比较， 对太阳能供暖系统的研究具有指导意义。 本文的主要研究内容与结论如下： ( 1 ) 对直接式供暖系统的方案进行研究，建立太阳辐照度、太阳能集热器、 蓄水箱、地板辐射板的数学模型。用v i s u a lb a s i c 软件分别对夜晚供暖系统和白 天供暖系统进行动态仿真。 模拟研究了此方案中集热器面积对太阳能供暖系统的影响。各月份的采暖负 荷不同，满足各月的采暖负荷所需的集热面也会明显不同。通过对两个子系统的 动态模拟得出，即使采用较大的集热面积，此直接式供暖系统的方案虽然可以满 足1 1 月份和3 月份全天的供暖；但在寒冷的1 月，白天供暖系统只能满足5 9 的热负荷，夜晚供暖系统只能满足4 l 的热负荷。并且地板表面的温度变化都 较大。本文还模拟研究了蓄水箱体积和集热管流量对系统的影响。太阳能保证率 r 厂在蓄水量与夜晚供暖系统的面积之比；为4 0 l m 时出现最大值。太阳能保证 a c 率会随进口管流量的增加而增加，当流量为0 8 k g s 时，太阳能保证率不再增加。 ( 2 ) 对间接式供暖系统的方案进行研究，模拟太阳能热泵供暖系统的运行。 通过a s p e np l u s 软件对热泵进行静态的模拟，得出蓄水箱水温越高，压缩机 的功率越高。通过对间接供暖系统的动态模拟，得出集热面积为4 0m 、蓄水量 与集热器面积之比为1 0 0 l m 3 的间接式采暖系统的c 卯值为2 6 ，可以基本满足 1 月份的房间热负荷，太阳能保证率厂为0 5 6 ，房间供热量比直接式太阳能供暖系 统更加稳定。 为了夜晚供暖，直接式太阳能供暖系往往需要较大的集热体积。而在寒冷月 份的夜晚仍需要有辅助热源辅助供暖。所以直接式太阳能供暖系统更加适合于主 要在白天使用的建筑，如教学楼、办公楼等。间接式太阳能供热系统的供热量稳 定，可以为建筑的提供全天供暖，但热泵的初期投资较高且运行时需要大量的电 能。太阳能供暖系统可以将直接式方案和间接式方案相结合，直接式方案用于白 天供暖和蓄热：间接式方案用于夜晚供热。由于夜晚热泵供暖，蓄水箱温度不需 要太高，所以集热面积可以大大减小，投资减小。 关键词：太阳能供暖系统；地板辐射供暖；热泵；v i s u a lb a s i c i i t h es t u d yo fs o l a re n e r g yh e a t i n gs y s t e ms i m u l a t i o n a b s t r a c t s e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sc a u s e db yo v e r - e x p l o i t a t i o no fe n e r g yi n d e v e l o p i n gc o u n t r i e s a sac l e a na n dp o l l u t i o n f r e ek i n do fe n e r g y , s o l a re n e r g yi s w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na n dh e a t i n g an o v e lp r o g r a mo f d i r e c ts o l a re n e r g yr a d i a n th e a t i n gs y s t e mi sp r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h ep r o g r a mh a s t w os u b s y s t e m sw h i c hh e a tf o rr o o m sd a y t i m ea n dn i g h t t i m e r e s p e c t i v e l y t h e f a c t o r so fs o l a re n e r g yh e a t i n gs y s t e mw e r es t u d i e db yd y n a m i c a ls i m u l a t i o no nt h e o p e r a t i o no ft h i sp r o g r a m t h e nt h es o l a re n e r g yh e a t i n g p u m ps y s t e mw a ss i m u l a t e d a n a l y t i c a l l y , a n dt h et w os y