21/21新能源科學(xué)與工程學(xué)院太陽能熱利用原理與計(jì)算機(jī)模擬課程設(shè)計(jì)學(xué)院：新能源科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級：太陽能光熱技術(shù)及應(yīng)用同學(xué)姓名：章杜彬?qū)W號：1103040036指導(dǎo)老師：詹長軍實(shí)施時(shí)間：2013.11.18—2013.11.22姓名章杜彬課程設(shè)計(jì)成果評語：指導(dǎo)老師（簽名）摘要太陽能是太陽內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強(qiáng)度為1,369w/㎡。地球赤道的周長為40,000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/㎡，相當(dāng)于有102,000TW的能量，人類依靠這些能量維持生存，其中包括全部其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外），雖然太陽能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到肯定的限制。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照耀到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤，每秒照耀到地球的能量則為499,400,00,000焦。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能都是來源于太陽。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。為人類制造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類進(jìn)入一個(gè)節(jié)省能源削減污染的時(shí)代。關(guān)鍵詞：太陽能集熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)太陽能集熱器面積設(shè)備的選型名目TOC\o"1-2"\h\u5202第一章項(xiàng)目概況 599961.1建筑概況 554361.2氣象參數(shù) 525673其次章太陽能集熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6174632.1集熱器傾角設(shè)計(jì) 6121232.2太陽能集熱器面積設(shè)計(jì) 613980第三章設(shè)備選型 9190733.1太陽能集熱器 9181193.2貯熱水箱 9192663.3幫助熱源 103.4掌握器…………1011868第四章太陽能熱水系統(tǒng)的總預(yù)算 11240934.1太陽能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量 114.2壽命期內(nèi)太陽能熱器系統(tǒng)的總節(jié)省費(fèi)用……119254.3回收年限 1329958第五章太陽能熱水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬 13149745.1熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及部件裝配 1378495.2部件參數(shù) 133938第六章模擬計(jì)算報(bào)告 18參考文獻(xiàn)………………20第一章項(xiàng)目概況1.1建筑概況該建筑為北京某高校同學(xué)宿舍，緯度：北緯39°48′，經(jīng)度：東經(jīng)117°；該宿舍樓滿員200人。供熱水時(shí)間為早上6點(diǎn)到晚上10點(diǎn)，用水溫度45℃，每人每天用水量40L。1.2氣象參數(shù)北京年太陽輻照量：水平面5570.48MJ/㎡,40°傾角表面6281.99MJ/㎡年平均日太陽輻照量：水平面15.25MJ/㎡,40°傾角表面17.21MJ/㎡年日照時(shí)數(shù)：2755.5h年平均溫度：11.5℃沙塵暴從1951年至2000年間，年均28天，最高年份是1952年，達(dá)87天，最少年份為2天，發(fā)生季節(jié)以12月至翌年4月占62%，春季特別是4月份最多，8、9月份最少，僅占15%。年均情況為，大風(fēng)22天，揚(yáng)沙20天，浮塵6天，沙塵暴2.4天。沙塵暴最多年份1966年達(dá)20天，50、60年月年均5天，70年月年均不到1天；2000年以來每年都有多次發(fā)生沙塵暴。其次章太陽能集熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1集熱器傾角設(shè)計(jì)利用MeteoNormv4.0軟件計(jì)算得出：北京正南方向30°～40°的補(bǔ)償面積最大，故集熱器傾角取40°。