南京林业大学.docx

南京林业大学.docx

《南京林业大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南京林业大学.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

南京林业大学

南京林业大学

本科毕业设计（论文）

题目：

别墅太阳能装置及初步设计

学院：

南方学院

专业：

热能与动力工程

学号：

N070403209

姓名：

李岩

指导老师：

王志和

职称：

副教授

二○一一年六月二十五日

摘要

本设计的题目是别墅太阳能装置及系统初步设计，本文通过太阳能在民用建筑上的利用方式及成熟的技术，全面的展示了太阳能作为新一代能源的优势。

本文以太阳能为主要能源设计太阳能热水方案，通过计算进一步选取最佳设备，使得热水系统能够为正常生活提供可靠的保证。

又根据当地气候和现代人们对居住环境的要求，设计了太阳能低温辐射地板采暖方案，在冬季为别墅提供舒适的室温，提高人们的生活水平。

为缓解夏季用电高峰，减少环境污染，提倡低碳生活，设计以太阳能热水为热源的溴化锂吸收式制冷机为别墅提供夏季的空调制冷，并且将制冷与采暖结合，交替利用太阳能产生的热水，即太阳能产生的热水冬季为室内供热，夏季用于制冷机制冷。

太阳能发电技术尚不成熟但对于小功率的照明依然可行，利用太阳能电池板和蓄电池为别墅庭院和车库照明。

从而使整个别墅设计符合现代生活家居。

关键词：

太阳能热水采暖制冷照明

Abstract

Thevilladesignisthesubjectofthepreliminarydesignofsolarenergydevicesandsystems,thepaper'suseofsolarenergyinthewayofcivilandmaturetechnology,comprehensivedisplayoftheadvantagesofsolarenergyasanewgeneration.Inthispaper,thedesignofsolarenergysolarhotwaterasthemainprogram,selectthebestequipmentbycalculatingfurther,makingthehotwatersystemcanprovideareliableguaranteeanormallife.Alsoaccordingtothelocalclimateandenvironmentaretobepeoplelivingrequirements,thedesignofsolarlow-temperatureradiantfloorheatingoptionsforthevillainthewintertoprovideacomfortableroomtemperature,improvepeople'slivingstandards.Toalleviatethesummerpeak,reduceenvironmentalpollution,promotinglowcarbonliving,designofsolarhotwaterastheheatsourceforthevillalithiumbromideabsorptionchillertoprovideairconditioninginsummer,andthecombinationofthecoolingandheating,turntheheatproducedusingsolarenergywater,thatissolargeneratedhotwaterforindoorheatinginwinter,coolerinsummerforcooling.Solarpowertechnologyisnotyetmature,butthelightingfortheuseoflow-powersolarpanelsandbatteriesforthevillagardenandgaragelighting.Sothattheentirevilladesignedtomeetmodernlivingathome.

KeyWords：

SolarEnergyHotwaterHeatingRefrigerationLighting

1绪论

随着太阳能利用科技水平的不断提高，太阳能建筑已经从太阳能采暖建筑发展到可以集成太阳能光电、太阳能热水、太阳能吸收式制冷、太阳能通风降温、可控自然采光等新技术的建筑，其技术含量更高，内涵更丰富，适用范围更广。

1.1国外太阳能建筑的利用状况

在国外,太阳能已开始在建筑领域中得到越来越广泛的应用。

特别是美国、德国、希腊、以色列、日本、韩国等国家,太阳房已从被动太阳房向主动太阳房发展,从仅用于偏远地区向城市地区发展,从仅用于单层小型建筑向多型大型建筑发展,从仅用于居住建筑向公共建筑发展。

这些国家自70年代能源危机之后,就开始寻找新能源,并开始发展可再生能源。

至80年代,由于石油价格依然十分低廉,因而减缓了对可再生能源的研究速度，但是,他们始终对节能保持高度重视。

直至90年代里约热内卢会议以后,环境向题已成为全球的热门话题,各国都认识到,本国的环境不仅是本国的问题,而是殃及邻国乃至全球的大问题,因此,可再生能源的研究和发展又一次被提上重要议事日程。