s t e m sw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r , w h i c hh a dd i r e c t i v e s i g n i f i c a n c et ot h es t u d y t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h i sp a p e ra r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) t h es t u d yo fs i m u l a t i o no fd i r e c ts o l a rh e a t i n gs y s t e mi sp e r f o r m e da n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs o l a ri r r a d i a n c e ，s o l a rc o l l e c t o r , t a n ka n dr a d i a n tp a n e la r e e s t a b l i s h e db yt h er e s e a r c ho nd i r e c th e a t i n gs y s t e m h e a t i n gs y s t e m sw h i c hw o r k e d d a y t i m ea n dn i g h t t i m ew e r es i m u l a t e dd y n a m i c a l l yr e s p e c t i v e l yb yt h es o f t w a r e c a l l e dv i s u a lb a s i c t h ee f f e c to ft h ea r c ao fc o l l e c t o r so ns o l a rh e a t i n gs y s t e mi ss t u d i e d t h e r e q u i r e da r e ao fc o l l e c t o r si sv a r i e dw i t ht h el o a do fh e a tm o n t h l y t h es i m u l a t i o no n t h et w os u b s y s t e m ss h o w st h a tt h eh e a t i n g - s u p p l yi nn o v a n dm a r c o u l db es a t i s f i e d u s i n gb i g g e ra r e ao fc o l l e c t o r sa l lt h ed a yi n t h i sp r o g r a m ，b u t5 9 o ft h es u p p l y c o u l dj u s tb es a t i s f i e dd a y t i m ea n d41 b es a t i s f i e dn i g h t t i m ei nc o l dj a n ，a n dg r e a t c h a n g ee x i s t si nt e m p e r a t u r eo ft h es u r f a c eo ff l o o r t h ee f f e c to ft h ev o l u m eo ft h e s t o r a g et a n ka n dt h ef l o wo fc o l l e c t o rt u b e so nt h es y s t e m sa r ea l s os i m u l a t e d t h e s o l a rg u a r a l l t e er a t ec a l l e dfr e a c h e di t sm a x i m u mv a l u ew h e nt h er a t i oc a l l e d三 a c b e t w e e nt h ev o l u m eo ft h et a n ka n dt h e a r e ao fh e a t i n gs y s t e mw h i c hw o r k e d i i i n i g h t t i m ew a s4 0 l m t h es o l a rg u a r a n