太阳能热利用原理.doc

新能源科学与工程学院
太阳能热利用原理与计算机模拟课程设计

学 院： 新能源科学与工程学院
专业班级： 太阳能光热技术及应用
学生姓名： 周杰
学 号： 1103040028
指导教师： 黎艳兵
实施时间： 2013.11.18—2013.11.22
项目课程成绩：

姓名 周杰 课程设计成绩

评语：

指导教师（签名）
摘 要
我国拥有全球最大的太阳能热水器（系统）生产能力，也是全球最大的太阳能热水器系统的应用市场。本文对北京某个小区进行设计，并太阳能集热器的使用进行了计算，去模拟，得出节能分析，合理的价格，对太阳能集热器的应用进行了，科学计算对其计算结果，做出合理的分析合理的解释。

目录
一、数据参数
1、工程概括..........................................................................................5
2、参数设计..........................................................................................5
二、集热器参数计算
1、热水系统负荷计算.....................................6
2、集热器采光面积.......................................7
3、设备选型.............................................8
4、系统节能效益分析.....................................10
三、部件参数
1、天气参数............................................13
2、集热器数据..........................................13
3、水泵参数........................................................................................14
4、温差控制器..........................................14
5、 水箱................................................15
6、调节阀..............................................16
7、T型阀...............................................16
8、Water draw..........................................16
9、绘图................................................17
四、图像
1、水泵消耗的电能.............................................................................18
2、集热器的有用能...............................................................................18
3、用水温度.............................................19
4、辅助加热消耗的能源......................................................................19
一、数据参数
1、工程概括
（1）北京某小区，北纬39°48′，东经117°；内有200人。
（2）供热水时间6点到22点，热水温度45℃，冷水温度15℃，每人每天用水量40L。
2、参数设计
（1）气象参数
年太阳辐照量：水平面5570.481MJ/㎡,40°倾角表面6281.993MJ/㎡
年平均日太阳辐照量：水平面，15.252MJ/㎡,40°倾角表面17.217MJ/㎡
年日照时数：2755.5h，年平均温度：11.5℃
年太阳辐照量：水平面5570.481MJ/㎡,40°倾角表面6281.993MJ/㎡
年平均日太阳辐照量：水平面，15.252MJ/㎡,40°倾角表面17.217MJ/㎡
年日照时数：2755.5h，年平均温度：11.5℃
（2）热水参数设计
日最高用水定额：100L/(人·d）
日平均用水定额：40L/（人·d）
设计热水温度：45℃
设计冷水温度：15℃
二、集热器参数计算
1、热水系统负荷计算
（1）总用水人数200人
（2）系统设计日用热水量

式中 ——设计日用水量，L/d;
——最高日热水用水定额，100L/（人·d）；
m——用水计算单位数，200人。
则 20000L/d
系统平均日用热水量

——平均日用热水量，L/d；
——日平均用水定额，40L/d；
——用水计算单位数，200人。
则 =8000L/d
设计小时耗热量计算

——设计小时耗热量，;
——用水人数，200人；
——最高日热水用水定额人；
——水的比热容，℃；
——热水温度，45℃；
——冷水温度，15℃，地下水温度；
——热水密度，近似取；
——小时变化系数，4.8；
——每日使用时间，24h；
即 139567W
2、集热器采光面积
（1）
——直接系统集热器采光面积，㎡；
——平均日用水量，8000L/d;
c ——水的比热容，4.187kJ/(㎏·℃）；
——热水密度，近似取1㎏/L；
——贮水箱内水的终止温度，45℃；
——冷水温度，15℃；
——年平均集热器倾角表面年平均日辐照量17217kJ/㎡；
——太阳能保证率， =0.5；
——管道及贮水箱的热损失率，0.2；
——太阳能集热器的全日集热效率。
（2）归一化温差

式中 ——集热器入口温度, ；
——北京年平均日室外空气温度，15℃；
——年平均日太阳辐照度，W/㎡;

——年平均每日的日照小时数，7.5h;
即：G=638W/㎡
则归一化温差X=0.0078㎡·℃/W；
即计算出集热器面积Ac=67.5㎡，由于集热器每块面积是2㎡，则集热器面积应为68㎡；
3、设备选型
（1）集热器的选取
集热器面积：2
集热器的使用寿命：15年；
集热器品牌：LMDK-平板太阳能集热器；
集热器价格：1500元
集热器连接方式：串联
集热器基本参数
瞬时效率：0.7
玻璃透射率：>92%
热功率：1500W
热损系数：3.0%
水箱体积：250L
外形尺寸：2015×1015×80
吸收率：95%，发射率：5%
（2）贮热水箱
按每平方米太阳能集热器采光面积对应75L贮热水箱容积确定：水箱的有效容积
水箱使用寿命：15年
辅助热源为电加热，按容积式换热器考虑。其贮热量应保证系统用户90min设计小时耗热量计算，即
=

辅助加热量：
——辅助加热器的设计小时工热量，;
——设计小时耗热量，139567;
——热水密度，近似取；
——有效贮热容积系数，0.85
——设计小时耗热量持续时间，4h；
——热水温度，45℃；
——冷水温度，15℃。
即 95082.25
电加热的效率按95%考虑，则电加热的加热量为95082.25/0.95=100086.58
辅助热源价格：电价0.49元/
（3）水泵：热水系统循环泵
热水系统的循环流量为，水泵扬程考虑循环水量通过配水管个会水管的水头损失，计算得：。
水泵寿命：15年
水泵品牌：威乐热水循环泵PH-1500Q(380v/50h)
水泵价格：2000元
（3） 控制器：温差控制器
控制器品牌：温差控制器 LC-215B+
电源电压及功耗：220VAC/50Hz;功率损耗:220VAC<4W
温度测量范围：-20℃~+140℃;
温差控制器寿命：15年
价格：1000元
（4） 水管：PPR管
4、系统节能效益分析
太阳热水系统总增加投资6万元。
（1） 太阳能系统的年节能量

