（测试计量技术及仪器专业论文）住宅太阳能节电研究.pdf

摘要 摘要 经济迅速发展，能源消耗不断增大，节能研究工作的重要性不断上 升，本文正是基于这样的大背景产生的。住宅能耗在社会能耗中所占比 重很大，且仍呈不断上升趋势。住宅能耗的主要形式是电能，因此住宅 节电对于节约国家紧缺的电能，将有限的、高品味的电能供给国家工业 发展有着重要意义。本文对住宅太阳能节电的研究工作主要在从以下几 个方面展开。 首先，归纳了住宅节电工作的研究现状，得出了进一步研究的方向； 分析了住宅耗电的主要方面，根据分析得出住宅节电的主要工作一可 再生能源太阳能与住宅的结合。介绍了住宅太阳能节电的方法，对住宅 与太阳能的结合方案进行了研究，分析了太阳能光伏发电、太阳能热水、 太阳能采暖、太阳能制冷与住宅结合的可行性。确定了住宅太阳能节电 研究的主要步骤。 其次，按照住宅太阳能节电设计的步骤对住宅太阳能节电系统进行 设计。由于太阳能节电的首次投资较大，为使有限的投资获得最大的收 益所以先对住宅进行节电规划设计，具体对照明节电、采暖节电、制冷 节电进行了设计，经过设计后照明、采暖、制冷的耗电量显著降低。 再次，提出了住宅太阳能集热节电系统的设计，具体设计了太阳能 系统硬件控制系统的结构，太阳能系统软件控制系统的结构。还对控制 系统软件的监控界面进行了设计。由于太阳能集中采暖制冷的关键是室 温的监控，因此设计了基于单片机的室温监控方法。 最后，建立了一个太阳能节电评价模型，研究了评价模型的限制条 件；用r b f 神经网络和b p 神经网络各建立了一个估算太阳能节电量的 模型，通过对比发现r b f 神经网络更适合用于估算太阳能节电量，使 用估算模型对案例的太阳能节电量进行了估算，运用评价模型对案例进 行了评价，得出了具有参考价值的结果。该评价模型对太阳能集热节电 系统的建造具有一定指导意义。 关键词：太阳能集热系统；神经网络；住宅节电；室温监控；评价模型 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y t h ee n e r g y c o n s u m p t i o nr i s e si n c r e a s i n g l y f o rt h i s ，t h er e s e a r c h e so ns a v i n ge n e r g y b e c o m em o r ea n dm e r ei m p o r t a n t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fb u i l d i n g si s ab i gp a r to fs o c i a le n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s i d e n t i a ld i s t r i c ti sv e r y l a r g e a n dt h em a i np o w e rc o n s u m p t i o ni se l e c t r i c a le n e r g y i ft h e e l e c t r i c a le n e r g yc a nh es a v e d ，i tw i l lb eu s e dt oi m p r o v eo u ri n d u s t r y ： i nt h i sw a y ，t h ee n v i r o n m e n tc a nb ep r o t e c t e de f f i c i e n t l y t h ed e s i g na n d e v a l u a t i o no fu s i n gs o l a re n e r g yt os a v ee l e c t r i c a le n e r g yi ss t u d i e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，t h em e t h o df o ru s i n gs o l a re n e r g yw a si n t r o d u c e d s o l a rp o w e r s y s t e m ，s o l a rh e a t i n gs y s t e m a n ds o l a rr e f r i g e r a t i o n s y s t e m w e r e a n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ec o s to fu s i n gs o l a re n e r g yw a sc a l c u l a t e d ，a n dc a nb e c u td o w nt os o m ed e g r e eb yp r o p e rd e s i g n b e c a u s et h em a i nr e s i d e n t i a l d i s t r i c te n e r g yc o n s u m p t i o nc o n s i s t so fi l l u m i n a t i o ns y s t e