t e er a t ei n c r e a s e dw h i l et h ef l o wo f i n l e tt u b e d i d b u tt h er a t en ol o n g e ri n c r e a s e dw h e nt h ef l o ww a so 8 k g s ( 2 ) t h eo p e r a t i o no nc o n d i t i o n so fs o l a rh e a t i n gs y s t e mw a ss i m u l a t e dt h r o u g h t h ei n v e s t i g a t i o no ni n d i r e c ts o l a rh e a t i n gs y s t e m t h es t a t i cs i m u l a t i o no nh e a t p u m pb ym e a n so ft h es o f t w a r ea s p e nc o n c l u d e d t h a tt h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r eo ft h es t o r a g et a n kh a d ，t h eh i g h e rt h ep o w e ro ft h e c o m p r e s s o rd i d t h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o no ni n d i r e c th e a t i n gs y s t e ms h o w e dc o p o f 也es y s t 锄t s2 6w h i l ea cw a s5 。m 2a n d 考w a o o 3 ，讪淌c o m d 伽y s a t i s f yt h eh e a tl o a do fr o o m si nj a n a n dt h eh e a t s u p p l yo fi n d i r e c ts y s t e mw a s m u c hm o r es t a b l et h a nt h a to fd i r e c ts y s t e m l a r g e rs i z eo fc o l l e c t o r sw a sr e q u i r e di nd i r e c ts o l a rh e a t i n gs y s t e m sf o rt h en i g h t ，b u t i nc o l dm o n t h sa u x i l i a r yh e a t i n gw a sa l s on e e d e dt op r o v i d ee x t r ah e a t t h e r e f o r e ，t h e d i r e c ts y s t e mw a sm o r es u i t a b l ef o rb u i l d i n g s ，s u c ha st e a c h i n gb u i l d i n g s ，o f f i c e b u i l d i n g su s e dp r i m a r i l yd u r i n gt h ed a y t i m e a l t h o u g ht h ei n d i r e c ts y s t e mw a su s e dt o o f f e rh e a tf o rb u i l d i n ga l l d a yb e a c a u s eo fi t ss t a b l eh e a t i n g ，t h ei n i t i a li n v e s t m e n ti s l l i g ha n dp l e n t yo fp o w e rw a sr e q u i r e di nr u n n i n g t h ed i r e c ts y s t e mc o u l db ec o u p l e d w i t ht h ei n d i r e c ts y s t e m ，t h ef o r m e rw a su s e dt oo f f e ra n ds t o r eh e a tf o rd a y , t h el a t t e r w a su s e dt oo f f e ri