太阳能热水系统关键设计参数研究

【摘要】：能源短缺、环境污染与气候变暖已成为制约我国经济社会可持续发展的主要矛盾,以太阳能为代表的新能源的开发与利用受到越来越多的关注。目前,与太阳能热水工程设计相关的一些关键设计参数存在一定的缺陷与不足。论文结合四川省工程建设地方标准《民用建筑太阳能热水系统评价标准》的制订,吸收国内外相关的科研成果及工程实践经验,对相关的设计参数进行研究和优化。研究成果对于发挥太阳能热水系统优势、减少辅助能源消耗、提高系统经济性与可靠性具有重要的现实意义。首先,采用动态理论计算方法,建立了太阳能热水系统简化计算模型,并利用TRNSYS验证简化模型的准确性。其次,利用简化计算模型,采用单一变量原则分析集热器面积、水箱容积、集热循环泵流量对集热器最佳倾角变化规律的影响,集热器面积相对于另外两个因素对倾角的变化影响较大。在此基础上通过合理的年太阳能保证率确定集热器面积,以年辅热量最小原则确定与集热器面积匹配的最佳倾角,以太阳辐射与热水负荷季节性差异明显的三地为例进行模拟计算。结果表明,对集热与供热分时段运行的热水系统,太阳辐射与热水负荷的季节性差异是集热器面积与最佳倾角的决定性因素；当太阳辐射与热水负荷变化趋势相反,最佳倾角随集热器面积增大而增大；当太阳辐射与热水负荷变化趋势相近,最佳倾角基本不变。另外,基于TRNSYS建立了双水箱太阳能辅助燃气锅炉热水系统仿真模型,结合用水特点提出了相应的控制策略,使其能满足用户末端的用水需求。通过仿真模型,对热水系统的泵流量、锅炉功率、集热器倾角等主要设计参数进行组合优化,对设计参数变化影响系统运行工况的原因进行分析。结果表明：当集热器面积一定时,集热循环泵的最佳流量随双水箱容积增大而减小；当双水箱容积一定时,集热循环泵的最佳流量随集热器面积增大而增大；无论何种模式,负荷侧循环泵的最佳流量均保持不变；选择合适额定功率的辅热锅炉能同时满足经济性与用水可靠性；相对于双水箱容积,集热器面积对太阳能保证率的影响更大；与简化模型类似,特定地区的集热器的最佳倾角仍有随集热器面积增加而增大的趋势；确定了双水箱的最佳容积配比。最后,为了更全面、科学地选择太阳能保证率,综合考虑经济、能效、环保、安全与维护、用水可靠性等因素,建立多层次结构评价模型。采用综合集成的思想,利用基于灰色关联分析的TOPSIS排序法,以相对贴近度最小为评价标准,对太阳能保证率进行方案选优,并给出了计算实例。该模型可为实际工程的设计与评价提供新的方法和途径。 【关键词】：太阳能热水系统 设计参数 模拟仿真 优化
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU822;TU18
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.1.1 研究背景13
• 1.1.2 研究意义13-14
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题14-20
• 1.2.1 集热器最佳倾角研究现状14-16
• 1.2.2 太阳能热水系统参数优化研究现状16-18
• 1.2.3 最优太阳能保证率研究现状18-19
• 1.2.4 存在的问题19-20
• 1.3 本论文的研究内容及方法20-21
• 1.3.1 主要研究内容20
• 1.3.2 研究方法20-21
• 1.4 本章小结21-22
• 第2章 太阳能热水系统简化计算模型22-46
• 2.1 简化太阳能热水系统22-24
• 2.1.1 系统原理22-23
• 2.1.2 系统运行模式23
• 2.1.3 系统控制方式23-24
• 2.2 太阳辐射计算数学模型24-27
• 2.2.1 太阳辐射基础24-26
• 2.2.2 倾斜面上的太阳辐射26-27
• 2.3 太阳能集热系统数学模型27-34
• 2.3.1 平板太阳能集热器的能量平衡方程27-28
• 2.3.2 盖板-吸热板的透射-吸收率有效乘积28-30
• 2.3.3 平板集热器的总热损系数30-31
• 2.3.4 平板集热器的性能31-33
• 2.3.5 集热器串并联组合后的性能33-34
• 2.4 热水负荷数学模型34-35
• 2.5 贮热水箱数学模型35-37
• 2.5.1 贮热水箱的逐时水温35-36
