太阳能供暖系统的模拟研究

论文摘要

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Visual Basic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11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59%的热负荷,夜晚供暖系统只能满足41%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f在蓄水量与夜晚供暖系统的面积之比L/(Ac)为40L/m2时出现最大值。太阳能保证率会随进口管流量的增加而增加,当流量为0.8kg/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Aspen plus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40 m2、蓄水量与集热器面积之比为100L/m3的间接式采暖系统的COP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f为0.56,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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 世界能源状况
• 1.1.2 我国的能源消耗与环境污染
• 1.1.3 我国的太阳能资源
• 1.2 太阳能资源的研究和应用现状
• 1.2.1 太阳能供暖方式的分类
• 1.2.2 太阳能供热系统的国内外发展及研究现状
• 1.2.3 存在问题
• 1.3 本课题研究的内容和方法
• 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
• 2.2 集热器的选用
• 2.2.1 平板型集热器
• 2.2.2 真空管集热器
• 2.2.3 平板型太阳能集热器的防冻
• 2.2.4 集热器的选用
• 2.3 蓄水箱的类型
• 2.4 辅助热源
• 2.5 散热设备
• 2.6 本章小结
• 3 太阳辐照度的计算
• 3.1 太阳角
• 3.1.1 赤纬角
• 3.1.2 时角
• 3.1.3 太阳高度角
• 3.2 晴天太阳辐照度
• 3.3 晴天太阳总辐射辐照度的模拟
• 3.4 计算结果
• 3.5 本章小结
• 4 太阳能地板辐射供暖方案的模拟
• 4.1 房间热负荷的数学模型
• 4.1.1 热负荷的计算方法
• 4.1.2 建筑模型
• 4.1.3 负荷计算结果
• 4.2 太阳能集热器的数学模型
• 4.2.1 热量在吸热板体上的传导
• 4.2.2 管内对流传热
• 4.2.3 考虑管路热损失的集热器有效能
• 4.3 水箱的数学模型
• 4.4 地板辐射供暖的数学模型
• 4.5 系统模拟的算法流程
• 4.6 模拟计算结果分析
• 4.6.1 白天供暖系统所需的集热器面积
• 4.6.2 夜晚供暖系统的集热面积
• 4.6.3 夜晚供暖系统的集热器进口管路的流量
• 4.6.4 太阳能地板辐射供暖系统的仿真研究
• 4.7 本章小结
• 5 太阳能热泵供暖方案的模拟
• 5.1 太阳能热泵供暖系统
• 5.2 模拟计算结果分析
• 5.2.1 稳态条件下的模拟
• 5.2.2 动态条件下的模拟
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望和后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文