nn i g h t t h es i z eo fc o l l e c t o r sa n dt h ei n v e s t m e n tm i g h tb er e d u c e d g r e a t l yb e a c a u s et h et e m p e r a t u r eo f t h et a n kw a sn o tr e q u i r e dt o oh i g hd u et o h e a t i n g s u p p l yf r o mh e a t p u m pi nt h en i g h t k e yw o r d s ：s o l a re n e r g yh e a t i n gs y s t e m ；r a d i a n tf l o o rh e a t i n g ；h e a tp u m p ； v i s u a lb a s i e 目录 1 文献综述1 1 1 研究背景与意义1 1 1 1 世界能源状况1 1 1 2 我国的能源消耗与环境污染1 1 1 3 我国的太阳能资源1 1 2 太阳能资源的研究和应用现状3 1 2 1 太阳能供暖方式的分类3 1 2 2 太阳能供热系统的国内外发展及研究现状5 1 2 3 存在问题6 1 3 本课题研究的内容和方法6 2 太阳能直接供暖方案的原理与设计8 2 1 太阳能直接供暖方案的工作原理8 2 2 集热器的选用9 2 2 1 平板型集热器9 2 2 2 真空管集热器。1 1 2 2 3 平板型太阳能集热器的防冻1 3 2 2 4 集热器的选用1 4 2 3 蓄水箱的类型1 4 2 4 辅助热源15 2 5 散热设备：15 2 6 本章小结1 6 3 太阳辐照度的计算1 7 3 1 太阳角1 7 3 1 1 赤纬角1 7 3 1 2 时角：1 8 3 1 3 太阳高度角1 9 3 2 晴天太阳辐照度2 0 3 3 晴天太阳总辐射辐照度的模拟2 1 3 4 计算结果2 3 3 5 本章小结2 6 4 太阳能地板辐射供暖方案的模拟2 7 4 1 房间热负荷的数学模型2 7 4 1 1 热负荷的计算方法2 7 4 1 2 建筑模型2 8 4 1 3 负荷计算结果3 0 v 4 2 太阳能集热器的数学模型3 1 4 2 1 热量在吸热板体上的传导3 2 4 2 2 管内对流传热3 5 4 2 3 考虑管路热损失的集热器有效能- 。3 7 4 3 水箱的数学模型3 8 4 4 地板辐射供暖的数学模型4 0 4 5 系统模拟的算法流程4 4 4 6 模拟计算结果分析；4 7 4 。6 1 白天供暖系统所需的集热器面积4 7 4 6 2 夜晚供暖系统的集热面积4 9 4 6 3 夜晚供暖系统的集热器进口管路的流量5 0 4 6 4 太阳能地板辐射供暖系统的仿真研究5 5 4 7 本章小结6 2 5 太阳能热泵供暖方案的模拟6 4 5 1 太阳能热泵供暖系统：6 5 5 2 模拟计算结果分析6 6 5 。2 1 稳态条件下的模拟6 6 5 2 2 动态条件下的模拟6 6 5 3 本章小结6 9 6 结论与展望7 0 6 1 结论7 0 6 2 展望和后续工作7 0 参考文献7 2 致谢7 4 个人简历7 5 v i 太阳能供暖系统的模拟研究 1 文献综述 1 1 研究背景与意义 1 1 1 世界能源状况 能源是人类生产、生活的物质基础。经济的持续快速发展，促进了人类对 能源的需求。从1 9 8 0 年到2 0 0 5 年的研究显示，世界范围内的能源消耗与g d p 是相互影响的。能源消耗增长1 ，促进g d p 增长0 1 l ；g d p 增长1 促进 能源消耗增长0 2 3 t 1 1 。1 9 9 7 年，世界范围内煤的总产量已达到2 3 亿吨，其中 发达国家和发展中国家的份额分别为5 3 和4 7 ；石油的总产量从1 9 8 6 年的 2 9 亿吨增加至1 9 9 7 年的3 5 亿吨，以平均每年1 9 的速度增长，发达国家和发 展中国家的份额分别为3 9 和6 1 ；世界范围内天然气的产量从1 9 8 6 年的1 5 亿吨增加至1 9 9 7 年的2 0 亿吨，以每年2 9 的速度增长，发达国家和发展中国 家的份额分别为7 3 和2 7 【2 1 。 发达国家的能源消费占了较大比重，约为7 0 ，而发展中国家占3 0 。但从 能源需求的趋势可以看出发展中国家对能源的需求的增长速度远远高于发达国 家。据国际能源总署( i e a ) 的( 2 0 0 7 年世界能源前景报告中称，中国将在 2 0 1 0 年左右取代日本，成为继美国之后全球第二大石油进口国，到2 0 3 0 年中 国进口石油数量将等于欧盟2 7 个成员国的总和。