• 2.5.2 贮热水箱与集热系统间的热水循环36
• 2.5.3 贮热水箱的容积36-37
• 2.6 太阳能热水系统的主要性能37-39
• 2.6.1 辅助耗热量37
• 2.6.2 集热系统效率37-38
• 2.6.3 太阳能保证率38-39
• 2.7 系统计算程序的创建39-45
• 2.7.1 计算程序流程图39-42
• 2.7.2 程序与TRNSYS软件的对比验证42-45
• 2.8 本章小结45-46
• 第3章 基于简化模型的集热器面积与倾角的组合优化46-65
• 3.1 最佳倾角的确定原则46-50
• 3.1.1 纬度原则46-47
• 3.1.2 太阳辐照量最大原则47-48
• 3.1.3 辅助耗热量最小原则48-50
• 3.2 变参数系统最佳倾角的变化规律50-54
• 3.2.1 定面积定流量变容积50-52
• 3.2.2 定面积定容积变流量52-53
• 3.2.3 定容积定流量变面积53-54
• 3.3 集热器面积与倾角的组合优化54-63
• 3.3.1 模拟对象简介54-55
• 3.3.2 组合优化方案比较55-57
• 3.3.3 组合优化方案下的系统性能57-63
• 3.3.4 集热器面积与倾角的影响因素63
• 3.4 本章小结63-65
• 第4章 基于TRNSYS的双水箱太阳能热水系统仿真65-88
• 4.1 TRNSYS仿真标准部件65-74
• 4.1.1 气象参数65-66
• 4.1.2 太阳能集热器66-67
• 4.1.3 分层水箱67-69
• 4.1.4 定频水泵69-70
• 4.1.5 阀门70-72
• 4.1.6 锅炉72-73
• 4.1.7 温度(差)控制器73-74
• 4.1.8 热水负荷74
• 4.2 双水箱太阳能热水系统74-80
• 4.2.1 系统原理74-75
• 4.2.2 系统运行模式75-76
• 4.2.3 系统控制方式76-80
• 4.3 系统模拟运行特性80-87
• 4.3.1 输入参数设置81
• 4.3.2 典型日模拟结果81-86
• 4.3.3 典型年模拟结果86-87
• 4.4 本章小结87-88
• 第5章 双水箱太阳能热水系统的优化模拟88-98
• 5.1 优化模拟参数88-89
• 5.2 定集热器面积系统优化分析89-92
• 5.2.1 循环泵流量优化分析89-91
• 5.2.2 锅炉额定功率优化分析91
• 5.2.3 集热器倾角优化分析91-92
• 5.2.4 双水箱容积比较分析92
• 5.3 定水箱容积系统优化分析92-97
• 5.3.1 循环泵流量优化分析93-94
• 5.3.2 锅炉额定功率优化分析94-95
• 5.3.3 集热器倾角优化分析95-96
• 5.3.4 集热器面积比较分析96-97
• 5.4 集热器面积与双水箱容积的组合优化97
• 5.5 本章小结97-98
• 第6章 基于灰色关联改进TOPSIS法的最优太阳能保证率98-113
• 6.1 评价模型的理论基础与方法98-105
• 6.1.1 综合评价方法98-99
• 6.1.2 经典TOPSIS法99-100
• 6.1.3 灰色关联度分析法100-101
• 6.1.4 熵权决策法101-102
• 6.1.5 基于灰色关联系数改进的TOPSIS法102-105
• 6.2 最优太阳能保证率评价模型105-109
• 6.2.1 评价指标体系的建立原则105
• 6.2.2 评价指标的选取与分析105-108
• 6.2.3 评价模型的建立108-109
• 6.3 案例分析109-111
• 6.3.1 基准案例模型的选取109-110
• 6.3.2 双水箱太阳能热水系统的最优保证率110-111
• 6.4 本章小结111-113
• 结论与展望113-115
• 致谢115-116
• 参考文献116-122
• 附录1 定集热器面积的双水箱系统优化计算结果(A_c=120m~2)122-128
• 附录2 定水箱容积的双水箱系统优化计算结果(V_s=V_H=7.2m~3)128-134
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目134

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