【《某高校太阳能供暖系统设计分析案例》7700字（论文）】

某高校太阳能供暖系统设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u28131某高校太阳能供暖系统设计分析案例 1293701.1太原某高校调查分析 1298921.1.1可行性分析 1232741.1.2气候条件 1189071.1.3资源特征 398021.1.4建筑模型及基本参数 3114961.1.5热负荷计算 4159381.2太阳能供暖设备选型 7286161.1.1太阳能集热器选型 7273651.1.2换热器选型 9187351.1.3太阳能集热器安装 108631.1.4蓄热装置 12188981.1.5辅助热源 15314591.1.6控制器选择 16287071.1.7其他设备 17302031.1.8安装与保温 191.1太原某高校调查分析1.1.1可行性分析太原市住建局在2020年8月份颁布的《太原市绿色建筑专项行动方案中提到，太原市将全面实现发展绿色建筑，其中绿色建筑要求最多的是减少资源浪费，减少环境污染，保护环境。自从《太原市绿色建筑专项行动方案》提出来以后，太原市将大力推行实施建设利用太阳能等其他绿色可再生能源的建筑。对底层建筑如学校、医院、公寓楼等公共建筑将强制推广实施太阳能光热供暖系统。1.1.2气候条件太原市位于我国山西省中央，黄河流域的中部。本论文所选取的地理坐标为东经112度59分，北纬37度86分。图1.1太原市某高校地理位置太原市的太阳能光热资源比较丰富，属于高的光照率范围，同时，气候干燥，晴朗天数可以达到40天左右。在12月份到次年的2月份期间，太原市的平均气温在零下5℃到1℃左右，并且平均气温连续低于零下5℃的天数达到50天左右。1月份为太原市的最冷月，最低温度达到零下8℃左右。下图为2017-2019年温度变化曲线[17]：图1.22017年-2019年月平均温度变化曲线1.1.3资源特征由于太原市冬季供暖从11月份到次年的4月份，所以我们只采集11月到4月的月平均日辐照量和日照时数。表1.12016年-2019年太原市水平面月总辐照量（单位kWh/m2）11月12月1月2月3月4月2016-2017年2017-2018年2018-2019年98.595.699.2121.1181.4206.591.591.4107.9127.7177.1207.0101.490.7106.3120.1169.2196.1表1.22016年-2019年太原市日照时数（单位/小时）11月12月1月2月3月4月2016-2017年2017-2018年2018-2019年201.5177.0186.1188.0241.7254.2198.5189.5146.1197.7219.9254.8181.5176.3154.3145.5270.1230.2因为太阳能光照具有间歇性，在一天当中每时刻的辐照度有所差异，所以我们收集了2020年某天的日变化量，如下图：图1.32019年供暖季某日辐照度变化曲线1.1.4建筑模型及基本参数本文以山西太原某高校教学楼为对象，并且该教学楼周围无其他高层建筑遮挡，光照充足，有足够空间安装太阳能供暖设备。本文建筑模型为五层，层高3.6m，长为60m，宽为20m，每层10个教室，分2排，供暖面积为4160m2。建筑为正南朝向，且建筑符合近零能耗建筑要求。表1.3教学楼基本参数项目参数教学楼正门4.0m*1.5m门1.0m*1.0m窗户1.5m*1.0m教室10m*8m*3.6m楼梯2m楼道4m卫生间4m*8m储物间7m*8m下图为太原某高校教学楼的平面图：图1.4教学楼平面图1.1.5热负荷计算建筑物的热负荷应该根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[19]以及《近零能耗建筑技术标准》[20]中规定的建筑物的耗热量计算，即按照围护结构的单位面积耗热量的累计值来计算。