到2 0 2 0 年上半期，印度将取 代日本，成为继美国与中国之后，全球第三大石油净进口国。从2 0 0 7 年起至 2 0 3 0 年，全球能源需求可能增加超过五成，其中四成来自中国与印度【3 1 。 1 1 2 我国的能源消耗与环境污染 能源的开发对我国环境造成了非常严重的污染。我国却是世界上最大的煤 炭消费国，煤炭消费占总耗能的6 7 。1 9 9 9 年我国所排放的c 0 2 量居世界第二， 其中8 5 就是由煤炭燃烧所排放的。2 0 0 5 年我国s 0 2 排放量为2 5 4 9 3x1 07 吨， 烟尘排放量为1 1 8 2 1 0 7 吨，4 8 个城市的s 0 2 浓度超过国家二级排放标准，以 煤烟型为主的大气污染导致了我国国土面积的3 0 成为酸雨覆盖区【4 1 ，s 0 2 和酸 雨所造成的经济损失占全国g d p 的2 t5 1 。环境污染不仅影响人类日常生活， 也严重影响气候，频繁出现的极端天气就是例证之一。所以解决日趋紧张的能 源问题和环境问题迫在眉睫。 1 1 3 我国的太阳能资源 太阳能供暖系统的模拟研究 新能源和可再生能源是维持地球生态环境的洁净能源，可以逐渐减少和替 代化石能源的使用。太阳能作为一种可再生能源，其特点供给能量巨大、普遍 性、安全性，有极其广阔的利用前景。我国的西藏和美国的西南部、非洲、澳 大利亚、中东等地区是太阳能资源最丰富的地区，这为太阳能利用提供了极佳 的自然条件。 根据全国近7 0 0 个气象站长期观测积累的数据资料表明，我国各地的太阳 辐射年总量约在3 3 1 0 68 4 1 0 6 k j m 2 ，其平均值为5 9 1 0 6 k 1 m 2 ，相当于 2 4 1 0 4 吨标准煤。我国东部沿海地区受海洋性气候的影响，云量大、降雨多， 地面上接收的太阳辐射年总量相对较少；而我国西部受干旱大陆性气候影响， 晴天多、雨量少，地面上接收到的太阳辐射年总量较大。总体来说，我国大陆 上太阳能资源分布的状况是西部多于东部、西南部少于北部。表1 1 【6 1 将我国陆 地划分为五个太阳辐射资源带。一、二、三类地区是我国太阳能资源丰富的地 区，约占全国总面积的2 3 以上；四、五类地区虽然是太阳能资源条件较差的 地区。 表1 1太阳能资源分布 t a b l e1 - 1d i s t r i b u t i o no fs o l a re n e r g yr e s o u r c e s 2 太阳能供暖系统的模拟研究 世界上太阳能利用较好的城市中，东京的年太阳能辐射总量为 4 2 2 0 m j m 2 ，伦敦为3 6 4 0 m j m 2 ，汉堡为3 4 3 0 m j m 2 ，可见我国太阳能资源 较差的地区，年辐射总量也接近于东京，与伦敦、汉堡相似。所以对于太阳能 资源较差的地区，可以采用合适的方法和装置利用太阳能。 1 2 太阳能资源的研究和应用现状 在直接利用太阳能的三大领域( 光热转换、光电转换和光化学转换) 中， 光热技术领域中的产品最为常见，并已成为一个热点7 1 。其主要集热装置有平 板型集热器、真空管集热器和聚焦型集热器等。太阳能热利用可分为低温利用 ( 小于4 7 3 k ) 、中温利用( 4 7 3 - - 1 0 7 3 k ) 和高温利用( 大于1 0 7 3 k ) 。低温利 用主要有太阳能热水器、太阳能空调制冷系统、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器 等；中温利用主要有太阳灶、太阳能发电聚光集热装置等；高温利用主要有高 温太阳炉等。 1 2 1 太阳能供暖方式的分类 太阳能供暖主要有三种方式：被动式太阳房供暖、主动式太阳房供暖、联 合式太阳能建筑( 包括零能建筑) 供暖9 1 。 1 2 1 1 被动式太阳能采暖 被动太阳能采暖即为不采用特殊的机械设备，而利用辐射、对流和传导使 热能自然流经建筑物，并通过建筑物本身的性能控制热的流向，从而得到采暖 效果。建筑物本身是系统的一个组成部件。因此该部件的最大特点是不能像一 般的采暖设备那样，可以和建筑物分离开而成为独立的系统【1 0 】。它可以利用室 内墙面、地面等建筑构件蓄热，如图1 1 所示的t r o m b e 墙。太阳光照射集热墙 时，通过自然对流、辐射等方式向室内散热【1 1 1 。其原理是白天蓄热墙体吸收太 阳辐射，墙与玻璃之间的热空气从上部通风口进入室内，放出热量；室内冷空气 则从下部通风口进入墙与玻璃之间的夹层被加热，如此一来，形成自然对流。 