ma n da i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s os o m ed e s i g n so nt h ei l l u m i n a t i o ns y s t e ma n dt h e a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw e r ec o n d u c t e d a f t e rt h e s ed e s i g n s ，t h e e l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o no ft h e s es y s t e m sw a sr e d u c e dr e m a r k a b l y t h i r d l y ，as o l a rh e a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e dt os a v et h ee l e c t r i c a l e n e r g yc o n s u m p t i o no ft h er e s i d e n t i a ld i s t r i c t t h ec o n t r o ls y s t e m ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mo ft h i ss o l a rh e a t i n gs y s t e mw e r es e tu pi n t h i sp a p e r t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi ns o l a rs y s t e mi sc o n t r o l l i n gt h e t e m p e r a t u r e t h i sp a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c ho nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m f i n a l l y ，a ne s t i m a t i o n m o d e lw a sc o n s t r u c t e dt oe v a l u a t et h e f e a s i b i l i t yo fs o l a rh e a t i n gs y s t e m s ，i nw h i c hr b fn a t u r a ln e t w o r kw a s a d o p t e dt oc a l c u l a t et h et o t a ln u m b e ro ft h ee n e r g yt h a tt h es o l a rs y s t e m c a ns a v e k e yw o r d s ：s o l a rh e a t i n gs y s t e m ；n a t u r a ln e t w o r k ；r e s i d e n t i a ld i s t r i c t e l e c t r i c a l - - e n e r g ys a y i n g ；h o u s et e m p e r a t u r ec o n t r o l ：e s t i m a t i o nm o d e l 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 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。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：l 牡 2 0 0 7 年6 月肜日 学位论文版权使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ；二杠 2 。7 年6 月户日 河海大学硕士论文 第1 章绪论 1 1选题背景和研究意义 1 1 1 选题背景 能源是人类生存的基本条件，是人类社会发展的原动力。随着人类文明的进 步，能源问题已成为人们日益关注的焦点问题。世界经济发展进程表明，能源供 应己成为制约经济增长的基本因素。同时，由于经济全球化和国际贸易壁垒等因 素，未来2 0 年将是我国资源消耗强度最大、环境污染最严重的时期，能源安全 已成为国家经济安全的核心问题。 中国经济现在和未来都必须面对的一个难题发展速度与能源供求。在能 源供应紧张的今天，能源问题是制约我国国民经济发展的关键因素之一，合理利 用能源，降低能耗，提高经济效益，对促进我国国民经济发展具有十分重要的意 义。 能源问题不单纯是能源消耗和供需平衡的问题，同时还是一个影响到国际关 系，环境保护，可持续发展的重大战略问题。中国政府已经郑重承诺在十一五期 问将实现节能2 0 的目标。 电能作为一种最普遍的城市能源，最直接的反映了一个国家的技术水平和对 能源的利用状况。因此从节约用电入手，将会对全社会的节能工作起到重要作用。 