太阳能与采暖联合运行系统的研究

【摘要】：太阳能作为一种能源和动力进行应用，已有300多年历史，但在上个世纪70年代以前，太阳能技术的发展比较缓慢，利用范围有限。而70年代初，世界上出现了开发利用太阳能的热潮，研究领域不断扩大，出现了真空集热管、非晶硅太阳电池、太阳能发电等等一批新成果，太阳能热水器、太阳电池等产品开始实现商业化，但规模比较小，经济效益不理想。 太阳能开发利用经历的时间比较长，主要原因是因为太阳能的开发利用难度较大。 由于大量燃烧不可再生能源，造成了全球性的环境污染和生态环境的破坏，对人类的生存和发展构成威胁。一九九二年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，通过了《里约热内卢环境与发展宣言》等一系列重要文件，把环境和发展纳入一个统一的框架，确立了可持续发展的模式，世界各国加强了清洁能源技术的发展。 太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的新型清洁能源，它的开发利用越来越受到世界范围的广泛关注，太阳能与环境结合起来，使太阳能的利用迎来了一个新的发展阶段。我国也相应制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能为重点发展项目。 目前在太阳能的应用中，太阳能热水供应应用的最为普遍，其系统形 WP=49 式主要有：家用太阳能热水器、集中式太阳能热水供应、太阳能开水供应等。 集中式太阳能热水供应系统在运行时需要补充热源，目前补充热源主要是以燃油炉或燃气炉为主，也有用电进行加热的。这几种补充热源，具有系统初投资大，设备闲置时间长等缺点。我国大部分地区冬季需要采暖，将采暖系统的回水作为太阳能系统的补充热源，接至太阳能系统的储热水箱中，这样两个系统可以联合运行，见图1。 采暖热媒的设计温度一般为95~70℃。实际运行时，随着室外气温的变化，供水温度会发生改变，相应的回水温度也在发生变化，对于与外网直接连接的一般散热器热水采暖系统，进行质调节时，管网的回水温度可按下式计算 WP=50 （1） 式中th′为任一室外气温下，供热管网的供、回水温度，℃；tg、th为设计条件下的供、回水温度，℃；tn为冬季室内计算温度，℃；tw为冬季室外空气温度，℃；twj为采暖室外空气计算温度，℃；B——与散热器类型有关的实验系数。 以长春市为例：采暖室外空气计算温度为－23℃，室内空气设计计算温度为18℃， 采用大60型散热器，可查得B=0.28，将参数代入式（1）计算，结果表明回水温度在40.3~70℃范围内变化（若有量调节时回水温度变化范围会增大几度），在此取35~70℃分析。 由《建筑给水排水设计规范》可知，热水供应系统的设计温度一般为60~75℃，另外，当热水供应系统只供淋浴和盥洗用水，不供洗涤盆用水时，配水点最低水温可不低于40℃。 这为采暖系统和太阳能系统的有机结合提供了有利条件。 在采暖期，图1中阀门1、3、4打开，阀门5关小，阀门2关闭，热水从水箱上部取用（储热水箱在实际运行时，在扰动较小的情况下，上部和下部的水温相差接近10℃）。在太阳能系统得热量越少的月份，采暖系统的回水温度越高，太阳能系统可获得的补充热量越多。对于水—水换热，其换热温差可取10℃，采暖系统在实际运行时，很少能达到设计工况，回 WP=51 水温度能达到60℃就算很高了，因而联合运行系统的热水供应最高温度应在70℃左右；另外当采暖系统回水温度在35℃时，基本在采暖的初期和末期，此时太阳能系统的得热量有节余，采暖系统起冷却作用，联合运行系统的热水供应温度应在45℃左右，即实际运行时，采暖期联合运行系统的热水供应温度在45~70℃的范围变化，能够满足热水供应的要求。 在非采暖期，采暖系统停止运行，而此时太阳能系统的得热量有节余，储热水箱中的水温高于热水供应的设计温度，因此，图1中阀门2打开，阀门1关闭，取用水箱下部温度较低的热水。 不同系统的经济效益可按照费用年值法进行分析比较，比较时都以系统每获得1GJ的热量所需费用为基准，计算公式如下： 每平方米建筑面积的费用年值Z可按式（2）计算： （2） 式中Z为费用年值，元/m2·年；C为热水供应系统的年运行费用，元/m2·年；K为热水供应系统的工程投资，元/m2；n为热水供应设施（设备）的种类数；x为投资效果系数，1/年。 系统每获得1GJ的热量所需的费用Z1可按式（3）计算： WP=52 （3） 式中Z1`为系统每获得1GJ的热量所需的费用，元/GJ；Q为每平方米建筑面积每年从系统中获得的热量，GJ/ m2·年。 在我国七个热能区中，除南方区和西南区之外，其余五个区均需采暖，在这五个区内分别取一个城市，即长春（东北区）、北京（华北区）、呼和浩特（黄土丘陵区）、乌鲁木齐（西北干旱区）和拉萨（青藏高原），按式（2）、（3）进行计算，结果表明： 1)青藏高原区利用太阳能系统进行热水供应的费用是最少的，而且比其它地区低很多，比费用最高的东北地区（99.26元/GJ）低34.82%。 2）在我国的主要采暖地区，热水供应的热负荷在采暖期与非采暖期相差不大，但采暖期所需集热器面积均比非采暖期大一倍以上。这样联合运行系统集热器面积若按采暖期平均负荷确定，在采暖期无需额 【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TU832
【目录】：

• 前 言5-13
• 第一章 太阳能与采暖联合运行系统的技术分析13-22
• 1.1 集中式太阳能热水系统13-14
• 1.1.1 集中式太阳能热水系统的形式13-14
• 1.1.2 太阳能热水系统供应特点14
• 1.2 采暖系统14-18
• 1.2.1 采暖系统形式14-15
• 1.2.2 采暖系统的特点15-18
• 1.3 太阳能热水系统与采暖系统的结合18-21
• 1.3.1 联合运行系统采暖期运行分析19-20
• 1.3.2 联合运行系统在非采暖期运行分析20-21
• 1.4 小结21-22
• 第二章 太阳能与采暖联合运行系统的经济分析22-34
• 2.1 热水供应系统经济分析22-28
• 2.1.1 比较分析的依据--费用年值法22-24
• 2.1.2 工程投资和年运行费用分析24-25
• 2.1.3 热水供应的热负荷25-26
• 2.1.4 太阳能系统集热量26-28
• 2.2 不同地区太阳能热水供应系统的比较28-31
• 2.2.1 比较过程28-30
• 2.2.2 比较结果30-31
• 2.3 同一地区不同热源热水供应系统的比较31-34
• 2.3.1 比较过程31
• 2.3.2 比较结果31-34
• 第三章 太阳能与采暖联合运行系统的环境效果分析34-40
• 3.1 每月热水供应负荷34-35
• 3.2 按不同月份太阳辐射量计算的集热器面积35-36
• 3.3 补充能量的计算36-37
• 3.4 污染物排放量的确定37-40
• 3.4.1 补充热源消耗的燃料量37
• 3.4.2 补充热源污染物排放量的确定37-40
• 结 论40-43
• 参考文献43-61

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