晚上关闭通风口，白天墙体中贮存的热量就可以供给房间内。 太阳能供暖系统的模拟研究 玻 璃 图1 1t r o m b e 墙 f i g u r e1 - 1 t r o m b ew a l l 1 2 1 2 主动式太阳能采暖 主动式太阳能采暖系统利用动力设备将热水或热空气从太阳能集热器输送 到蓄热器或房间里。按照热媒种类不同，可分为空气式和热水式：按照太阳能 利用方式不同，可分为直接式和间接式。 ( 1 ) 空气式及热水式采暖系统 不需要防冻措施，腐蚀较小，系统不存在过热气化是空气式系统的优点： 但系统的管道投资大，风机电力消耗大，蓄热体积大。以水为介质的太阳能采 暖系统的集热器与蓄热器体积相对较小，运行可靠；缺点是存在腐蚀问题，非 常寒冷的气候条件下还会出现冰冻，毁坏设备。 ( 2 ) 直接式和间接式供暖系统 直接式供暖系统就是直接利用集热器加热的热媒来供暖。目前我国主动式 太阳能直接采暖的研究热点是和地板辐射采暖技术相结合的太阳能低温地板辐 射采暖系统。 间接式采暖系统是通过热泵将被集热器加热的热水的温度提高再供暖，所 以也称为热泵式。生活中人们往往将高品位的电能和燃料( 天然气、煤或石油 等) 直接用于低品位的供热，造成能源利用的不合理与低效率，使社会电能需 求量过大，而且燃烧燃料和发电过程中产生了大量废气。热泵的原理就是消耗 小部分高品位能源，从而获得数倍于它的能量。 这种设计原理可以追溯到十九世纪初期卡诺的研究工作，他关于卡诺循环 的论文于1 9 2 4 年发表。威廉汤姆逊首先提出了实用的热泵系统，那时称为“热 4 太阳能供暖系统的模拟研究 量倍增器”，汤姆逊预见常规燃料的储备量不允许人们总是燃用燃料来取暖，“热 量倍增器”要比普通炉子少用燃料。1 9 3 0 年霍尔丹报导了他1 9 2 7 年在苏格兰 安装和试验的采用外界空气作为热源的家用热泵【1 2 】。由于第一次中东战争时期 阿拉伯国家对石油实行了禁运，导致石油价格上涨，使得美国等国家开始积极 开发节能措施。1 9 4 5 1 9 5 7 年期间，美国家用热泵发展出现了崭新的高潮，但 由于其后家用热泵的安装和实际应用方面的问题，导致家用热泵额声誉受到了 严重损害，热泵的发展也进入了低潮1 3 】1 1 4 】。 1 2 2太阳能供热系统的国内外发展及研究现状 1 2 2 1 国外发展及研究现状 在过去的几十年里，平板集热器的性能已经得到了广泛的研究和实验。1 9 4 2 年h o t t e l 和w o e r t z 建立了平板集热器性能参数之间的基本关系；1 9 5 9 年b l i s s 建立了适用于不同太阳能集热板的效率因子的数学模型：1 9 6 3 年l i u 和j o r d a n 发表了预测集热板长期性能的简单方法；w h i l l i e r 和s a l u j a ( 1 9 6 5 ) 、g u p t a 和 g a r g e ( 1 9 6 8 ) 、y e h 等人( 2 0 0 3 ) 研究了几个设计细节对系统性能的影响：s a nm a r t i n 和f j e l d ( 1 9 7 5 ) 、s i e b e r s 和v i s k a n t a ( 1 9 7 7 ) 对不同配置的平板集热器进行了比较； 1 9 8 5 年h a h n e 研究了平板集热器的不同参数对效率和预热时间的影响。尽管如 此，大多数都是针对短时期简单操作条件下的性能进行研究的。 平板集热器适用于冬季户外温度持续低于零下的地区。相对于其它集热器来 说，它运行和维护的费用少，便于制造与安装，更适于建筑物的结构。2 0 0 5 年 f u r b o 等人介绍了装有蓄水箱和换热器的强制循环系统。2 0 0 0 年n a y a k 和a m e r 评价了平板集热器的九个动态测试程序。1 9 9 6 年t s i l i n g i r i s 发表了针对大型强制 循环系统的仿真模型。1 9 9 5 年k i k a s 研究了太阳能集热器中的层流分布。1 9 9 5 年p r a p a s 等人研究了大型中央强制循环系统的热量的传递。1 9 8 8 年f a n n e y 和 k l e i n 研究了装有换热器的强制循环系统中的流速对系统性能的影响。1 9 8 2 年 c h i o u 研究出一种数值计算方法，来计算由于非均匀分布流体的影响而变化的性 能。1 9 7 9 年k l e i n 和b e c k m a n 介绍了一种设计强制循环系统的普遍的方法【1 5 】。 1 9 9 5 年a m s h a r i a h 1 6 】等人用t r n s y s1 6 软件模拟虹吸式热水器的运行。 