之后,各国纷纷制定中长期可再生能源研究和发展计划,目标是减少常规能源消耗和二氧化碳的排放。

1.2国内太阳能建筑的发展情况

我国具有丰富的太阳能资源,约三分之二的国土上,太阳能年总辐射量超过

。

“八五”期间,我国有关的研究已将我国的太阳能资源划分为五类地区表。

表1-1[]显示了世界部分城市的年辐射总量。

表1-1我国太阳能资源分布情况

年日照时数

（h）

年辐射总量

（MJ/m2）

主要地区

一类地区

（丰富区）

2800～3300

6690～8360

宁夏、甘肃北部、新疆东南部、青海、西藏西部

二类地区

（较丰富区）

3000～3200

5852～6690

河北、山西北部、内蒙、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部

三类地区

（中等区）

2200～3000

5016～5852

山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、陕西北部、甘肃东南部、广东、福建南部、江苏、安徽北部、吉林、辽宁、云南

四类地区

（较差区）

1400～2200

4180～5016

湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建、广东北部、陕西、江苏、安徽南部、黑龙江

五类地区

（最差区）

1000～1400

3344～4180

表1-2世界各地太阳能资源情况

地名

年辐射总量（MJ/m2）

地名

年辐射总量（MJ/m2）

里本斯

6900

纽约

4720

雅典

5810

巴黎

4000

新加坡

5730

维也纳

3890

华盛顿

5220

莫斯科

3720

威尼斯

4810

伦敦

3640

东京

4220

汉堡

3430

从上述二表可见,即使我国太阳能资源较差的地区,年辐射总量也接近东京、高于伦教、汉堡这些世界上太阳能利用较好的城市,可见,我国在建筑中的太阳能利用还大有潜力可挖。

1.3开发太阳能的意义

太阳能的开发和利用是开发和利用新能源与再生能源的重要内容。

太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、处处均可开发利用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。

因此太阳能的开发利用将有巨大的前景，它不仅带来很好的社会效益、环境效益，而且还具有明显的经济效益。

1.4太阳能利用基本方式

太阳能利用基本方式可以分为如下四大类[]。

（1）光热利用

它的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。

目前，使用最多的太阳能收集装置，主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦型集热器等三种。

通常根据所能达到的温度和用途不同，而把太阳能光热利用分为低温利用（<200℃）、中温利用（200～800℃）和高温利用（>800℃）。

目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。

（2）太阳能发电

未来太阳能的大规模利用是用来发电。

利用太阳能发电的方式有多种，目前已实用的主要有以下两种。

1光－热－电转换。

即利用太阳辐射所产生热能发电。

一般是利用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。

前一过程为光-热转换，后一过程为热-电转换。

2光-电转换。

其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。

（3）光化利用

它是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光-化学转换方式。

（4）光生物利用

通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成生物质的过程。

目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻等。

2别墅概况

该别墅位于江苏省镇江市，别墅共两层，面积260m2，另有庭院200m2。

别墅平面图如图2-1别墅包含客厅、客房、餐厅、卧室、以及卫生间。

采用太阳能供热、采暖、制冷及庭院、车库照明。

本设计将太阳能供热、采暖与制冷相结合为组合系统，并且采用电加热作为夜间及阴雨天的辅助加热。

别墅平面图如图2-1所示：

图2-1别墅平面示意图

此外下表2-1提供别墅墙壁及围护结构热物理参数表。

表2-1围护结构的热物理参数表

类别

构件名称

传热系数K值W/（m2·K）

导热热阻（m2·K）/W

外墙

200混凝土墙+50聚苯乙烯内保温

0.977

1.218

内墙

180陶粒混凝土内墙

1.515

0.43

屋顶

加气混凝土保温屋面

0.812

1.074

楼地

40mm混凝土楼地

—

0.026

楼板80mm

钢筋混凝土楼板

1.78

—

一般外门

双层实体木制外门

2.33

—

外窗

双层钢窗

2

—

2.1当地气候特点及太阳能资源情况调查

江苏省位于我国大陆东部沿海，处于亚热带与南温带的过度性气候中，具有明显的季风特征，四季分明。

雨热同步，雨量集中，光照充足，历年平均温度在14℃左右，全年无霜期达200～300d。

江苏省属于我国太阳能资源中等区，年日照数为2200～3000h，水平面上年太阳能辐射量为5016～5852MJ/m2。

[]