并且太原属于Ⅱ（A）区域即寒冷。表1.4非透光维护结构的平均传热系数维护结构部位严寒地区寒冷地区屋面0.10-0.200.10-0.30外墙0.10-0.250.10-0.30地面及外挑楼板0.20-0.300.25-0.40（1）建筑物的耗热量：qH=q式中：qH—建筑物耗热量指标（W/m2qHT—qINF—qIH—在单位时间、单位面积内建筑物内部得热量，取3.8W/m（2）建筑围护结构的传热量：qHT=q式中：qHq—qHw—qHd—在单位时间、单位面积内通过地面的传热量(W/mqHmc—qHy—（3）通过外墙的传热量：qHq=q式中：qHq—tn—室内温度，取18℃te—供暖期户外的平均温度，取：−1.1℃εqiKmqi—外墙平均传热系数[W/(m2•K)]，根据表1.Fqi—外墙面积（m2A0—建筑面积（m2计算得：qHq=1.04W/m（4）屋面的传热量：qHw=q式中：qHw—εwiKwi—屋面传热系数[W/(m2•K)]，根据表1.Fwi—屋面的面积(m2计算得：qHw=1.20W/m（5）通过地面的传热量：qHd=q式中：qHd—Kdi—地面的传热系数[W/(m2Fdi—地面的面积(m2计算得：qHd=1.13W/m表1.5公共建筑外窗传热系数性能参数严寒地区寒冷地区传热系数≤1.2≤1.5（6）通过外窗（门）的传热量：qHmc=qCmci=0.87×0.70×SC(式中：qHmc—在单位时间、单位面积内通过外窗（门）的传热量（W/mKmci—窗（门）的传热系数[W/(m2•K)]，根据表1.Fmci—窗（门）的面积(m2Ityi—窗（门）外表面供暖期平均太阳辐射热（W/m2CmciSC—窗的综合遮阳系数，取：0.550.87—3mm普通玻璃的太阳辐射透过率；0.70—折减系数。计算得：qHmc=0.12W/m（7）建筑物空气换气耗热量：qINF=(式中：qINF—Cpρ—空气的密度(kg/m3)，取1.298；N—换气次数，取0.2h-1；V—换气体积（m3），取V=0.65V0;计算得：qINF=1.3W/m2将式1.3；1.4；1.5；1.6和1.7的计算结果带入式1.2可得：qHT=3.49W/m2由式1.1中可得：qH=1.99W/m2设每天的供暖时间8为小时且采用间歇性供暖，则整个教学楼每天所需要的热量为：Q1.2太阳能供暖设备选型1.1.1太阳能集热器选型在上一章中，经过比较平板型集热器[21]与真空管型集热器的各种性能，发现平板型太阳能集热器的集热效率要比真空管型太阳能集热器的集热效率低，所以此设计我们将采用真空管型集热器进行设计。真空管型太阳能集热器根据吸热板的不同可分为[22]：（1）以玻璃为吸热体的全玻璃真空管型太阳能集热器；（2）以金属为吸热体的金属—玻璃结构真空管型太阳能集热器这两种。但是由于全玻璃真空管型太阳集热器的主要材料为玻璃，长时间放置在户外，被损坏的概率较大。并且在使用过程中，如果有一根真空管损坏，那么整个系统将停止工作。为了解决真空管容易损坏问题，我们选用金属—玻璃管结构真空管型太阳能集热器。其中热管式真空管型集热器的热效率较高并且应用较为广泛，下图为集热器的结构图：图1.5热管式真空管结构图由图可以看出，热管式真空管集热器由保温堵盖、热管吸热块和玻璃真空管组成。其工作原理为：吸热体吸收透过玻璃真空管的太阳能辐射，使集热器中的工质被加热气化，然后被加热气化后的工质上升到集热器的冷凝端，通过热交换使得工质的热量被传送，最后热量传到水箱的水或其他蓄热材料，同时工质冷凝成液体，流到热管再次被加热。