太阳能与地源热泵联合系统设计综述

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1、目录目录 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 我国的太阳能资源1 1.1.1 能源形势.1 1.1.2 太阳能的热利用.1 1.1.3 国内对太阳能资源利用.2 1.2 太阳能在建筑节能中的应用3 1.2.1 建筑节能的重要意义3 1.2.2 太阳能在建筑节能中的应用4 1.2.3 本文研究的内容4 第第 2 章章 太阳能采暖系统与热泵系统的结合太阳能采暖系统与热泵系统的结合6 2.1 太阳能热水采暖系统.6 2.1.1 太阳能热水器.6 2.1.2 太阳能热水采暖系统的基本组成7 2.1.3 太阳能热水采暖系统的发展现状8 2.2 地源热泵系统9 2.2.1 地源热泵工作原理及运行方式9 2

2、.2.2 地源热泵发展现状10 2.3 联合系统.10 2.3.1 联合运行的优势以及系统模式.11 2.3.2 本文所设计的联合系统组成与运行方式12 第第 3 章章 建筑物负荷计算与末端设备选择建筑物负荷计算与末端设备选择13 3.1 建筑物负荷计算13 3.1.1 建筑物概况及设计参数.13 3.1.2 热负荷计算.15 3.1.3 冷负荷计算18 3.2 室内末端设备选择计算.19 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 II 3.2.1 末端设备形式.19 3.2.2 末端设备（风机盘管）选型.20 第第 4 章章 室内系统水力计算室内系统水力计算25 4.1 水系统方案.25 4.1.1

3、 水系统的设计原则25 4.1.2 空调水系统方案的确定25 4.2 水系统的水力计算.26 4.2.1 冷冻水管路水力计算26 4.2.2 冷凝水管道设计33 第第 5 章章 联合系统的设计计算联合系统的设计计算35 5.1 太阳能集热系统设计计算.35 5.1.1 太阳能集热器的设计与安装35 5.1.2 蓄热水箱的设计计算39 5.1.3 集热系统循环水泵与与定压装置选择41 5.2 地源热泵系统设计43 5.2.1 地源热泵机组的选择43 5.2.2 地埋管换热器设计计算43 5.2.3 冷冻水泵、采暖用水泵、冷凝水泵选择.47 5.2.4 机房中其他设备选择计算50 第第 6 章章

4、太阳能集热系统动态模拟分析太阳能集热系统动态模拟分析51 6.1 动态模拟分析工具TRNSYS 软件.51 6.1.1 TRANSYS 软件介绍.51 6.1.2 TRANSYS 运行模式.52 6.2 太阳能集热器的数学模型52 6.2.1 太阳能集热器模块 TYPE1b 的数学模型52 6.2.2 输入、输出及模型参数53 6.3 水箱的数学模型56 6.3.1 水箱的数学模型.57 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 III 6.3.2 输入、输出及模型参数.61 6.4 水泵的数学模型70 6.4.1 水泵的数学模型70 6.4.2 输入、输出及模型参数71 6.5 控制器的数学模型.7

5、2 6.5.1 控制器的数学模型73 6.5.2 输入、输出及模型参数75 6.6 太阳能集热采暖系统动态模拟结果分析.76 6.6.1 太阳能采暖系统的动态模拟结果77 6.6.2 系统能耗分析78 参参 考考 文文 献献84 致致 谢谢85 附附 录录85 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 我国的太阳能资源我国的太阳能资源 1.1.1 能源形势能源形势 建筑能耗已于工业能耗、交通能耗并列，成为我国能源消耗的三大“能耗 大户” 。尤其是建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，成急 剧上扬趋势。随着城市发展，建筑将超越工业、交通等其他行业而最终居于社 会能源消耗的首位。目前，建

6、筑能耗约占全国能源消耗的首位 30%，其中北方 城镇城镇采暖能耗成为建筑能源消耗的最大组成部分，占全国城镇建筑总能耗 36% 我国 2/3 以上的国土面积属于严寒和寒冷地区，建筑供暖是保证生存的的 需要。随着生活水平和居住环境的改善，长江流域等夏热冬冷的地区也呈现出 冬季供暖的需要。我国人口众多，能源结构以煤炭为主，建筑用能带来城市冬 季严重的环境污染和温室气体的排放。因此加强清洁能源技术的开发，推广太 阳能供热采暖技术对实现城市建设的可持续发展有着非常重要的意义。因此， 太阳能供热采暖是继太阳能热水之后，需要在建筑物中推广应用的又一项太阳 能热利用和技术。 1.1.2 太阳能的热利用太阳能的