——太阳能集热系统提供的有用热量，；
——间接系统的太阳能集热器面积，39；

——间接系统集热器总面积，；
——直接系统集热器总面积，；
——集热器总热损系数，4.2℃
——换热器传热系数，2500℃
——间接系统换热器换热面积，1.5
=74
——太阳能集热器采光表面上的年太阳辐照量，5964.229MJ/；
——太阳能集热器的全日集热效率，0.62；
——管路和水箱的热损失率，0.25
即 =205230MJ
去电加热设备的效率为95%，太阳能热水系统的年节能量

——太阳能热水系统的年节能量，MJ；
——辅助热源系统的工作效率，0.95；
——我过单位供电煤耗，；
即 613801MJ
(2) 寿命期内太阳能热水系统的总节能费用

SAC——系统寿命期能总节省费用，元：
PI——折现系数；
d——5年以上银行贷款利率5.94%
e——年燃料价格上涨率，1%
N————分析节省费用年限，15年
PI=10.353
——常规能源热价，效率95%热价0.14元/MJ
——太阳能热水系统总增加投资，6.0万元
DJ——维修费用占总增加投资1%
——174396MJ
15年内节省 SAV=10.8万元

三、部件参数
1、天气参数
Parameter
1
Data Reader Mode
2
-
3
Sky model for diffuse radiation
4
-
4
Tracking mode
1
-
Input
1
Ground reflectance
0.3
-
2
Slope of surface
40
degrees
3
Azimuth of surface
0.0
degrees
2、集热器数据
Parameter
1
Number in series
10
-
2
Collector area
68
m^2
3
Fluid specific heat
4.190
KJ/kg.K
4
Efficiency mode
1
-
5
Tested flow rate
40.0
kg/hr.m^2
6
Intercept efficiency
0.80
-
7
Efficiency slope
13.0
KJ/hr.m^2.K
8
Efficiency curvature
0.05
KJ/hr.m^2.K^2
9
Optical mode 2
2
-
10
1st-order IAM
0.2
-
11
2nd-order IAM
0
-
Input
1
Inlet temperature
15.0
C
2
Inlet flow rate
500
㎏/hr
3
Ambient temperature
15
C
3、水泵参数
Parameter
1
Rated flow rate
500
㎏/hr
3
Rated power
1000
KJ/㎏.K
Input
1
Inlet fluid temperature
15.0
℃
2
Inlet fluid flow rate
500
㎏/hr
4、温差控制器
Parameter
2
High limit cut-out
100.0
℃
1
Upper input temperature Th
20.0
℃
Input
2
Lower input temperature Tl
15.0
℃
3
Monitoring temperature Tin
20.0
℃
5
Upper dead band DT
10.0
Temp.Difference
6
Lower dead band T
2.0
Temp.Difference
6、 水箱
Parameter
2
Tank volume
6
㎥
5
Tank loss coefficient (-)
-3.0
KJ/hr.m^2.K
6
Height of node-1
0.6
m
7
Height of node-2
0.6
m
8
Height of node-3
0.6
m
9
Height of node-4
0.6
m
10
Height of node-5
0.6
m
11
Height of node-6
0.6
m
12
Auxiliary heater mode
1
-
13
Node containing heating element 1
1
-
14
Node containing thermostat 1
1
-
15
Set point temperature for element 1
45.0
℃
16
Dead band for heating element 1
5.0
delta℃
17
Maximum heating rate of element 1
9000
KJ/hr
25
Boiling point
100
℃
Input
5
Environment temperature
15.0
℃
6、调节阀
Input
1
Inlet temperature
20.0
℃
2
Inlet flow rate
500
㎏/hr
3
Heat source temperature
55.0
℃
4
Set point temperature
45
℃
7、T型阀
Input
1
Temperature at inlet 1
50
℃
2
Flow rate at inlet 1
500
㎏/hr
3
Temperature at inlet 2
50
℃
4
Flow rate at inlet 2
500
㎏/hr
8、Water draw
Parameter
1
Initial value of time
0
hr
2
Initial value of function
0.0
㎏/hr
3
Time at point-1
6
hr
4
Water draw at point -1
0.0
㎏/hr
5
Time at point-2
6
hr
6
Water draw at point -2
500
㎏/hr
7
Time at point-3
22
hr
8
Water draw at point -3
500
㎏/hr
9
Time at point-4
22
hr
10
Water draw at point -4
2.5
㎏/hr
9、绘图
Parameter
1
Nb. of left-axis variables
2
-
2
Nb. of right-axis variables
2
-
3
Left axis minimum
0.0
-
4
Left axis maximum
150.0
-
5
Right axis minimum
0.0
-
6
Right axis maximum
1000.0
-
Input
1
Left axis variable-1
Outlet
any
2
Left axis variable-2
Outlet
any
3
Right axis variable-1
total
any
4
Right axis variable-2
Outlet
any

四、 绘图

1、水泵消耗的电能

2、集热器的有用能

3、用水温度

4、辅助加热消耗的能源

参考文献；
1、 民用太阳能技术。呼和浩特，内蒙古人民出版社，1984
2、 中国建筑用标准气象数据库。北京，机械工业出版社，2004
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