槽式太阳能集热器与燃气锅炉联合供暖系统模拟研究

【摘要】：能源资源日益匮乏与生态环境急剧恶化已经成为人类社会可持续发展的严峻挑战，新能源与可再生能源的开发与应用将是解决能源与环境问题的关键措施。太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源，日益受到人们的广泛重视；特别是我国严寒及寒冷地区，太阳能采暖对减少常规能源消耗和缓解空气污染具有显著意义，将为地区的节能和环保工作做出重要贡献。 本文提出了一种槽式太阳能集热器与燃气锅炉相结合的新型供暖系统，解决了传统太阳能集热器在寒区应用时热损大、效率低、难防冻、易堵塞、易爆管等问题；本文以严寒地区为例对该新型供暖系统的运行特性进行详细的模拟研究，并通过各部件以及相关控制措施的优化实现系统最大的节能效益与经济效益。 首先，详细阐述了槽式太阳能集热器与燃气锅炉联合供暖系统的工作原理，以哈尔滨河柏小区某栋节能改造后的住宅建筑为例，对供暖系统各部件进行了计算选型，包括太阳能集热系统、建筑供暖系统以及各换热设备的详细设计与安装分析；同时，提出了多种运行模式和相应的控制策略，使系统运行更加合理。 其次，基于热力学基本定律以及相关数理知识，对系统各部件建立了准确的数学模型，利用MATLAB软件编程模拟分析了系统在哈尔滨典型气象年采暖季的运行特性。深入研究了建筑负荷与有效得热量关系、集热效率、系统太阳能保证率、蓄热水箱温度、各模式运行时间、系统供热量及其能耗与经济性等内容，对系统的整体运行性能进行了综合评估。 最后，从集热器面积、蓄热水箱容积、系统运行控制三个方面对系统进行了优化，进一步提升系统性能；经整体优化之后，系统的太阳能保证率得到明显提升，节能与经济效益更加显著。 本课题属于“十二五”国家科技支撑计划项目课题《典型气候区既有居住建筑绿色化改造技术研究与工程示范》（NO.2012BAJ06B02）的部分内容。 【关键词】：严寒地区 太阳能供暖 槽式太阳能集热器 燃气锅炉 模拟研究 系统优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU832
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题来源与背景及研究的目的和意义10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景10
• 1.1.3 课题研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 槽式太阳能集热器研究现状11-14
• 1.2.2 太阳能供热采暖研究现状14-16
• 1.3 本课题主要研究内容16-18
• 第2章 槽式太阳能集热器与燃气锅炉联合供暖系统设计18-37
• 2.1 系统工作原理18-19
• 2.2 建筑概况及室内外设计参数19-21
• 2.2.1 建筑概况19-21
• 2.2.2 室内外设计参数21
• 2.3 建筑供暖系统设计21-24
• 2.3.1 供暖末端确定21-22
• 2.3.2 设计供回水温度确定22-24
• 2.4 太阳能集热系统设计24-32
• 2.4.1 太阳能集热器选型24-26
• 2.4.2 槽式太阳能集热器面积26-27
• 2.4.3 槽式太阳能集热器安装27-32
• 2.5 蓄热水箱设计32-33
• 2.5.1 蓄热水箱容积确定32
• 2.5.2 蓄热水箱保温设计32-33
• 2.6 油-水板式换热器选型33-34
• 2.7 油泵以及水泵选型34
• 2.8 辅助热源确定34-35
• 2.9 系统运行模式及控制策略35-36
• 2.10 本章小结36-37
• 第3章 系统数学模型建立37-52
• 3.1 系统数学模型37-50
• 3.1.1 太阳辐射模型37-38
• 3.1.2 建筑负荷模型38-39
• 3.1.3 槽式太阳能集热器模型39-40
• 3.1.4 板式换热器模型40-43
• 3.1.5 蓄热水箱模型43-45
• 3.1.6 油路系统热损失模型45-47
• 3.1.7 散热器模型47
• 3.1.8 燃气锅炉模型47-48
• 3.1.9 控制模式48-50
• 3.2 本章小结50-52
• 第4章 系统运行特性模拟研究52-66
• 4.1 运行参数设置52-53
• 4.2 太阳辐射与建筑负荷53-57
• 4.2.1 太阳辐射强度53-54
• 4.2.2 热负荷及有效集热量54-57
• 4.2.3 太阳能保证率57
• 4.3 太阳能集热器性能分析57-60
• 4.3.1 集热器出口温度58-59
• 4.3.2 集热效率59-60
• 4.4 蓄热水箱温度60-61
• 4.5 各模式运行时间61-63
• 4.6 系统供热量分析63-64
• 4.7 能耗及运行费用分析64-65
• 4.8 本章小结65-66
• 第5章 系统优化分析66-85
• 5.1 集热器面积优化66-69
• 5.2 蓄热水箱优化69-74
• 5.2.1 蓄热水箱容积69-70
• 5.2.2 多级蓄热水箱70-74
• 5.3 控制措施优化74-82
• 5.3.1 温度优化74-77
• 5.3.2 流量优化77-82
• 5.4 系统整体优化运行结果分析82-84
• 5.5 本章小结84-85
• 结论85-87
• 参考文献87-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果92-94
• 致谢94

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