7、热利用 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。太阳辐射能作为一种能源形式， 在能源开发利用中具有其独特的优势，主要表现在： （1）储量极其丰富。一年到达地面的太阳能相当于 5.611021kJ 的热量， 相当于 130 万亿吨的标准煤，约为全世界 2000 年所消耗的各种能源总和的 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 2 6500 倍。而且太阳能可源源不断地供给地球，可谓取之不尽，用之不竭。 （2）普遍性。与其它能源分布的不均匀性不同，太阳能分布对地域的差别 相对较小，处处可以就地利用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，能 解决偏远地区的能源输送不便问题。 （3）无污染性。没有“三废”污染问题

8、，无噪声，不产生有害物质。 （4）经济性。主要表现在两方面：一是在一些地区尤其是那些偏僻、缺乏 建立电站条件的地区，太阳能具有无比的优越性；二是在目前的技术发展水平 下，太阳能热利用已具备一定的经济性，如太阳能热水器等。 但太阳能存在着两个主要缺陷限制了人类对它的开发和利用：一是能量密 度低；二是其强度受各种因素影响（如昼夜、季节、地点、气候等）不能维持 常量。因此克服以上缺陷也是太阳能利用技术必须重点解决的课题。 1.1.3 国内对太阳能资源利用国内对太阳能资源利用 我国有丰富的太阳能资源，全国三分之二国土面积的年日照小时数在 2200 小时以上，年太阳辐照量超过 5000 兆焦每平方米。我

9、国太阳能资源最为丰富的 地区，都是气候寒冷、常规能源比较缺乏的偏远地区，如西藏、新疆、内蒙古 等，既具有实际采暖的需要，又有充足的资源条件，是应用太阳能供热采暖条 件最为优越的地区。开发利用太阳能，对于我国节约常规能源、保护自然环境 促进经济发展、改善人民生活，都具有十分重要的意义。 表 1-1 我国太阳能资源的划分 年日照时数 （h） 年辐射总量 (MJ/m) 主要地区 一类地区 （丰富地区） 3200-33006700-8370 青藏高原、甘肃北部、宁夏北部 和新疆南部等地 二类地区 （较丰富区） 3000-32005860-6700 河北西北部、山西北部、内蒙古 南部、宁夏南部、甘肃中部

10、、青 海东部、西藏东南部和新疆南部 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 3 等地 三类地区 （中等地区） 2200-30005020-2860 山东、河南、河北东南部、山西 南部、新疆北部、吉林、辽宁、 云南、山西北部、甘肃东南部、 广东南部、福建南部、江苏北部 和安徽北部等地 四类地区 （较差地区） 1400-22004190-5020 长江中下游、福建、浙江和广东 的一部分地区 五类地区 （最差地区） 1000-14003350-4190 四川、贵州 自中华人民共和国可再生能源法颁布实施以来，包括太阳能在内的可 再生能源开发利用进入新的历史发展时期，取得举世瞩目的的巨大成绩。 中华 人民共和

11、国可再生能源法中明确规定：“国家鼓励单位和个人安装和使用太 阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利 用系统” 。这位我国太阳能利用事业进一步指明了方向，即在继续推广利用太阳 能热水系统的同时，还应加强太阳能供暖系统的开发应用。二十多年来，我国 太阳能热水器事业飞速发展。目前，我国太阳能热水器的生产年产量和总保有 量都居世界首位，成为太阳能热水器的生产和应用大国，为我国节能环保做出 积极贡献。 1.2 太阳能在建筑节能中的应用太阳能在建筑节能中的应用 1.2.1 建筑节能的重要意义建筑节能的重要意义 建筑是耗能的大户，在能源形势日趋严峻的今天，建筑发展的速度和数量