2.2别墅生活用水量及水温

别墅设计家庭人数5人，保姆1人，每人每日最高用水定额70～110L，使用时间24h，水温37～40℃，则，别墅日最高用水量为660L。

2.3采暖方式的比较与选择

常用热水采暖的方式主要有两种：

一是暖气片散热器，另一个是低温地板辐射采暖。

附加被动式太阳能利用方式利用建筑结构白天采暖。

2.3.1初期投资比较

采用暖气片采暖每建筑平米造价约46.00元，而低温热水地板采暖的实际每建筑平米造价约40元左右。

2.3.2运行费用比较

地板辐射采暖供水温度60℃以下，因此，供水温度较低，热损失小，地板辐射采暖一大特点是在辐射强度和温度的双重作用下对房间进行采暖，形成较合理的室内温度场分布和热辐射作用，地采暖和暖气片在同样的供水温度时，地采暖可以有3～4℃等效热舒适度效应。

因此，采用地采暖设计房间温度时，室温比普通散热器采暖低2℃就可以满足散热器采暖所需的效果。

而散热器片采暖的供水温度90℃以上，所以仅此项采用地采暖可以节省30%能源，从而节省同样比例的费用。

2.3.3使用面积比较

采用暖气片采暖，不但暖气片占用了使用面积，而且室内的暖气管道同样占用了使用面积。

例如暖气片的厚度是10cm，安装时离墙5cm，再加暖气罩5cm，厚度是20cm，宽度150cm，高度270cm，这样占去了0.81立方米的空间面积和0.3平米的使用面积。

这仅是一组暖气片所占用的空间面积和使用面积，这套住宅需用12组暖气片，客户将失去3.6平米使用面积！

但是，地板采暖的优点之一就是不占用使用面积，分水器的体积很小，可放在卫生间或厨房某个角落里。

2.3.4舒适性比较

暖气片属于空气对流式散热，热气通过屋内上半部流向对面，所以产生的效果是头热脚凉。

地板采暖则不同，热量从脚下升起，产生下面温度高而上面温度低的温度梯度，产生的效果是脚热头部清醒，符合人体生理需要，彻底避免“寒从脚起”的现象，给人感觉非常的舒适感。

综上所述，本设计将采用低温热水地板辐射采暖。

2.4采暖对象及采暖温度

由于选用了低温热水地板辐射采暖，地板辐射采暖供水温度60℃以下，因此，供水温度较低，热损失小。

客厅、厨房及餐厅的设计温度为18℃，客房、卧室的设计温度为20℃，卫生间的设计温度为22℃。

2.5制冷方式的选择

太阳能驱动的吸收式制冷机是目前应用太阳能制冷最成功的方式之一，也是较容易实现的方法。

目前常用的吸收式制冷机有两种：

一种是溴化锂吸收式制冷机，以溴化锂为吸收剂，水为制冷剂，其制冷温度只能在0℃以上，可用于制取空调用冷水或工艺用冷却水；另一种是氨吸收式制冷机，其工质对为氨—水溶液，氨为制冷剂，水为吸收剂，其制冷温度在-45～l℃范围内，多用作工艺生产过程的冷源。

因此，本设计选择溴化锂吸收式制冷机。

制冷机提供7～8℃的冷水供室内降温。

3

设计计算

太阳能系统供热负荷计算主要分两种用途，一是用于确定太阳能集热器面积，另一种用于设计辅助热源和热水管路。

用于确定太阳能集热器面积时，一般只需要确定日平均（月平均）耗热量；用于确定备份热源和热水管路设计时，需要根据建筑物用水设施的差异确定小时耗热量、热水量。

3.1热水负荷计算

太阳能系统热水负荷取决于热水用量、热水温度和冷水温度。

日均热水负荷按式（3-1）计算：

（3-1）

式中，Qd为日耗热量，W；m为用水计算单位（人数），qr为热水用水定额，按附录1取值，L；ρr为水的密度，kg/L；C为水的比热容，取值4187J/（kg℃）；tr为规范中选取的热水计算温度，取值60℃；tL为规范中选取的冷水计算温度，按附录2取值50℃。