据国家电网公司预测，2 0 0 5 年我国总用电量已经达到了2 4 5 6 0 亿千瓦时。而2 0 0 5 年全国电力供需缺口仍在2 3 0 0 - - 2 5 0 0 万千瓦左右。从中国用电情况看，一方面， 电力供应紧张，另一方面电力的利润率紧张。电力供应将成为中国经济增长的瓶 颈。因此，各方面多渠道的进行节电技术改造，已经成为我国未来几年一个极其 重要的工作。 我国目前正在积极发展节电事业。首先在政策法规上给予节电事业很大的支 持，如优先开发有关节电的项耳，各地政府加大力度宣传节电知识、提高群众节 电意识。其次政府鼓励进一步开拓节能、节电产业的发展空间，鼓励开发1 节能 电光源、节能灯、绿色智能节能照明技术及节电系统；2 节电设备、电力节能 河海大学硕上论文 技术及设备、高效智能节电器、衣车节电器、注塑机节电器、节能控制器、无功 补偿装置； 3 高效节能变频调速技术、变频器、变频控制柜、动态节流仪应用 系统等；4 风能利用与风力发电技术、风光互补及光伏发电系统、垃圾及小型 水力发电设备；5 各类太阳能产品及设备、生物质能、地热能等能源的高效利 用技术及设备；6 节能冰箱( 柜) 、节能空调器、节能洗衣机、节能电磁灶、节 能电热水器等；7 节能型机电设备、制冷设备、通讯设备、冰蓄冷技术、余热 余压回收设备； 8 太阳能热水器、太阳房、太阳灶灯具及其他太阳热利用产品、 小型太阳光伏电源；9 微型水利发电机、小型风力发动机、风力提水机、热管节 能产品等。 国外的各个国家也在积极开展各种节电工作。发达国家从1 9 7 3 年能源危机 时就开始关注建筑节电，之后由于减排温室气体、缓解地球变暖的需要，更加重 视建筑节电。在生活舒适性不断提高的条件下，新建建筑单位面积能耗已减少到 原来的1 3 1 5 ，对既有建筑也早已组织了大规模的节电改造。建筑节能在 全球的重视度日益上升，各国政府纷纷以立法的方式规定并资助建筑节能的施 行。 目前各国均出台了不少政策法规支持节能节电的工作。 丹麦颁布了住房节能法案，现在丹麦住房每平米供热耗能比1 9 7 4 年已经 减少了5 0 多，仅此项该国的能耗下降了2 5 。丹麦从1 9 8 1 年起，制定了每年 给予生物质能生产企业4 0 0 万欧元的投资补贴计划，这一计划使目前丹麦生物质 能发电的上网电价相当于每千瓦时8 欧分。 欧洲和美国也正在“硬销”节能建筑，力图使节能住宅成为未来建筑的发展趋 势。欧洲一些国家在为建造节能建筑的建筑商提供资金和税收优惠的同时，也颁 布了一些严格的条例，例如要为节能建筑分等级。美国政府的“能源星计划”也对 节能建筑所使用的材料和电器都标明了标准要求，要求建筑物的能源消耗应该不 高于l 平方米4 0 瓦。 德国出版能源节约法新法规规定：新建建筑必须出具采暖需要能量、建 筑能耗核心值和建筑热损失计算结果，特别是建筑外围结构热损失计算结果；新 建建筑只有满足新的节能标准才能上马：消费者在购买住宅时，建筑开发商必须 2 河海大学硕士论文 出具一份能源消耗证明，证明清楚列出了该住宅每年的能耗，提高建筑的能源透 明度，维护消费者的利益。 瑞典从1 9 7 5 年开始，每年从政府预算中支出3 6 0 0 万欧元，支持生物质燃烧 和转换技术，主要是技术研发和商业化前期技术的示范项目补贴。从1 9 9 7 年 2 0 0 2 年，对生物质能热电联产项目提供2 5 的投资补贴，5 年总计补贴了4 8 6 7 万欧元。 英国在生物质发电发展初期，对初始设备投资提供4 0 的资助，以推动农林 废弃物的综合利用。 国外正在研究的先进的建筑节能节电技术有：真空超级隔热围护结构，g k p 型外墙外保温技术，空心复合外墙体系，i m s i 外墙保温技术体系，积木式外墙 外保温体系，s b 板墙体保温体系，无c f c 高效泡沫隔热保温材料，先进的充气 多层窗，低发射率和热反射窗玻璃，耐久反射涂层，先进的蓄热材料，屋顶光伏 电池板，热水、采暖、空调热泵系统，先进照明技术，阳光集光和分配系统，燃 料电池、微型燃气轮机等分布式发电技术，可按需调节能源供应、水供应和空调 的智能控制系统，低温地板辐射采暖技术，电热采暖节能技术，热泵中央空调等。 1 1 2 国外的研究现状 面对全球能源危机，全世界都在积极发展节能节电技术。受化石能源有限性 的制约，以及长期使用化石能源带来的全球气候变暖、环境污染的压力，预计可 再生能源对于节电的贡献，所以可再生能源在世界范围内受到热捧，其技术水平 也随之水涨船高。从种类来看，可再生能源可谓种类繁多，主要有风能、太阳能、 生物质能、地热能、海洋能等。其用途大致可以划分为三类；发电、供热及制液 体燃料。 根据专家介绍，目前可再生能源用于发电的技术，主要有太阳能发电、风力 发电、生物质发电、海洋能与地热能发电。其中，可以规模化、比较成熟的技术 有太阳能发电、生物质发电与风力发电。 德国是世界上利用太阳能发电最多的国家，目前全德太阳能发电量相当于一 个大城市的使用量。截至去年年底，德国共有6 7 0 万平方米的屋顶铺设了太阳能 河海人学硕士论文 集热器，每年可生产4 7 0 0 兆瓦的热量。已有4 的德国家庭利用了清洁环保、 用之不竭的太阳能，估计每年可节约2 7 亿升取暖用油。 日本正大力普及太阳能的利用，企业从中捕捉商机，民众也逐渐接受太阳能 的使用。据统计，太阳能产品在日本的市场占有率已达到30 ，仅次于德国的 39 。