12、却加快了脚步。目前我国城市化水平已达 37，而且本世纪中叶将达到 65。 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 4 随着我国城市化步伐的不断加快，每年城镇新增竣工住宅面积达 45 亿平方米， 农村则达 78 亿平方米。城市化进程的加快，新建筑的不断增加，更加大了对 能源的需求，而目前我国的很多大城市已经出现了能源供应紧张、限电、断电 等 问题。建筑能耗在全部总能耗中所占的比例，我国已达到 30，全国每年建筑 能耗约 1.3-1.8 亿吨标准煤，其中 5060是用于空调和采暖1。随着人们生 活 水平的提高，热舒适度要求不断提高，建筑能耗仍将快速增长。由此，解决建 筑 的能耗问题成为一项重大课题。 1

13、.2.2 太阳能在建筑节能中的应用太阳能在建筑节能中的应用 （1）太阳能利用是开发利用可再生能源的重要领域。依据能量转化的形式， 太阳能可以分别转化为热能、电能和化学能等，及太阳能转化方式有光热转化、 光电转化和光化学转化等几种。依据太阳能这些转化原理加以利用的，分别成 为“太阳能热利用” 、 “太阳能光电利用” 、 “太阳能光化学利用”等。太阳能在 建筑节能中的应用除了太阳能供热采暖系统之外，还包括：太阳能制冷空调系 统、太阳能干燥系统、被动式太阳能房、太阳能热发电系统等 （2）太阳能供暖可以分为被动式和主动式两大类。太阳能被动式供暖习惯 称为被动式太阳能房，简单说就是利用房间窗口或附在南墙

14、上的空气集热器， 通过直接接收太阳能辐射使室内温度升高的采暖方式。具体来说就是通过建筑 物朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部体形的处理，以及建筑材料和 结构、构造的恰当选择，使其在冬季能采集、保持、储存和分配太阳能，从而 解决建筑物采暖问题；同时在夏季又能遮蔽太阳能辐射，散逸室内热量，从而 是建筑物降温达到冬暖夏凉的目的。 太阳能主动式供暖系统是以太阳能集热器、管道、散热器、风机或泵以及 储热装置等组成的强制循环太阳能供暖系统，它通过太阳能集热器收集热量， 又通过循环泵和管道把载热介质输送到储热装置或房间的散热器，从而实现对 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 5 房间的供热。 1.2.3

15、 本文研究的内容本文研究的内容 本文针对济南市某办公建筑楼的夏季供冷和冬季采暖系统设计，选用了太 阳能集热系统与地源热泵系统的综合利用。确立本设计冬天采暖季采用太阳能 集热器系统采暖为主，不足时启动地源热泵作为辅助热源，而在夏天时启动地 源热泵系统承担所需冷负荷。本次设计的主要内容：太阳能与地源热泵联合系 统设计；建筑物负荷计算；水系统水力计算；太阳能集热系统设计计算；应用 DeST 与 TRNSYS 软件进行冬季太阳能采暖系统动态模拟分析等。 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸 6 第第 2 章章 太阳能采暖系统与热泵系统的结合太阳能采暖系统与热泵系统的结合 2.1 太阳能热水采暖系统太阳能热

16、水采暖系统 太阳能热利用技术被认为是二十一世纪最有前途的应用技术之一，尤其太 阳能热水器在国内外研究相对成熟，已开始进入实用阶段。我国近 20 年来在太 阳能供热水、太阳能采暖方面发展迅速，特别在推行“节约常规能源”和“建 筑节能”政策后，更引起人们对太阳能热利用技术的关注。 太阳能热水系统技术是目前主动式太阳能利用中应用最广泛的、产业化发 展最迅速的领域。它可以为用户提供热水，由采热器、传热工质、贮热水箱和 连接管路等组成。 水源热泵机组的定义是：一种采用循环流动于共用管路的水，水井、湖泊 或河流中抽取的水，或在地下盘管中循环流动的水为冷（热）源，制取冷（热） 风或冷（热）水的设备；包括一个使用侧换热设备、压缩机、热源侧换设备， 具有单制冷和制热功能。根据水的来源的不同，可将水源热泵分为：地热水源 热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、河川水源热泵、海水源热泵等。事实上， 无论是何种水源热泵，主要区别是水温和水质的不同。 2.1.1 太阳能热水太阳能热水器器 在太阳辐照下，集热器吸收太阳能并转换成热能传递给集热器内的传热工 青岛理工大学毕业设计（论文）用纸