重复以上过程，最终将太阳能热量转换到蓄热水箱中。热管集热器的优点：（1）具有较高的热效率，效率可达到80%:（2）传热工质在集热器的联集管中流动，系统的阻力较小，运行安全可靠;（3）拆装方便，后期维护简单：选型如下表：表1.6热管式真空管集热器的选型排列方式双排横插式孔径58mm洞孔数量50孔孔间距75mm内胆材质SUS-304/2B不锈钢内胆厚度0.41mm外壳材质不锈钢外胆厚度0.38mm保温材料聚氨酯整体发泡保温厚度45mm整体面积380*200cm太阳能集热器实物安装如下图：图1.6热管式真空管集热器安装图1.1.2换热器选型因为太原属于寒冷地区，所以太阳能供暖系统采用间接式供暖系统，则需要有选择合适的换热器。将太阳能集热器中产生的热量通过换热器交换到储热装置中。常见的换热器有以下5种：（1）间壁式换热器，通过利用壁面的导热性以及流体与壁面的对流换热方式实现热量的传递，适用于两种流体间，是现在应用最普遍的一种换热器。（2）蓄热式换热器，这种类型换热器中存在一种换热介质即蓄热体，通常是由固体组成，换热过程为：集热器的热量通过加热蓄热体使其温度升高，再由蓄热体加热储热材料，是一种间接式换热器。（3）流体连接间接式换热器，这种换热器是由两个表面式换热器和一个热载体构成的，热载体在两个换热器中间循环流动，使得集热器的热量传到储热材料中。（4）直接接触式换热器，又称为混合式换热器，其换热过程是通过两种流体的直接接触，使得热量被传到低温流体。（5）复式换热器，是汽水直接混合换热器与水水直接换热器共同组成，具有高的换热效率和稳定性。由以上几种换热器的对比分析，我们选择的板式换热器属于间壁式换热器中的一种[23]，这种换热器可用于对传热介质要求较低的场合，板式换热器结构如下：图1.7板式换热器结构由上图可以看出板式换热器主要由三部分组成：包括传热板，密封垫圈和压紧装置，以及一些附件。传热板是最主要的部件，其结构有人字型波纹，锯齿形波纹和有褶的三角形，我们选择有褶的三角形换热板，可以增大换热面积。密封垫圈的作用是防止液体的渗漏，其密封圈的好坏关系到换热器运行的安全。为了运行安全以及后期维护方便，我们选择两个换热器，每台换热器的换热量为Q=0.6Q'，供暖热负荷计算如下：Q'=A•F(式中：Q'A—供暖的热指标W/m2；F—供暖面积m2。计算得一台换热器的热负荷为Q'板式换热器的优点有：（1）传热效率较高，设计结构紧密。（2）占地面积较小（3）使用寿命较长，容易拆装和清洗。（4）热损耗低1.1.3太阳能集热器安装太阳能集热器的热量应该满足于整个教学楼间歇供暖8小时供暖需求，为了合理设计太阳能集热器面积并且最大的节约成本，根据《太阳能供暖采暖工程应用技术手册》[24]，太阳能集热器面积计算公式有：AC=Q式中：AC−直接供暖系统太阳能集热器面积，mQH−热负荷（W），由式1.16可知f−太阳能保证率，太原属于资源较丰富区，取40%；JT−平均日辐射量，由表1.1计算得15.9MJ/mηcdηLAIN=A式中：AIN—间接供暖系统太阳能集热器面积，m2UL—集热器总的热损失，真空管集热器取10W/m2Uhx—换热器的传热系数，取6000W/(m2Ahx—间接供暖系统的换热器换热面积，m2计算得：AIN=7664为了使得太阳能集热器获得更多的太阳能辐射，需要在正午时候，太阳能集热器的采光面与太阳辐射光线的方向相互垂直[25]，。为了最大程度的利用太阳能辐射资源，所以我们应该设计使得太阳能集热器接收的太阳能辐射最大，即集热器的使用面积最多。