研究发现，水箱高度高于1 米时，太阳能保证率不会明显增大。太阳能保证率会 随着水箱体积与集热板面积的比值的增大而快速增加；当水箱体积与集热板面积 太阳能供暖系统的模拟研究 的比值在5 0 l m 2 - , 6 0 l m 2 时，太阳能保证率会出现最大值。 y o a r mr a f f e n e l t ”1 等人用t r n s y s1 6 软件模拟太阳能供暖供热水系统的运 行，提出一种选择集热板面积的简捷算法。 k k a y g u s u z 1 8 1 等人用太阳能加热的热水循环到室内，辅助热泵一起进行供 暖，这种辅助热泵供暖系统平均的热系数可以达到3 o 。 h a w l a d d 1 9 1 等人对制冷工质为r 1 3 4 a 的太阳能辅助热泵系统进行了测试。 研究表明，当水箱水温为3 0 3k 一3 2 3k 时，集热器效率为4 0 一7 0 ，系统的 c o p 值为4 9 。 1 2 2 2 国内发展及研究现状 2 0 世纪8 0 年代，我国引进加拿大铜铝复合吸热板制造技术，自行研制成 功铝阳极化电解着色选择性涂层。2 0 世纪9 0 年代清华大学和北京太阳能研究 所相继研制成功全玻璃真空管和热管式真空管集热器，相继实现商业化生产。 李舒宏【1 9 】等研制了一种太阳能热泵空调热水系统，试验研究热泵制热水模 式下的工况，结果表明能效比最大可达到3 5 5 ，比较其他类型热水器的经济性， 认为该热水器装置更为经济实用性。 1 2 3 存在问题 太阳能虽然是洁净可再生能源，但本身也存在着问题。 ( 1 ) 太阳辐射量不稳定。太阳辐射量会随季节、昼夜变化，同时还会受随 机因素( 阴天下雨等) 的影响。 ( 2 ) 太阳能供暖系统的经济性受能源结构和燃料价格的制约，且初始投资 较高。以我国以煤炭为主的西部地区为例。西部地区燃料价格偏低，太阳能供 暖系统在当地市场不具有竞争力。 1 3 本课题研究的内容和方法 本文模拟太阳能地板辐射供暖系统的运行，提出一种直接式太阳能地板辐 射供暖系统的方案，其系统有两个子系统分别在白天和夜晚为房间供暖。用 v i s u a lb a s i c 编程对其运行进行动态模拟，对影响太阳能供暖系统的因素进行分 析，优化系统。然后借助a s p e np l u s 软件对热泵静态模拟，研究影响热泵的因 素，动态模拟间接式供暖系统的运行，将直接供暖系统与间接供暖系统进行比 较。主要研究内容如下： 6 太阳能供暖系统的模拟研究 ( 1 ) 建立太阳辐射量逐时值的仿真模型，模拟太阳辐射量的逐时变化，并 用v i s u a lb a s i c 语言编写逐时计算太阳辐射量的程序： ( 2 ) 根据太阳能集热器和蓄水箱在非稳态条件下的微分方程建立太阳能集 热器和蓄水箱的动态仿真模型： ( 3 ) 根据地板辐射的平面肋片模型和改进平面肋片模型，编写地板表面温 度和热流通量的计算程序。 ( 4 ) 分别建立太阳能地板辐射供暖系统的两个子系统的动态仿真模型，根 据太阳能保证率来选择适宜的集热器面积和蓄水箱体积；研究各参数对太阳能 供暖系统的影响，模拟系统运行一天时，集热器进出口温度、蓄水箱水温和地 板热流通量的变化； ( 5 ) 借助a s p e np l u s 软件对热泵进行静态模拟分析，动态模拟太阳能间接 供暖系统之后，将间接太阳能供暖系统的方案与直接式太阳能供暖系统的方案 进行比较。 7 太阳能供暖系统的模拟研究 2 太阳能直接供暖方案的原理与设计 2 1 太阳能直接供暖方案的工作原理 本文提出_ 种直接式供暖系统的方案，其方案具有两个子系统，如图2 1 所示：白天供暖系统和夜晚供暖系统。白天供暖系统只有集热器，没有蓄水箱， 集热器吸收得热量直接供应到房间里f 夜晚供暖系统由集热器和蓄水箱组成。 房间内的散热设备为地板辐射板。 。 图2 - 1 太阳能地板采暖系统 f i g u r e2 - 1s o l a re n e r g yr a d i a n th e a t i n gs y s t e m 1 、3 太阳能集热器：2 、6 泵；4 蓄水箱；5 阀门；7 采暖盘管：8 辅助热源；9 控制系统 此太阳能供暖系统的工作原理： ( 1 ) 白天供暖系统：太阳能集热器直接与室内的地板辐射板的加热盘管相连 接，构成一个环路。白天太阳辐射的作用下，集热器吸收太阳能，从而加热水， 水的温度不断升高，当水温高于3 0 3 1 5 k 时启动水泵，开始循环。水进入散热 设备的加热盘管中，通过热传导作用把热量传递到地板表面，通过辐射和对流 的方式与房间内的空气进行热量交换。