目前，日本经济产业省在东武伊势崎线太田车站西北的一座小城进行太 阳能开发试点。这里全部是新型住宅，房子都装有太阳能电池板。各家除了太阳 能发电设施以外，都有一般的电线，夜间、阴天太阳能发电不够用的时候，电力 公司可以供电。相反，阳光强烈，太阳能发电用不完时，又可通过电线把剩余的 电输送给电力公司。 由能源专家、地质学家等1 8 人组成的专家小组在一份4 0 0 多页的报告中指 出，目前美国已经是世界上最大的地热发电国家。专家小组针对“将地热作为美 国主要电力供应来源”提出了以下建议：对美国地热资源进行更详尽的评估；联 邦政府必须在未来数年从商业规模上推广地热资源概念；提供资金支持地热技术 研发，对于采用地热电能的地区给予政策倾斜。 最近美国明尼苏达州农场采用家禽粪便和农场垃圾发电，并获得成功。经 测试3 吨家禽粪相当1 吨煤的发电量，“粪电站”造价2 亿美元，装机容量5 5 兆 瓦，具体造型图如下图1 1 所示。 图1 1 ：“粪电站”造型图 类似的利用动物粪便发电的电站在日本也有一个，那里是用牛粪来发电的。 自1 9 9 0 年以来，生物质发电技术在欧美许多国家开始大发展，特别是2 0 0 2 年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，生物质能的开发利用正在全球加快推 进。2 0 0 4 年，世界生物质发电装机已达3 9 0 0 万千瓦，年发电量约2 0 0 0 亿于瓦 时，可替代7 0 0 0 万吨标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。 4 河海大学硕士论文 到2 0 2 0 年，西方工业国家1 5 的电力将来自生物质发电，而目前生物质发 电只占整个电力生产的1 。届时，西方将有l 亿个家庭使用的电力来自生物质 发电，生物质发电产业还将为社会提供4 0 万个就业机会。 目前，以高效直燃发电为代表的生物质发电技术在国外已经成熟。丹麦率先 研发的农林生物质高效直燃发电技术被联合国列为重点推广项目。目前，秸秆发 电技术已走向世界，丹麦b w e 公司研发的秸秆焚烧发电机组已在丹麦、西班牙、 瑞典、法国等国投产运行多年。此技术机组容量较大，当前在建或拟建机组的单 机容量已达到l o 万千瓦。其热效率较高，受环境影响较小( 可使用的生物质燃料 种类较多，加工要求较低) ，便于单独作为公用电源点建设，便于规模化推广。 。除丹麦外，其他许多国家都也都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光 计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。在美国， 生物质发电的总装机容量已超过1 0 0 0 万千瓦，单机容量达l 2 5 万千瓦；美国 纽约的斯塔藤垃圾处理站投资2 0 0 0 万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气，用 于发电，同时生产肥料。美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，建立了 1 0 0 0 千瓦的稻壳发电示范工程，年产酒精2 5 0 0 吨。 巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开 发计划，目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费量的5 0 以上。 英国的“绿色房屋”计划鼓励居民采用环保技术建造或装修房屋。这种新型 住宅将采用太阳能电池板、洗澡水循环处理装置和无污染涂料等。将来，每家每 户可安装蒸汽发电机。如果有可能，花园里最好再架一座风车，利用风能发电。 如此一来，每家的电就可以自给自足了。 1 1 3 国内的研究现状 在太阳能诸项技术中，最被专家看好的是太阳能光伏发电，光伏发电总体优 势极为明显。相较太阳能热发电技术，光伏发电无转动部件和高温部件，无需水 资源支持，而且系统安装后基本上免维护，适合在沙漠等无人值守的场合应用。 目前，太阳能发电的总体效率在1 7 左右，按这个技术水平计算，每1 0 平方公 里的沙漠面积，基本就可以建1 0 0 万千瓦的太阳能发电站系统，年发电量在1 0 河海大学硕 ：论文 亿千瓦小时以上。我国沙漠土地有8 0 万平方公里，沙化土地有5 0 多万平方公里， 只要利用其中的1 就可以满足现在的发电需要。 但太阳能光伏发电面临着明显的技术瓶颈，其主要的技术种类晶体硅技术、 非晶硅和薄膜电池技术，效率水平并不高，前者效率在1 5 至2 0 之间，后者 最低只有5 。技术的限制反映到市场上，就是成本居高不下。 目前我国最有竞争力的可再生能源技术当属太阳能供热。而在太阳能供热技 术中，发展最好的就是太阳能热水器。这项技术在世界范围内处于领先地位。 现在我国的生物质发电技术也基本成熟，发电成本在o 5 元左右。生物液体 燃料技术大规模发展的制约因素也显而易见。以淀粉和糖类为原料，面临与人争 粮的问题；以纤维素为原料，面临与粮争地问题。生物液体燃料的出路在哪儿? 答案是藻类，但还需要技术的大突破。 风力发电的资源潜力巨大，应用范围广，技术发展成熟，目前正朝着大型化 的方向发展。最近几年晷内发展经快，至少已有两三家企业可以生产兆瓦级水平 的风机。 