表1.7山西各市区的最佳倾角地点太原长治大同阳泉吕梁晋中纬度/°37.7836.240.137.0837.537.06最佳倾角/°35.438.2537.335.4235.3935.48由上表可以知道太原市的太阳能集热器最佳倾角为35.4°，并且太原市位于我国北方地区，处于北半球，所以方位角γ=0°。集热器的最佳倾角计算如下:δ=23.45sin360°×284+n式中：n—所求日期在一年中的日子数，取356时角ω（正午12时）：ω=−15°×(12−h)(1.13)太阳高度角α：sinα=sin∅sinδ+cos∅cosδcosω(1.14)最小间距的计算：D=cosβ×LL=H/tanα(1.15)式中：H—最高点与后排被遮挡组件高度差；L—太阳辐射在地面上的投影；计算得太阳能集热器方阵前后排的最小间距为：D=1.6m。因为选用的真空管式太阳能集热器规格为3.8m×2.0m，而教学楼楼顶为60.0m×20.0m，所以集热器的排列方式为：分为3个模块，每一个模块60个太阳能集热器，为5×12排列。总的设计面积为AC1=1368m图1.8太阳能集热器排列图则每天由太阳能集热器提供的热量为：Q=AC1J由1.17式可知AC1=1368m2，JT计算得Q=17400.9MJ。1.1.4蓄热装置（1）蓄热材料选择目前，最常见的储热方式分为三种：a.显热储热。通过加热热容量大的储热介质，使热量储存在介质当中。常用的储热介质有液体（水）和固体（岩石，金属）。b.相变储热。又叫潜热储热，利用物质在固、液、气三种状态下发生相变时热量的转移。c.化学储热。是利用了物质发生了可逆的化学反应，在可逆反应中使得热量被储存和释放。但是利用化学储热可利用的物质较少，所以技术不够成熟，应用不够广泛。此系统设计我们选用的相变储热材料为Na2SO4•10H2O。Na2SO4•10H2O的熔点为31℃，溶解热是220kJ/kg，密度为1440kg/m3，固相比热容为1.95kJ/kg•℃，液相比热容为3.35kJ/kg•℃，由下式可计算相变材料的用量：M=Qa−b•式中：M—相变储热材料的质量kg；Q—储存的热量kJ；a—材料相变温度℃；b—相变材料的初始温度，取20℃；CsX—相变潜热kJ/kg；c—相变材料的最后温度，取55℃Cl计算得所需要的相变储热质量为：M=2330kg。选择的保温箱体如下：表1.8蓄温水箱参数项目尺寸内胆∅1220*1700外胆∅1320*1800保温层50图1.9蓄热水箱图（2）储热系统选择现在最常见的集热系统和储热系统搭配有：a.开式水箱间接供暖系统。该系统通过直接循环加热方式供暖，无需进行二次换热，热量浪费较少。但是不具有防冻功能，在低温状态下容易影响整体使用。b.开式水箱直接供暖系统。此系统在水箱中加入电加热棒，作为辅助热源，以满足供暖需求。c.闭式水箱直接供暖系统。此系统是由太阳能集热器、闭式水箱和辅助热源组成。采用直接供暖，供暖温度恒定，节能可靠。但是结构复杂，造价较高。d.闭式水箱间接供暖系统。该系统供暖集成度高，但是存在二次换热，造成热量的浪费而且系统成本较高。由于太原位于我国北方，所以储热水箱需要做的防冻，而且储热系统需要安全稳定，所以我们选择闭式水箱太阳能间接供暖系统，结构如下：图1.10供暖系统与蓄热水箱连接1.1.5辅助热源因为太阳能具有间歇性与不稳定性，在遇到连续阴雨天时候，太阳能集热器提供的热量将无法满足教学楼的日常供暖需求。如果完全依靠太阳能集热器供暖，需要加大集热器的面积，来获取更多的太阳能辐射量，由于所设计太阳能集热器铺设在教学楼的楼顶，楼顶是面积有限，不能铺设太多的集热器，为了弥补短缺的热源，我们使用辅助热源，下表为不同形式的辅助热源。表1.9不同形式辅助热源能源形式推荐设备市政热力热交换机与太阳能组合供热。