2.2太陽能集熱器面積設(shè)計(jì)1、熱水系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算（1）用水人數(shù)總用水人數(shù)200人系統(tǒng)日熱水量計(jì)算①系統(tǒng)設(shè)計(jì)日用熱水量式中——設(shè)計(jì)日用水量，L/d;——最高日熱水用水定額，100L/（人·d）；m——用水計(jì)算單位數(shù)(人數(shù)或床位位數(shù)），200人。則20000L/d②系統(tǒng)平均日用熱水量式中——平均日用熱水量，L/d；——日平均用水定額，40L/d；——用水計(jì)算單位數(shù)，200人。則=8000L/d（2）集熱器采光面積的確定式中——直接系統(tǒng)集熱器采光面積，㎡；——平均日用水量，8000L/d;c——水的比熱容，4.187kJ/(㎏·℃）；——熱水密度，近似取1㎏/L；——貯水箱內(nèi)水的終止溫度，45℃；——冷水溫度，15℃；——年平均集熱器傾角表面上年平均日輻照量，17217kJ/㎡；——太陽能保證率；——管道及貯水箱的熱損失率；——太陽能集熱器的全日集熱效率。①確定太陽能保證率北京屬于太陽能資源一般區(qū)，系統(tǒng)偏重于在春、夏、秋三季使用，表1（不同地區(qū)太陽能保證率的選值范圍4），取太陽能保證率=0.5。②確定管路及貯水箱熱損失率由于系統(tǒng)保溫的熱水管路和貯熱水箱等部件都在室內(nèi)，環(huán)境溫度較高，取0.25。③集熱器全日集熱效率歸一化溫差式中——集熱器入口溫度,℃；——北京年平均日室外空氣溫度，11.5℃；——年平均日太陽輻照度，W/㎡;式中——年平均每日的日照小時(shí)數(shù)，277.5h÷365d=7.5h.則G=638W/㎡則歸一化溫差X=0.0133㎡·℃/W。依據(jù)歸一化外溫差查集熱器生產(chǎn)廠家供應(yīng)的集熱器效率曲線60504030605040302010瞬時(shí)效率﹪00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.11基于進(jìn)口溫度的歸一化溫差圖1將以上參數(shù)帶入集熱器采光面積計(jì)算公式，得Ac=68.26㎡，集熱器的規(guī)格為2㎡一塊，則需要塊集熱器，實(shí)際集熱器面積為70㎡。第三章設(shè)備選型3.1太陽能集熱器本工程需要70㎡的集熱器，每塊集熱器的面積是2㎡，應(yīng)用串聯(lián)的方法5個(gè)一串，共7個(gè)陣列；接受捷森HJ型集熱器，集熱器的使用年限是15年。3.2貯熱水箱按每平方米米太陽能集熱器采光面積對應(yīng)75L貯熱水箱容積確定：水箱的有效容積=75·=75×70=5250L=5.25m3貯水容積式中——設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，W;m——用水人數(shù)，200人；——最高日熱水用水定額100L/（人·d）；c——水的比熱容，4187J/(㎏·℃）；——熱水溫度，45℃；——冷水溫度，15℃；——熱水密度，近似取1㎏/L；——小時(shí)變化系數(shù)，4.8；T——每日使用時(shí)間，16h。則=209350W容積式熱交換器貯熱量保證系統(tǒng)用戶90設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，即=90×60=1130.499000L=9m33.3幫助熱源幫助熱源為電加熱，放置于水箱中。幫助加熱量按下式計(jì)算：式中——幫助加熱器的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，W;——設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，=209350W；——熱水密度，近似取1㎏/L；——有效貯熱容積系數(shù)，0.75；T——設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間，4h——熱水溫度，45℃；——冷水溫度，15℃；則=150473.125W電加熱的效率按95%考慮，則電加熱的加熱量為162512.45/0.95=158392.76W。保險(xiǎn)取160000W3.4掌握器溫差掌握器太陽能熱水系統(tǒng)的總預(yù)算4.1太陽能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量式中——太陽能集熱器系統(tǒng)供應(yīng)的有用熱量，MJ;Ac——直接系統(tǒng)集熱器采光面積，70㎡；——太陽能集熱器傾角表面上的年太陽輻照量6281.99MJ/㎡；——太陽能集熱器的全日集熱效率57%?！