能量的梯级利用-张辉.doc

南 京 工 业 大 学
课 程 论 文

-----------能量的梯级利用

学生姓名： 张 辉
教师姓名： 张广丽

学院系 土木工程 学号 1801120631

2015年4月1日
1

南京工业大学 课程论文
能量的梯级利用
—太阳能利用与建筑结合技术探讨
【摘要】：太阳能是世界上最清洁、储备最丰富的能源。如果中国能在初见端倪的“绿色革命——太阳能利用”中拔得头筹，那么中国既能解决日益恶化的环境与能源问题，也能为世界经济的发展作出贡献，推动人类社会的重大进步。
能源合理利用的一种方式。不管是一次能源还是余能资源，均按其品位逐级加以利用。随着建筑总量的不断增加，使用的各种设备品种数量更多了，人们的舒适要求也比过去有所提高，因此，仅靠“节流”已无法满足降低建筑能耗的要求，开发新能源也成为必然的趋势，其中重要的途径之一就是利用太阳能这一古老而生生不息的能源。如今，开发利用太阳能已在各国寻求可持续发展的进程中得到了普遍的重视。
在看到我们所取得的这些成就的同时，我们也应该看到新能源发展过程中的不足。例如：太阳能电池产量非常高，但是原料和市场两头在外，我们还只是加工而已；风力发电遭遇并网难问题，发出的电被白白浪费；新能源资源丰富的地方，恰恰不是能源需求大的地方，而东部沿海大中城市这些耗能大户又不是风能、太阳能资源丰富地方。
新能源的发展和利用不是一蹴而就，在这过程中，我们应该建立起阶梯利用模式：化石为主，提高绿能，重视效率。
一、分布式能源供应
分布式能源是随着新能源应用发展起来的一种概念和技术。在国外也有多种称谓：：DE（Decentralized Energy），DER（Distributed Energy Resources），DG（Distributed Generation），DR（Distributed Resources）…….
国内将分布式能源供应定义为将能源系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户端来双向传输冷、热、电能的各种产品和技术。
分布式能源供应的主要特点是：
1)小型化；
2)模块化；
3)就地利用；
4)与高科技结合 ；
5) 拾遗补缺。
其优势在于：
1)发电就在用户端，提高能源利用率；
2)减少了输配电损失；
3)减少二氧化碳和其他污染物的排放；
4)减少用户能源成本。
分布式能源供应本身并不是一种全新的形式。之前大家都见到过的：太阳能热水器，小型柴油发电机等等。但分布式能源是在新型高效绿色的小型独立能源设备日益壮大时才应运而生。在兼具环保性和持续利用形式下，将天然气、风力发电、太阳能技术、生物质能发电和其他高科技结合在一起，实现资源、地域之间的互补。
分布式能源供应对于新能源的发展和应用有非常重大的意义。我们都知道，目前新能源应用中，间歇性和不稳定是最大的问题。无论是风能还是太阳能，都不能满足我们正常的需要。非常多的新能源设备由于种种原因被闲置，被“离网”。如果我们能够大力的推广分布式能源供应的理念，促进分布式技术的发展，这样就可以有效的缓解新能源本身具有的局限性，将间歇性，不稳定的风能，光能转换为可以被正常应用的热能，电能，使得新能源真正的被我们利用起来，而不只是建造一些风机，太阳能电池板看看而已。
分布式能源供应很像我们的国际互联网（Internet），整个系统由大大小小的节点组成，每个节点都是平等的，互补的。将此与现有的电网连接，使得无论哪个节点出现问题，都不会影响整个系统的运行。从这一点来看，分布式能源不仅仅有助于新能源的应用，还有利于我们国家能源安全。
2 　基于平衡原理的能量梯级利用：
2.1方案简述：
以下述系统为例,在蒸汽动力循环中,将从汽轮机中抽出的工业蒸汽首先引入BN0. 520. 88型汽轮机,做功驱动锅炉给水泵,用作除氧器的热源;在供热热网循环水系统中,将工业蒸汽首先引入BN0. 520. 88型工业汽轮机,汽轮机作功带动热网的循环水泵,排汽作为基本热网加热器的汽源,节约电动循环泵消耗的电能。工艺流程如图1所示。