在节电这一块除了寻找新能源，就是节约己有用电。电荒现象不断发生，但 是城市的节电空间仍然很大，特别是住宅节电这一块。在住宅节电方面，应在新 建筑的建设过程中考虑其各个方面的能耗，包括降温保暖措施、采光设计、配套 设施等。例如：节能型荧光灯的综合电能利用率比白炽灯高7 0 以上，而在同样 的亮度下，用电量可以减少到1 5 。高效能空调也比常规空调节电3 0 以上，以 1 5 匹空调为例，全年运行1 8 0 天，每天运行5 小时，同等条件下，一年可节电 3 6 0 度左右。选择高效节能电器，选择合适的空调电控温度，减少长明灯，减少 家用电器待机损耗，也都利于节电。 现在的住宅电器里，很多都打起了变频节电的牌子，但是，据介绍，目前国 内的节电产品基本上都是以变频器为主，这种产品实际上在美国等发达国家处于 被淘汰的过程中。其实，节电行业是一个高技术的行业，技术门槛很高。举个例 子，国内对节电产品的理解就是一个硬件产品，但像美国的一些节电产品公司， 多数是做软件出身：他们为每个企业量身订做节电解决方案，在工程师测试现场 “电污染”数据以后，使用此软件运行这些数据，并进行量化分析，在很短的时间 6 河海大学硕士论文 内就可为用户提供出分析报告，用户马上就可以知道他为购买节电设备的投资回 收期和回收率是多少。 1 1 。4 研究的意义 我国建筑节电工作总体行动迟缓，至今城镇建成的节电建筑仅占城镇建筑总 面积的2 。到目前为止，我国不仅既有的4 0 0 多亿平方米城乡建筑中的9 9 为 高耗能建筑，新建的数量巨大的房屋建筑中，9 5 以上还是高能耗建筑。单位建 筑面积采暖能耗高达气候条件相近的发达国家新建建筑的3 倍左右。预计到2 0 2 0 年底，全国房屋建筑面积将新增近三百亿平方米。如果延续目前的建筑耗能状况， 每年将消耗一点二万亿度电和四点一亿吨标准煤，接近目前全国能耗的三倍。加 上建筑材料的生产耗能1 6 7 ，约占全社会总耗能的4 6 7 。 我国正处于经济高速发展的工业化阶段，一方面能源资源相对不足，另一方 面能耗高能效低，所以节电是保障国家经济安全的必然选择。通过节电产品、节 电技术与建筑的结合，国家希望实现以下几个目标： 上：响应国际号召。适应宏观的政策环境和社会发展的必然趋势。从节电和 环保方面，为政府出谋划策，分忧解难。 中：为企业培养节电和环保方面的应用技术人才、沉淀节电产品企业文化， 为节电企业品牌注入新的活力元素。培养主导和推动和谐社会建设、绿色建筑推 广、节约型社会建设的领头羊企业。 下：真正为用户着想，为用户创造效益和价值，在提高用户舒适度的基础上， 进一步降低用户投资。 由于我国人口众多，住宅在建筑物总数量中所占比例很大，因此进行住宅节 电是建筑节电的一个重要方面。我们知道，住宅在约6 0 年左右的使用期内，需 要不断消耗大量的能源，主要用于采暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、 家用电器等方面。这些消耗现在多半是以电能的形式完成的，所以对住宅实行住 宅节电设计并对住宅节电设计进行评价，切实有效的降低住宅能耗，对我国节能 节电工作有着重大意义。 住宅节电是响应国家节能节电号召的重要方法之一，住宅节电刻不容缓，对 于住宅节电方面研究的重要意义在于： 7 河海大学硕士论文 口有利于国民经济的发展，建筑节电效果差容易导致用电高峰的产生以至拉闸 限电； 口有利于治理污染改善环境，减少经济发展对能源需求而导致的巨大环境压 力； 口有利于提高生活水平，节电住宅意味着更少的能耗更舒适的建筑环境； 口有利于相关建筑节电产业的发展： 口有利于养成人们良好的生活习惯，改变人们的生活态度，加强人们的节电思 想。 1 2本文的研究思路 节电行业是我们国家的一个新兴行业，电能在住宅中的消耗，有其合理消耗 的部分，也有一部分属于浪费。浪费的原因有很多，比如：设计、布局、环境、 住宅材料、设备本身等等。 在能源持续性紧张的大的能源背景下，住宅节电，将是节电产业发展的重要 组成部分，同时也将是住宅行业发展的必然趋势。节电住宅属于可持续发展住宅 的一种，它是高效低耗、环保节电、健康舒适、生态平衡的高质量住宅，被认为 是今后住宅的发展方向。 国外正在研究的先进的住宅节电技术有：屋顶光伏电池板，热水、采暖、空 调热泵系统，先进照明技术，阳光集光和分配系统，燃料电池、微型燃气轮机等 分布式发电技术，可按需调节电源供应、水供应和空调的智能控制系统，低温地 板辐射采暖技术，电热采暖节电技术，热泵中央空调等。 我国政府鼓励开展住宅节电的科学研究和技术开发，大力推广应用节电技 术、产品、设备。现在重点发展下列住宅节电技术与产品： 口节电空调技术与产品： 口建筑照明节电技术与产品； 口自然能源、清洁能源等可再生能源应用技术及设备： 口集中供冷、供热和热、电、冷联产联供技术； 口采暖、空调系统温度调控和分户热量计量技术与装置； 口住宅节电能耗检测评估技术； 8 河海大学硕士论文 口其他技术成熟、效果显著的节电技术和节电管理技术。 本文的研究的主要内容是用太阳能对住宅进行节电设计。要利用太阳能进行 节电，首先应该了解太阳能节电的各种方法，在了解各方法的基础上，再考虑适 合住宅的太阳能节电方法；其次，分析住宅能耗表，得出住宅耗电的主要方面， 对住宅的主要耗电方面进行节电设计，在节电设计后再对住宅的耗电量进行分 析；再次，对相应的住宅耗电方面采取相应的太阳能节电措施。 