放出热量的水，温度下降，循环至集热 器开始了下一次循环。当集热器出口端的水温低于3 0 3 1 5 k 时，控制系统启动 辅助热源。水流不通过集热器，热量全部由辅助热源供给。 ( 2 ) 夜晚供暖系统：相对于白天供暖系统来说，夜晚供暖系统包含有两个环 路：太阳能集热器和蓄水箱组成的集热循环。白天在太阳辐射的作用下，集 热器收集热量加热水，启动水泵，集热器中的水循环至蓄水箱，热交换作用使 太阳能供暖系统的模拟研究 水箱中的水温不断上升。蓄水箱与地板辐射板的加热盘管组成的供暖循环。 在夜晚无太阳辐射的情况下，启动水泵，蓄水箱中的水在加热盘管中循环。当 蓄水箱出口温度低于3 0 3 1 5 k 时，启动辅助热源，以满足房间的供暖。 2 2 集热器的选用 按吸热面积与透光面积的大小可将太阳能集热器分为平板型集热器和聚光 型集热器。平板型集热器吸收太阳辐射的吸热面积与透光面积相等；聚光型太 阳能的吸热面积小于透光面积。 与聚光型相比，平板型机构简单，可以固定安装而不需跟踪太阳，并能同 时利用直射辐射和散射辐射。但它的缺点是不具有聚光功能，热流密度较低， 工作温度低于3 7 3 1 2 k 。目前平板集热器广泛用于太阳能热水系统。 2 2 1 平板型集热器 典型的平板集热器的基本构造如图2 - 2 所示。 图2 2 平板集热器结构示意图 f i g u r e2 - 2 s c h e m a t i co ff l a t - p l a t ec o l l e c t o r l 壳体；2 透明盖板；3 集热板；保温材料 2 2 1 1 集热板 集热板是集热器内吸收太阳辐射并向传热工质传递热量的器件。集热板包 括吸热涂层、吸热体和换热介质的流道三部分f 2 0 】。 ( 1 ) 涂层一般为黑色，通常是无光黑漆，其作用是吸收更多的太阳辐射，但 它对太阳辐射的吸收率和红外发射率相等，并且由于辐射散热量与绝对温度的 四次方成正比，在集热温度高于环境温度2 9 8 1 5k 以上时将大大加剧热辐射损 失。这种损失可以通过选择型涂层来降低。选择性涂层具有较高的太阳辐射吸 9 太阳能供暖系统的模拟研究 收率和较低的太阳辐射发射率。它通常包括一层很薄的太阳辐射吸收层，其底 部是一层高抛光的金属层，最常用的选择型涂层是将二氧化铬电镀到抛光的镍 表面。选择型涂层的太阳辐射吸收率大于o 9 5 ，热辐射发射率小于0 2 。 ( 2 ) 吸热体的作用是承担涂层，并把吸热涂层吸收的热量传递给换热介质。 吸热体可以概括分为三种基本类型( 如图2 3 ) ：第一类称为管板式，管子与吸 热板以焊接或紧配合方式连接，吸热体与流体间的传热性能与板间的结合状况 有很大关系，此种方式的热容量一般较小；第二类称为扁盒式，吸热面板本身 就是通道的一个组成部分，这种方式的传热性能较好但热容量较大；第三类成 为管翼式，通道本身带有吸热翅片。 管板式 口口口 扁盒式 弋弋 叫电 管翼式 图2 3 吸热体的结构图 f i g u r e2 - 3 s c h e m a t i co fa b s o r b e r 铜、铝和钢均可以作为吸热体材料。铜的导热系数是3 9 3w ( m k ) ；铝的 导热系数是2 l lw ( m k ) ；钢的导热系数是4 5 3w ( m k ) 。铝和铜的导热系数 相差不大，又均远远高于钢的导热系数，并且铜的价格高于铝，所以往往选用 铝作为吸热体。 ( 3 ) 流道与吸热体紧密连接，其作用是承担吸热体，容纳传热介质。 2 2 1 2 透明盖板 1 0 太阳能供暖系统的模拟研究 通常平板太阳能集热器都有至少一层透明覆盖层( 玻璃或塑料) ，以减少吸 热体表面对大气的对流与辐射热损失。盖层与吸热体之间的距离是2 c m 到4 c m 。 透明盖板应当对太阳辐射( 波长o 3 - 2 5 | lm ) 具有较高的透过率，同时阻止 吸热体热辐射( 波长大于3um ) 的透过。含铁较高的玻璃透光率低；低铁的白 口玻璃有较高的透光率；钢化玻璃由于可以减薄和降低重量、以及提高透光率 而被越来越多的人们所接受。 2 2 1 3 隔热层 装隔热层可以降低通过集热器四周和底部的热损失。底部保温层通常是 3 5m m ，四周保温层的厚度为底部保温层厚度的一半。普通平板集热器隔热层 的导热系数一般在o 5 1 0 w ( m 2 k ) 之间，相当于4 0 8 0 m m 玻璃纤维隔热层 的厚度。常用的保温材料有：岩棉、矿棉、聚苯乙烯和聚氨酯等。 2 2 2 真空管集热器 在平板型集热器的吸热板与透明盖板之间的空气夹层中，空气对流的热损 失是平板型集热器热损失的主要部分。减少这部分热损失的最有效的措施是将 空气夹层中