图1　工艺流程图
2.2 　分析模型的建立
该系统主要由锅炉、汽轮机、冷凝器、凝结水泵、除氧器、工业汽轮机、给水泵等组成。蒸汽动力循环可以分为锅炉和水蒸汽循环两部分。
2.2.1　蒸汽动力循环锅炉
将锅炉内能量转换过程分为绝热燃烧和传热两分离的子过程,即认为燃料先在绝热条件下燃烧,将化学能全部转化为烟气的热能,使烟气达到绝热燃烧温度Tad ,然后再由此高温烟气对水加热,使之汽化并达到过热状态。
(1) 绝热燃烧过程的损失
πb1 = mf ex, f +ma ex, a - me ex, e ( ad) (1)
由于前已假设空气在T0 下进入锅炉,所以ex, a = 0,式(1)可改写成
πb1 = mf ex, f - me ex, e ( ad) (2)
式中　mf ex, f ———单位质量蒸汽时燃料提供化学;
me ex, e (ad) ———绝热燃烧温度下烟气的焓。
(3)
(2) 排烟损失炉内烟气可视为定压,故
(4)
(3) 传热损失
πb3 = me ( ex, e ( ad) - ex, e ) - ( ex, 1 - ex4 ) (5)
整个锅炉的平衡方程式:
mf ex, f = ( ex1 - ex4 ) +πb1 +πb2 +πb3 (6)
则锅炉效率:
(7)
锅炉效率与热效率间的关系可表示为:
(8)
2.2.2　蒸汽动力循环
能量方程式:
mf ·( - ΔHlf ) = wnet +me [ he ( te ) - he ( t0 ) ] + q23(9)
整个装置效率:
(10)
平衡式:
mf ex, f = wnet +πb1 +πb2 +πb3 +πT + ( ex2 - ex3 )(11)
经整理后,式(11)还可写成
(12)
2.2.3　热网加热循环水系统
本项目在供热热网循环水系统上的应用,是利用汽机抽汽驱动工业小汽轮机,小汽轮机拖动热网循环泵做功,蒸汽引入热网加热器实现蒸汽能量的梯级利用,节约电动循环泵消耗的电能。该厂承担某市集中供热任务,热网循环水除部分由热水锅炉提供外,主要由基本热网加热器进行汽水换热。加热器汽源为0. 98 MPa (绝对压力)的工业蒸汽,经阀门节流为0. 2～0. 3 MPa后进入换热器,汽源节流损失高达0. 78 MPa。热网循环水泵为5台250R262型电动泵,循环水进行量调节时,靠循环水泵台数的变化进行宏观调节和阀门的节流进行微观调节,造成水泵的节流损失。
2.3 　分析各项损失:
2.3.1　热力循环的热力学分析
针对该热力系统建立上述分析模型,进行计算,则热力系统中的各项损失汇总于表1。
表1　损列表 图2　蒸汽动力循环装置的流程及其T2s图

2.3.2　基本热网的热力学分析
忽略过程中的传热、动能及势能的变化量时,实际轴功为:
Ws = h2 - h1 = 2 865 - 3 054 = 189 kJ /kg(蒸汽)
理想轴功:
Wide = T0ΔS - Δh = 232. 806 kJ /kg(蒸汽)
其损失系数：
ξe= 1 - ηe = 18. 82%
其损失:
E1 =ξe ×Wide = 18. 82% ×232. 806 =43. 814 kJ /kg
节流前后损失:
T0 ( s2 - s1 ) = 69. 344 6 kJ /kg
在实际热力过程中,由于存在技术上或经济上不可逆因素,一定存在损失,本文建立的热电联产分析模型计算表明,改进后的系统的效率得到了提高,同时,节约了厂用电量,对于热电联产的改进具有较大的指导作用。
3太阳能建筑技术