热水量计算应根据热水用水定额，参照供水温度进行修正，按式（3-2）计算：

（3-2）

式中，m为用水计算单位（人数），qrd为热水用量，L；tr′为热水温度，℃；tL′为冷水温度，℃。

有上述公式计算法可以计算日耗热量Qd，m=6，qr=90L，ρr=1000kg/L，C=4187J/（kg℃），tr=60℃，tL=50℃。

则Qd=261687.5W。

3.2采暖热负荷计算

供暖热负荷为建筑物耗热量了，整个采暖季建筑物的热负荷QH应按式（3-3）计算：

（3-3）

式中，qH为单位建筑面积建筑物的耗热量，W/m2；qHT为单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量，W/m2；qINF为单位建筑面积空气渗透耗热量，W/m2；qIH为单位建筑面积建筑物内部得热，W/m2。

3.2.1通过围护结构的传热耗热量

通过围护结构的传热耗热量应按式（3-4）计算：

（3-4）

式中，ti为室内空气计算温度，℃，按《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019中规定范围的低限选取，一般住宅16℃；te为采暖室外平均温度，℃，如北京地区取-1.6℃；εi为围护结构传热系数的修正系数；Ki为围护结构的传热系数，W/（m2·℃）；Fi为维护结构的面积，m2；A0为建筑面积，m2。

3.2.2空气渗透消耗热量

空气渗透消耗热量应按式（3-5）计算：

（3-5）

式中，qINF为空气渗透耗热量，W；Cp为空气比热容，去0.28W·h/（kg·℃）；ρ为空气密度，取te条件下的值，kg/m3；N为换气次数，次/h，住宅冬季采暖室内通风换气次数不能低于0.5次/h；V为换气面积，m3。

3.2.3内部得热

内部的得热qIH取3.8W/m2。

3.2.4采暖季建筑物的日平均采暖负荷

采暖季建筑物的日平均采暖负荷按式（3-6）计算：

（3-6）

式中，QH为采暖季日平均采暖负荷，W；qH为单位建筑面积建筑物的消耗量，W/m2；A0为建筑面积，m2。

4

太阳能集热系统

太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、贮水箱及连接管线和调节控制阀门等，强制循环系统还包括水泵，间接系统包括换热器，闭式系统包括膨胀罐。

太阳能集热系统设计需要根据建筑特点、用水需要和系统投资预算确定太阳能系统类型、规模，并合理配置选择贮水箱等系统附件，保证系统可靠运行、经济适用[]。

4.1系统选型

太阳能系统选型主要考虑一下因素：

①太阳能集热器类型；②系统工作方式，自然循环或强制循环，闭式系统或开式系统；③换热方式，直接系统或间接系统；④辅助热源，电加热器、燃油锅炉、燃气锅炉、生物质锅炉、热泵等；⑤管材和水箱材质。

太阳能集热器和热水系统可按表4-1、4-2[]选型。

表4-1太阳能集热器选型

相关要素

集热器类型

空气集热器

平板集热器

全玻璃真空管

热管真空管

建筑气候分区

严寒地区

—

寒冷地区

夏热冬冷

温和地区

承压能力

开式系统

闭式系统

—

—

换热方式

直接系统

间接系统

—

—

与建筑结合

系统可靠性

高

高

低

高

系统投资

低

中

中

高

注：

表中“”为可选用；“”为有条件选用；“—”为不宜选用。

表4-2太阳能热水系统选型

建筑物类型

居住建筑

公共建筑

低层

多层

高层

宾馆医院

游泳馆

公共浴室

集热与供热水范围

集中集热-集中供热

集中集热-分散供热

—

—

—

分散集热-分散供热

—

—

—

系统运行方式

自然循环系统

—

强制循环系统

直流系统

—

换热方式

直接系统

—

间接系统

辅助能源安装位置

内置加热系统

—

—

—

—

外置加热系统

—

辅助能源控制方式

全日自动启动系统

—

—

定时自动启动系统

—

按需手动启动系统

—

—

—

注：

表中“”为可选用；“”为有条件选用；“—”为不宜选用。

本设计最终太阳能热水和采暖组合系统选择“采暖贮水箱以及生活热水有负载换热器和外部辅助锅炉”作为别墅太阳能装置系统。

4.2太阳能热水和采暖组合系统介绍[]