艿兰百A水箱的熱損失率0.25；則=187988.55MJ取電加熱設(shè)備的效率為95%，太陽能熱水器的年節(jié)能量式中——太陽能熱水器的年節(jié)能量，MJ；——幫助熱源系統(tǒng)的工作效率，0.95；——系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)年我國單位供電煤耗，349g/（kW·h）；則=562233.74MJ4.2壽命期內(nèi)太陽能熱器系統(tǒng)的總節(jié)省費(fèi)用式中SAV——系統(tǒng)壽命期內(nèi)總節(jié)省費(fèi)用，元；PI——折現(xiàn)系數(shù)；d——五年以上銀行貸款利率6.55%年執(zhí)行）；e——年燃燒價(jià)格上漲率，按1%考慮；n——分析節(jié)省費(fèi)用的年限，取15年；取PI=9.941——常規(guī)能源熱價(jià)，電加熱效率取95%，則熱價(jià)為0.14元/MJAd——太陽能熱水系統(tǒng)總增加投資，10萬；DJ——維修費(fèi)用占總增加投資的百分比，一般取1%；——依據(jù)計(jì)算得197882.68MJ15年內(nèi)節(jié)省燃料費(fèi)用SAV=16.546萬4.3回收年限系統(tǒng)回收年限為系統(tǒng)節(jié)省的總費(fèi)用等于系統(tǒng)投資的年限為回收年限此時(shí)折現(xiàn)系數(shù)3.74回收年限4.35年太陽能熱水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬5.1熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及部件裝配5.2部件參數(shù)1、天氣數(shù)據(jù)參數(shù)1DataReaderMode2-3Skymodelfordiffuseradiation4-4Trackingmode1-輸入1Groundreflectance0.2-2Slopeofsurface40degrees3Azimuthofsurface0.0degrees2、集熱器參數(shù)1Numberinseries35-2Collectorarea70m^23Fluidspecificheat4.190KJ/kg.K4Efficiencymode1-5Testedflowrate40.0kg/hr.m^26Interceptefficiency0.80-7Efficiencyslope13.0KJ/hr.m^2.K8Efficiencycurvature0.05KJ/hr.m^2.K^29Opticalmode22-101st-orderIAM0.2-112nd-orderIAM0-輸入1Inlettemperature20℃2Inletflowrate1000㎏/hr3Ambienttemperature15℃9Collectorslope40degrees3、水泵參數(shù)1Ratedflowrate600㎏/hr3Ratedpower1000KJ/㎏.K輸入1Inletfluidtemperature15.0℃2Inletfluidflowrate500㎏/hr4、溫差掌握器參數(shù)2Highlimitcut-out100℃輸入1UpperinputtemperatureTh100.0℃2LowerinputtemperatureTl15.0℃3MonitoringtemperatureTin45.0℃5UpperdeadbandDT10.0Temp.Difference6LowerdeadbandT2.0Temp.Difference水箱參數(shù)2Tankvolume9?5Tanklosscoefficient(-)-3.0KJ/hr.m^2.K6Heightofnode-10.05m7Heightofnode-20.05m8Heightofnode-30.05m9Heightofnode-40.05m10Heightofnode-50.05m11Heightofnode-60.05m12Auxiliaryheatermode1-13Nodecontainingheatingelement11-14Nodecontainingthermostat11-15Setpointtemperatureforelement145.0℃16Deadbandforheatingelement15.0delta℃17Maximumheatingrateofelement1160000w25Boilingpoint100℃輸入5Environmenttemperature15.0℃調(diào)節(jié)閥輸入1Inlettemperature15.0℃3Heatsourcetemperature55.0℃4Setpointtemperature45℃T型閥輸入1Temperatureatinlet120.0℃2Flowrateatinlet1100.0㎏/hr3Temperatureatinlet220.0℃4Flowrateatinlet2100.0㎏/hrWaterdraw參數(shù)1Initialvalueoftime0hr2Initialvalueoffunction0㎏/hr3Timeatpoint-16hr4Waterdrawatpoint-10㎏/hr5Timeatpoint-26hr6Waterdrawatpoint-2500㎏/hr7Timeatpoint-322hr8Waterdrawatpoint-3500㎏/hr9Timeatpoint-422hr10Waterdraw