　　3.1太阳能建筑可分为主动式和被动式两个类型。利用机械装置收集和储存太阳能,并在需要时向房间提供热能的建筑,被称为主动式太阳能建筑;根据当地气候条件,在很少使用机械设备条件下,通过建筑物布局,构造处理,选择性能好的热工材料,使建筑物本身能够吸收和储存太阳能量,从而达到采暖, 空调,供热水的建筑物,称为被动式太阳能建筑。
　　3.2太阳能建筑的平面布置应尽量将长边作为南北方向。使集热面处于正南方向正负30ο以内。并根据当地的气象条件及所处位置,做出恰当调整,以达到最佳的阳光照射效果。集热和蓄热墙间接受的热是被动式太阳能建筑的一种形式。它充分利用南方向太阳辐射热大的特点,在南向墙面上加设一层透光外罩,使透光外罩与墙体之间形成一道空气层。为了使透光外罩内最大限度得到太阳照射,在空气夹层内壁表面涂上吸热材料。当太阳照射的时候加热了空气夹层内的空气和墙体,这时吸收到的热量分为两部分。一部分气体加热后利用温差压形成气流,通过与室内相连的上,下通风口,与室内空气进行循环对流,从而使室内温度上升;另一部分热量使墙体受热后,利用墙体的蓄热能力贮存热量,当夜晚到后气温降低时墙体蓄存热向室内释放,从而达到昼夜温度适宜的程度。
　　当夏季高温到来时,将透光外罩内的空气层与室外连接的通风口开启,与室内连接的通风口关闭。室外通风口上部通向大气,下部通风口最好处于与周围空气温度低的位置连接,如晒不上太阳阴凉处或地下空间。这样当空气层的温度加热后,气流迅速向上部通风口处流动,将热空气排向室外,随着空气的不停流动,通过下部通风口的凉空气进入空气层,这时空气层内的温度低于室外温度,室内热气通过墙体向空气层散热,从而达到夏季降低室温的作用。
　　3.3从被动式工作原理可以看出,材料性能在太阳能建筑中占有重要的位置。透光材料传统使用的是玻璃,透光率一般达到65～85%之间,而现在使用的采光板,透光率达到92%。蓄热用材料:采用一定厚度的墙体,或改变墙的材质,如采取水墙做蓄热体以增加墙体的蓄热量。另外设置贮热间也是一种蓄热方法,贮热间的传统作法是,将卵石堆放在贮热间内,热空气流过贮热间时加热卵石,进入夜晚或是阴雨天,可将卵石散出的热量再输送到室内。由于被动式太阳能建筑简单易行,太阳能建筑得到广泛采用,如多层建筑,通信台站,民宅等。现在高层建筑也采用这一原理:将玻璃幕墙分层设置,在外墙楼板上下联接处设可控式进出通风口,这样既采用了太阳能又美化了建筑立面,是太阳能技术的具体体现。
主动式太阳能建筑就是利用机械设备,将收集到的热能输送到各个房间。这样就可以扩大太阳能的吸收面,如屋顶,坡面及院落等处凡是太阳光照射强的地方,都可以作为太阳能的吸收面。同时还可以在需要的地方设置贮热间。这样把采暖系统,热水供应系统组合成一体,应用有效的热能控制设备,使太阳能利用更加合理。
　　3.4主动式太阳能采暖系统的运行过程是:该系统装有两台风机,一台是太阳能集热器风机,另一台为供热风机。当依靠太阳辐射直接采暖时两台风机同时运行,使房间里的空气直接进入太阳能集热器。然后再回到房间,如阴雨天时间较长热量较低时采用辅助加热,此时贮热间不工作。热空气系统使用电动风门控制气流,当直接采暖时空气控制器中两个电动风门转向使空气流入房间位置。在太阳能集热器出口处设热水盘管可以使房间的热水供应系统与太阳能采暖系统成为一体。
　　3.5当太阳能集热器收集到的热量超过房间的需要时,集热器风机开动而采暖机风机停止。通向房间的电动机门关闭。从太阳能集热器出来的热空气向下流向贮热间的卵石层,把热量贮存在卵石里,直至卵石层全部被加热,使贮热间蓄热达到饱和状态。进入夜晚没有太阳辐射时,就要从贮热间里取热。此时关闭空气控制器中第一个电动风门,打开第二个电动风门,启动供暖风机,使室内的空气循环由下向上通过贮热间卵石层加热,再返回到供暖调节系统。当贮热间有充足的热量时,进入空气调节器的空气温度只比从太阳能集热器直接出来的气温低一些。这一循环过程将持续到贮热间卵石层的热量差不放完。然后若是设有附助加热器时,要启动附助加热器。如果贮热间蓄热达到饱和状态或者夏季无采暖要求时,太阳能集热器仍然工作,用于加热使用热水供给系统。
　　太阳能建筑种类较多,工作原理基本相似。有的建筑以水为媒介进行热交换。这样系统内的所有设备在同样热效应下,体积减小同时还可以与其它能源共同使用一个热水系统。这是用水做媒介的最大优点。另一种能源是利用地热做热源,工作过程是将地下水热量提取后,通过采暖系统将热量送到房间,制冷时反向运行,工作原理如同空调机组。其不足是机组连续工作时间较长时,热量可能供应不足。因此在地热资源丰富地方比较适用。

4总结
太阳能的利用应该在生活中广泛的利用 可以得出以下结论:
(1)能和新能源中最佳选择仍然是太阳能,而节能和太阳能的应用对建筑物的外观有一些影响,为此在建筑物设计中,处理好建筑物立面,屋顶收集热源的外观构造,不仅关系到热效率,同时也是关系到建筑物的整体效果。
(2) 能量梯级利用原理从能量品位合理匹配的角度出发, 有效降低得了不可逆过程的能量贬值。
(3) 冷源损失的利用一直是热电联产事业亟待解决的问题, 能量梯级利用原理应用于供热机组, 本着温度对口, 减小换热温差的原则, 合理利用了供热抽汽, 使机组在供热能力不变的前提下多发电, 在环保和经济上的意义都是巨大的。

1)
附录一：中国风能分区及占全国面积的百分比

附录二：中国太阳能资源分布表
地区
类型
年日照时数（h/a）
年辐射总量（MJ/m2·a）
等量热量所
需标准燃煤
（kg）
包括的主要地区
备注
一类
3200-3300
6680-8400
225～285kg
宁夏北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部，西藏西部
太阳能资源最丰富地区
二类
3000-3200
5852-6680
200～225kg
河北西北部，山西北部，内蒙南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部
较丰富地区
三类
2200-3000
5016-5852
170-200㎏
山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部
中等地区
四类
1400-2000
4180-5016
140-170㎏
湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，安徽南部
较差地区
五类
1000-1400
3344-4180
115-140㎏
四川大部分地区，贵州
最差地区

附录三：澳大利亚城市风电

附录四：加州里士满的SunPower公司楼顶的太阳能电池板

参考文献:
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