住宅节电技术繁多，不可能一一介绍。但在这里进行设计时，提出一个希望 达到的目标，就是使住宅的能耗尽量低，最终希望使住宅能够脱离电网。如果住 宅可以从电网中分离出来，成为独立的分布式能源，将对电网的安全性能产生巨 大影响。在住宅中引入可再生资源中的太阳能，用可再生资源代替电能，但可再 生资源也有其局限性，例如它的首次投资较大，投资回收期可能超过其本身使用 寿命。因此考虑先对住宅进行节电设计，在已经将住宅耗电量降到最低后，再对 住宅进行太阳能节电设计。住宅能耗的主要方面是制冷、采暖、热水和照明。因 此确立本文的研究步骤为： 口对住宅太阳能发电系统的研究； 口对住宅太阳能热水系统的研究； 口对住宅太阳能采暖系统的研究； 口对住宅太阳能制冷系统的研究； 口对住宅照明节电技术的研究； 口对住宅采暖节电技术的研究； 口对住宅制冷节电技术的研究； 口对住宅太阳能节电系统设计的研究； 口对住宅太阳能节电方案评价的研究。 在对以上各方面进行研究后，就可以开始论文的写作工作了，进行住宅节电 的综合设计，并对住宅的节电方案进行评价，判断其可行性。 1 3本文的主要工作 本文会从以下方面进行努力： 口研究各种太阳能节电技术与住宅结合的可行性； 9 河海大学硕士论文 口运用各种住宅节电技术对住宅进行节电设计，研究各种住宅节电技术的可行 性： 口在研究各项设计结果的基础上进行住宅综合节电设计； 口建立关于住宅太阳能节电评价可行性模型。 首先本文对太阳能节电技术进行了研究，介绍了太阳能光伏发电系统的构 造，建立住宅楼顶太阳能光伏系统，研究了其可行性。介绍了太阳能供热水系统 的结构，设计建立了太阳能供热水系统，研究了太阳能供热水系统的可行性。介 绍了太阳能采暖系统的构造，设计建立了太阳能采暖系统，研究了太阳能采暖系 统的可行性。介绍了太阳能制冷系统，设计建立了太阳能制冷系统，研究了太阳 能制冷系统的可行性。 其次确立了太阳能节电方案建立的主要步骤，主要是考虑到太阳能节电的一 次性投资较大，首先运用规划设计的方法对住宅进行了节电设计。在研究照明系 统标准的基础上，通过对照明系统进行规划设计，来实现在不降低舒适度的前提 下减少照明耗电量。在研究采暖方法和采暖系统的基础上，通过对采暖系统进行 规划设计，来实现在不降低舒适度的基础上，减少采暖系统的耗电量。在研究制 冷方法和制冷系统的基础上，通过对制冷系统进行规划设计，来实现在不降低舒 适度的基础上，减少制冷系统的耗电量。 再次，仍是考虑到太阳能节电的一次性投资较大，因此先对太阳能集热系统 进行综合设计。将太阳能热水、太阳能采暖、太阳能制冷系统相结合，综合设计 了它们的管线、蓄热水箱、辅助热源等。并设计了该太阳能集热系统的控制系统 结构，设计了太阳能集热控制系统的硬件结构和硬件安装位置，设计了太阳能集 热控制系统的软件结构，并设计了该软件中监控系统的监控界面。考虑到太阳能 采暖制冷的关键是对户用室温的控制，因此研究了设计了基于单片机的室温控制 系统。 最后，建立了太阳能集热节电方案评价模型。确立了建模的约束条件，介绍 了建立该模型的步骤，并基于m a t l a b 中的神经网络建立了太阳能集热方案评 价模型。为太阳能节电投资提供一些参考评价方法，使的建立太阳能节电方案并 不盲目。 l o 河海大学硕士论文 第2 章住宅太阳能节电方法介绍 2 1住宅节电概述 目前住宅节电技术在节约自身能耗上发展较快的是1 通过新型材料、新的 规划方式提高住宅围护的保温水平；2 采用节电的电气设备；3 对住宅内部照明 的节电设计；4 对住宅采暖制冷新方式的采用等。除通过降低自身耗电量来达到 节电的目的外，还可通过在住宅中加入新能源，用可再生资源来代替电能为住宅 的固有消耗提供能源的方法来降低住宅耗电量。能够在住宅中应用的可再生能源 主要有：太阳能、生物质能、风能、潮汐能等。目前与住宅结合较为普遍的是太 阳能和生物质能，但目前在住宅群中建立大型生物质能利用设备的技术还不成 熟，因此根据普遍性原则，最先考虑太阳能。 在太阳能与住宅结合的技术中，太阳能光利用技术主要有光伏发电，太阳能 热利用技术主要有太阳房、热发电、采暖、制冷、热水。光伏发电技术已经较成 熟，可以与住宅结合。太阳房主要是建筑围护方面的设计，这里暂不论及。太阳 能热发电技术对水温要求较高，所以难于与住宅结合。太阳能热水、采暖、制冷 与住宅结合的技术也较为成熟。因此在这里计划用太阳能光伏发电，太阳能热水、 太阳能采暖、太阳能制冷来降低住宅耗电量，在进行节电设计前要先对这些方法 进行可行性研究。 照明、采暖、制冷是目前住宅能耗的主要方面，如果可以显著降低这三种能 耗即会对住宅节电产生巨大影响。由于太阳能设备的一次性投资较大，因此在这 里会先对住宅进行照明、采暖、制冷方面的规划设计，在降低住宅自身能耗后， 再将太阳能与住宅结合，这样可以有效减少太阳能装置的一次性投资。 在对住宅进行节电设计前先要建立一个算例，用来对比节电设计前后的耗电 量。在这里以南京地区一幢楼为例进行计算。该幢楼共六层，五个单元，长5 5 m ， 宽2 0 m ，高1 6 8 m ，楼顶面积1 2 1 0 m 2 ，形体系数【洼i j j 、于0 3 ；窗墙比及构件类型 均按照国家对夏热冬冷地区的节能要求进行设计，住宅围护结构的整体节能需达 到国家相关标准的要求。该住宅的内部房间划分为每单元两户人家，两户人家的 河海人学硕士论文 房型对称设置，每户人家面积1 0 5 m 2 。