燃气燃气锅炉，燃气热水机组，快速式热水器燃油热油热水机组，热油锅炉热泵空气源热泵机组电力电锅炉，热水机组，本文设计为太原某高校冬季供暖设计，在11月份到次年4月份这期间，太阳能辐照度小，在供热量不足或者夜晚供暖时，启动辅助热源。我们选择的辅助热源为空气源热泵。热泵工作原理是利用自然界中的空气，水等低品位热源，通过电力做功使其转移到高位热源的装置，在空气源热泵的运行过程中，蒸发器从空气中吸收热能，并且通过热量使传热工质被加热蒸发形成蒸汽，蒸汽再通过压缩机被压缩，形成高温高压的气体。通过管道将气体输送到储热水箱外表面的环形管，经过热交换使得气体的热量交换的储热水箱中，自身冷凝成为液体流回蒸发器中。表1.10热泵参数项目参数项目参数型号BNRS-500‖质量126KG电源380V机身尺寸760*820*1100MM名义制热量18KW制冷工质及充注量R22/2800g额定输入功率4.5KW防触电保护类型Ⅰ类额定输入电流8.0A防水等级IPX4输入功率5.4KW额定水压0.6MPa输入电流8.0A水流量3.0m3/H额定水温55℃水管接口DN25水温60℃排气压力3.0Mpa额定制水热量390L/H吸气压力0.05Mpa噪音≤65Db(A)换热器耐压3.0Mpa在考虑极端条件下，所有的热量均由辅助热源提供，则需要1台空气源热泵。1.1.6控制器选择在太阳能供暖系统运行过程中，控制器通过温度传感器检测热管式真空管太阳能集热器的出水口温度与蓄热水箱的温度，当集热器出水口的温度比蓄热水箱温度高出设定值时，启动循环水泵，使得集热器的热量及时输送到蓄热水箱中，当集热器出水口温度低于蓄热水箱的温度的设定时，循环水泵停止运行。控制器的第二个作用是控制蓄热水箱与供暖末端系统中热水的循环，采用定时器循环，设定循环泵的工作时间，例如：设定集热器循环时间为早晨七点至十一点，下午三点至五点，晚上七点至九点。在这三个时间段循环，其余时间循环泵停止运行。当遇到极端天气或检测到蓄热水箱温度长时间偏低时，则启动空气源热泵使得空气源热泵工作以满足教学楼的正常供暖，假设当检测到蓄热水箱温度长时间高于设定值时，控制器将控制停止运行空气源热泵，然后利用蓄热水箱中的热量为教学楼供暖，以减少能源的浪费。选择如下图的智能温度控制器，该温度控制器温度检测范围是零下20℃到80℃，检测范围大适合太阳能供暖系统。图1.11智能温度控制器1.1.7其他设备在太阳能供暖系统中除了太阳能集热器、储热装置和辅助热源以外，还需要末端装置和循坏管道等。（1）末端装置[26]主要作用是将太阳能集热器和辅助热源所产生的热量分散到每个房间。其中末端散热装置包括：a.散热器系统。该系统在早期供暖系统中发挥了重要作用，其工作原理是由热水作为载体将太阳能获得的热量送到室内的散热器。b.地板辐射系统。该系统原理是利用地埋管和热水的热交换。在地板下面铺设地埋管，通过供暖侧循环泵作用下使水箱中的热水流入地埋管中，通过热交换，使热量交换到埋管中，再通过地埋管使得热量辐射到室内，其中的一部分热量直接辐射到人体表面，另一部分辐射到室内其他物体上，在双重辐射下，可以使得人们得到舒适感。c.毛细管辐射系统。该系统舒适性高，安装难度小，并且该系统热利用效率较高。通过对比，本次供暖末端设计我们选用毛细管辐射系统。毛细管辐射供暖系统采用的是3.35×0.5mm的PPR塑料毛细管，排列间隔为30mm。通过均匀紧密的排列毛细管最后形成网栅。根据所设计教学楼的供暖面积与毛细管的排列可知所需要的毛细管长度为200000m主要优点有：a.换热面积大，换热均匀。b.原材料是PP-R，具有热塑性，且绿色环保，具有耐高温，耐腐蚀性。c.安装方便，可以利用低品位能源。d.使用寿命较长，运行和维护成本较低。e.供暖是要求水温较低，系统更加节能。（2）循环泵选取;在太