此太阳能组合系统是由瑞典人设计的，该产品自1993年进入本国市场。

此太阳能组合系统属于BM1系统，其主要特点是：

1两个浸没式换热器连接到集热回路，以增加贮水箱的温度分层；

2采暖贮水箱的温度分层是利用一个控制进出口流量的三通阀来实现；

3生活热水的加热通过分别置于贮水箱的底部和顶部的两个串联的水平带翅片的盘管式换热器进行；

4采暖回路利用一个四通阀连接到贮水箱，使得热量可以从贮水箱的中部向外传递；

5作为辅助热源的电加热器安装在贮水箱的上部1/3处；

6由于生活热水不会滞留在贮水箱内，所以系统没有产生军团菌的危险。

该系统的运行方式如下：

集热回路的循环泵是由集热器吸热板的温度控制的，而循环泵的转速由集热器出口和贮水箱顶部（或底部）之间的温差控制，置于顶部还是底部，取决于贮水箱的生活热水部分还是采暖部分被加热。

辅助电加热器是由一个恒温器进行控制的，在集热回路的循环泵运行时，电加热器就被控制器锁住。

控制器具有计算能量平衡的检测能力，它可以很容易的跟一台个人电脑相连接。

辅助热源也可以采用圆木锅炉或生物质颗粒燃烧器，而生物质颗粒燃烧器在2002年已发展成为可以和贮水箱连接在一起。

根据所用辅助热源的类型，贮水箱出口安排在不同的位置：

在使用圆木锅炉的情况下，贮水箱出口安排在贮水箱的底部，此时整个贮水箱都被加热；在使用生物质颗粒燃烧器的情况下，贮水箱出口安排在贮水箱的的中部，此时只有贮水箱的上部被加热。

系统防止过热的方法是受用一个较小的膨胀罐（集热回路内传热介质总体积的10%～30%），允许系统在6～9个大气压的高压条件下运行，从而保证集热器内的传热介质不会沸腾。

后来，IEA/SHC“太阳能组合系统”任务组（Task26）的一个成员单位采用了较大的膨胀罐，使系统在低压条件下运行，在系统处于闷晒期间，集热器内的传热介质都将会排入膨胀罐里。

4.3家用太阳能热水集热器面积的确定

太阳能集热器的面积是太阳能热水系统中的一个重要参数，它与系统太阳保证率和项目投资经济性密切相关。

根据我国现行标准[]，太阳能系统根据储水箱容积分为家用太阳能热水器（储水箱容积小于600L）和太阳能热水系统（储水箱容积大于600L）。

太阳能供热采暖系统主要满足采暖季供热需求，太阳能系统集热器面积确定主要根据采暖季供热负荷。

家用太阳能热水器集热面积的确定可以采用以下办法：

根据家庭人数和用水要求选定太阳能热水器水箱容积，再根据当地太阳能资源和水箱容积确定太阳能集热器面积。

人均热水消耗量和集热器面积与水箱容积配比的推荐值参见表4-3和表4-4.

表4-3人均热水消耗量

用水情况

低舒适度

中舒适度

高舒适度

人均热水/45℃消耗量/L

35

50

70

表4-4每100L水箱容积的太阳能集热器面积推荐选用值

太阳能资源

等级

地区

集热面积/m2

资源丰富区

Ⅰ

西藏大部分、新疆南部以及青海、甘肃和内蒙古西部

1.2

资源较富区

Ⅱ

新疆北部、东北地区及内蒙古东部、华北及江苏北部、黄土高原、青海和甘肃东部、四川西部至横断山区以及福建、广东沿海一带和海南岛

1.4

资源一般区

Ⅲ

东南丘陵区、汗水流域以及四川、贵州、广西西部等地区

1.6～1.8

资源贫乏区

Ⅳ

川黔区

2.0

家用太阳能集热面积也可以根据系统的平均用水量和用水温度，按式（4-1）进行计算：

（4-1）

式中，AC为热水器集热器总面积，m2；qrd为日平均热水用量，L；ρr为水的密度，kg/L，c为水的比热容，取值4187J/（kg℃）；tend为贮水箱内水的终止设计温度，℃；tL为水的初始平均温度，℃；JT为系统使用期的当地在集热器平面上的平均日太阳能辐照量，J/m2；f为太阳能保证率，应根据系统使用期内的太阳辐照条件、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，一般取值0.3～0.8，可参考表4-5选取；ηcd为系统使用期的平均集热效率，一般取值0.25～0.50，或根据热水器产品实测的