将房间细分如表2 - 1 所示；则本幢楼共 6 0 户人家，按每家3 口人计算，则共有1 8 0 口人。 表2 - 1 ：房间面积分配表 房间类型房间面积( m 2 ) 卧室2 5 + 1 5 = 4 0 起居室 2 5 餐厅 1 0 书房 1 0 厨房 5 卫生间 5 2 = 1 0 储藏室 5 总计 1 0 5 2 2太阳能光伏发电 图2 - i ：太阳能光伏发电系统结构图 太阳能光伏发电系统的结构图如图2 - 1 所示，系统中包括光伏阵列、控制器、 蓄电池和逆变器等主要部件，各部分的作用为脚： 1 光伏阵列：作用是将太阳辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来， 或推动负载工作：它是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价 值最高的部分。 2 控制器：作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起过充电保护、过 放电保护的作用；其他附加功能如光控、时控开关等都是控制器的可选项。 1 2 河海大学硕士论文 3 蓄电池：作用是在有光照时将太阳能电池所发出的电能储存起来，到需要 的时候再释放出来；一般为铅酸电池。 4 逆变器：作用是将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成所需型号的直 流或交流电能，因为太阳能的输出一般都是1 2 v d c 、2 4 v d c 、4 8 v d c ，无法直 接用到其它设备上。 建立一个太阳能光伏发电系统的步骤为： 1 确定光伏阵列安装角度：一般在住宅的楼顶安装平板式太阳能阵列，因为 屋顶维修与维护难度较大，而平板式太阳能光伏阵列几乎是免维修、维护的，按 照纬度法计算太阳能光伏阵列安装角度。以南京地区为例：南京纬度3 2 度地处 北回归线以北，任何时候纬度伊均大于太阳纬度艿【注5 】。根据附表l 上数据，得 出年平均太阳赤纬度为4 度，由光伏阵列最佳倾斜角计算公式： = 妒+ 占 ( 2 1 ) 得出= 3 2 + 4 = - 3 6 度。 2 倾斜面上太阳总辐射的计算：光伏阵列设立倾斜角后，将水平面上的太阳 总辐射转换成倾斜面上的太阳总辐射。已知安装倾斜角3 6 。，查表可得斜面辐射 最佳经验修正系数x o , = 1 0 2 4 9 。j 乙是描述斜面辐射量和各月辐射均匀程度的系 数，光伏阵列日均受辐射量只，与日均水平辐射量z 的数学关系为： 日= 瓦，- l ( 2 2 ) 根据附表2 和公式2 2 可以计算出南京地区各月倾斜面上的太阳总辐射，各 月倾斜面上的太阳总辐射具体数据如下表2 2 所示。 表2 - 2 ：倾斜面上的太阳总辐射 1 月份 1234567891 01 11 2 k w h m s z3 b3 0 33 所重7 14 6 94 1 34 4 34 8 34 5 43 3 12 7 72 5 8 3 光伏阵列太阳能电池组件用量计算( 1 0 】：选用参数如附表3 的多晶硅太阳能 二 电池组件与住宅相结合。因为多晶硅电池组件转换率较高达到1 6 9 6 ，且价格较单 晶硅电池便宜不少，性价比最高。 河海大学硕士论文 由平板太阳能发电系统计算经验可知，此种光伏系统充放电效率一般取 0 7 5 ( 包括蓄电池效率、控制器效率、连线和阻塞二极管损失以及太阳电池温升 所导致的功率损失等) ，太阳电池组件组合损失修正系数取0 9 5 ，灰尘遮挡及其 它损失修正系数取0 9 0 。经过单位换算及简化处理后，可得到太阳电池用量 e ( p w ) 的计算公式为： p = 5 6 1 4 x a x 统( k o , 巩) ( 2 3 ) 上式中，各符号的含义如下： q ：表示负载日功耗，w h ； 日，：表示水平面年平均1 ：4 辐射量，k j m 2 d ； a ：表示为安全系数，普通建筑一般取1 1 5 。 系数5 6 1 4 的得来：3 6 0 0 ( o 7 5 x 0 9 5 x 0 9 ) = 5 6 1 4 则可知此发电系统供电量为： q i = p x k 。h l + ( 5 6 1 4 xa ) ( 2 4 ) 用2 1 节所建算例进行计算，楼顶面积1 2 1 0 m 2 ，则可在住宅顶上铺设5 5 0 块电池组件，阵形为5 5 1 0 ，则可知住宅顶太阳能方阵的发电功率为1 3 2k w 。根 据公式3 4 和附表1 0 可计算出该住宅上的光伏阵列的月发电量，具体数值如下 表2 3 所示： 表2 - 3 ：光伏阵列发电量表 月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月 日发啦t k w h1 7 5 2 12 2 3 6 22 4 8 2 13 4 7 0 13 4 5 5 53 0 4 2 63 2 6 0 8 月发电量鼬 5 4 3 1 56 2 6 1 37 6 9 4 61 0 4 1 0 41 0 7 1 2 19 1 2 8 o1 0 1 0 8 6 月份8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月平均值总计 f i e 电量_ k w h3 5 5 2 9 3 3 4 4 42 4 3 3 52 0 3 6 81 8 9 83 0 2 月发电量妯l 1 0 1 3 91 0 0 3 3 27 5 4 3 86 1 1 0 4 5 8 8 4 1 1 0 0 3 3 2 1 4 河海大学硕士论文 4 蓄电池组容量的计算：光伏阵列发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容 量的依据之一，连续阴雨天期间的负载的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之 一。根据经验公式，蓄电池用量q 可以由下式得出： q = a 巩t o c 。 ( 2 5 ) 上式中，各符号的含义如下： q ：表示太阳电池的日发电用量： c ：表示蓄电池放电深度，一般取c = ( 5 0 8 0 ) ，采用免维护铅酸蓄电池时， c 一般取0 7 5 ： t o ：表示温度修正系数，一般在0 c 以上取1 ，一1 0 c 以上取1 1 ，一1 0 c 以下取 1 2 ： ，：表示连续阴雨天数。 以2 1 节中的住宅为例进行计算，对于，这里暂不考虑南京地区每年为期 2 0 天的梅雨季节，将连续阴天数设为3 天。 q = 1 1 5 x 3 0 2 x 3 x i 0 7 5 2 1 3 8 9 2 k w h 选用美国宝星蓄电池系列产品g p l 0 0 1 2 ，其性能参数如附表4 所示。可知 在该例中共需7 3 个蓄电池，取整用8 0 个蓄电池，分为8 串，每串1 0 个蓄电池， 8 串并联，则蓄电池输出为1 9 2 0 v ，8 0 0 a h 。 5 其他配套设备的选择：要根据光伏阵列和蓄电池阵列的参数选择逆变器， 直流控制器，交流配电柜，整流充电柜等配套设备。 对此太阳能光伏发电系统进行可行性研究，此例中光伏阵列太阳能电池组 件与蓄电池的价格超过3 5 0 万元，年节约用电量1 0 0 3 3 2 k w h ，按电价0 4 元k w h 进行计算，至少需要8 0 年才能收回投资，而一般建筑使用寿命只有6 0 年，所以 在南京这些光照幅度不是特别大的城市的建筑屋顶建设太阳能发电系统在目前 看来还是不可行的。 可见住宅与太阳能光伏发电系统结合的关键还是：1 太阳能电池光电转换率 的进一步提高；2 太阳能电池价格的进一步降低。 河海大学硕士论文 2 3 太阳能热水 太阳能供热水系统的工作原理是：集热器将采集的能量经过光热转换生产出 热水后经循环管道送入蓄热水箱，凉水经循环( 强制循环用泵) 送入集热器，水 箱内热水可供用户使用。太阳能供热水系统的结构图如图2 2 所示。本住宅楼顶 太阳能集热器可采用串一并联的连接方式如图2 3 所示，每个串上的集热器数量 要相等，这样有利于保持水流量的均衡“”。 图2 - 2 ：太阳能热水系统图 一刚刊 一口 串联 并联 - 口啪r 毗帅 一晴删j + 叫m 加j 并一串联 串一并联 并一串联 图2 3 ：集热器连接方式图 建立太阳能供热水系统的步骤： 1 集热器面积的计算 如采用热管式真空管集热器为居民提供生活热水，太阳能集热器采用整体支 架正南向3 6 。摆放，对集热器面积进行计算。集热器面积计算经验公式是： q = 凰x r , x ( 1 一仉) ( 2 6 ) q = c r o a t q = g n 1 6 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 河海大学硕士论文 ，：盟 q ( 2 9 ) 上式中，各符号的含义如下： q ：表示集热器的集热量，k j i m 2t 月； 幺：表示月负荷，k j i ) l ； h l ：表示太阳辐射月平均值，k 1 m 2 月； 轨：表示集热器效率； q d ：表示日负荷，l l d ； n ：表示月份天数d ； f ： 表示所需集热面积，m 。； 仇：表示管道损失，一般为0 1 5 ； c ：表示水的比热，4 1 8 6 8 k j k g 。c ； m ：表示每日所需热水量，k g l a t ：表示每天需要加热的水温，。 以2 1 节中设计的算例进行计算，该幢楼共有1 8 0 口人，南京地区夏季为6 月1 6 日至9 月1 5 日，夏季每人每天需4 0 度热水1 0 0 l ，热管真空管集热器的夏 季( 6 月1 6 日至9 月1 5 日) 太阳能利用系数为0 5 1 4 0 ；其他季节每人每天需 5 5 度热水4 0 l ，其他季节热管真空管集热器的冬季太阳能利用系数为0 5 8 6 9 。 根据每月气温可知南京地区3 月1 6 日6 月1 5 日，9 月1 6 日1 1 月1 5 日 常年冷水温度为1 0 度；1 1 月1 6 日次年3 月1 5 日常年冷水温度为5 度；6 月1 6 日9 月1 5 日常年冷水温度为2 0 度。计算后所得数据列于下表2 - 4 。 表2 4 ：太阳能热水集热器面积表 月份平均集热器的效各月水平醐集热量月负荷k j 所需集热器 温度率( 取哟, 捌k w h dk j 矗月 月的面积秆 1 月 2 50 5 8 6 7 2 1 2 9 1 0 74 6 7 2 6 9 2 03 6 1 9 2 月 4o 5 8 68 31 4 8 8 3 24 2 2 0 2 9 4 42 8 3 6 3 月上 7 5o 5 8 61 0 沈9 1 4 5 12 2 6 0 8 7 5 02 4 7