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1、第四届大学生节能减排社会实践与科技竞赛适应峰谷阶梯电价的节能型低碳住宅空调系统设计说明书设计者： 高尚 华北电力大学 电气与电子工程学院 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 何寿荣2 艾博1 张衡2 指导教师：崔翔（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京市，102206 ）作品内容简介设计了一套基于“削峰填谷”原理的节能型低碳住宅空调系统。通过储热设备实现了夜间多用电、白天少用电的目的，利用太阳能热水器为室内补充性供暖。在保证了住宅温度适宜下，适应了“峰谷电价”的惠民政策。系统由单片机、温度传感器、电磁阀、固态继电器等构成。这种系统在城市和农村的居民住宅中都极具推广意义。据估算，节能效果可达
2、近40%。联系人：高尚 联系电话：15210745684 EMAIL：关键词： 节能减排 空调系统 削峰填谷 峰谷阶梯电价Abstract: Air-conditioning system is now widely used in civilian dwellings. This article introduces an energy-saving and low carbon air-conditioning system which is based on Valley Filling and Peak Clipping Principle. This device achieves
3、the goal of more electricity utilization at night and less electricity utilization in the daytime by making use of heat accumulator. Meanwhile, solar energy heating device supplements heat. Therefore, it caters to the social benefiting policy of Time-of-Use Electricity Price on the premise of ensuri
4、ng the preferential temperature. This device, mainly consisting of single chip microcomputer, temperature sensor, electromagnetic valve and solid state relay, has the essential significance of promotion in urban and rural dwellings, as it has been estimated to reduce energy consumption by almost 40%
5、.Key words: energy saving and emission reduction, air-conditioning system, Valley Filling and Peak Clipping, Time-of-Use Electricity Price1. 研制背景及意义1.1削峰填谷的定义及其与“峰谷阶梯电价”的联系电力系统中的削峰填谷因电厂是全天候持续发电的，如果发出来的电不用掉，用于发电的能源也就浪费掉了。一个发电厂发电能力通常是固定的不轻易改变的，但是用电高峰通常在白天，造成白天电不够用，晚上则是低谷，有多余用不掉发的电都浪费了，针对此现象，如果能把一部分高峰负
6、荷挪到晚上低谷期，从而就利用了晚上多余的电力，也就达到了节约能源的目的。（摘自百度百科） 国家积极推行的“峰谷阶梯电价”正是顺应了该目的，其背后蕴藏着巨大的能源效益和经济效益。1.2我国调温格局与电网负荷相关背景在一年中冬夏两季的时候，供暖与制冷会成为许多家庭头疼的事情。那么头疼在何处呢？以冬季为例，对于一个住房面积达100平米的家庭而言，若选择24小时不间断供暖，虽然能够保证温度适宜，身体舒适，但其日益增长的供暖费用也让人冒汗；倘若选择分阶段供暖，又难以保证主人一定可以在进入家门的时候享受到温暖的热气目前我国国内百姓在冬季以暖气片采暖、地采暖、空调采暖为主，夏季则以空调制冷为主。这种调温格局
7、造成了一系列潜在的浪费：1.2.1对于家庭而言：1、用煤烧暖气既要消耗大量的能源还会造成严重的空气污染。2、那么烧天然气呢？天然气具有极大的危险性，且不是所有的地区均可以使用天然气。3、于是呢，许多用户会转向使用电取暖时，可是很遗憾的是，用户很难充分利用峰谷电价，我们知道北京地区峰时电价0.48元一度、谷时电价为0.3元一度。用户没有办法做到在不牺牲家居舒适的前提下利用夜间便宜的谷时电价进行全天候供暖。4、在冬季，太阳能热水器可以将水温提升到60以上，这个水温无法应用在暖气片中，所以我们无法用它对暖气片进行加热供暖，可是这个温度是非常适宜去做地暖循环水的。目前国内家庭很少利用这部分热量进行供暖
8、的。总结：对于居民而言，享受舒适的供暖环境和节约供暖费用的投入形成了矛盾。谈过家庭后，让我们看看现今的供暖格局对国家电网造成了多么巨大的能量损失。1.2.2对于电网与电厂：1、白天电网负荷过高，夜间电网负荷过低，这种不均匀造成了输电线利用率的降低。2、众所周知，北方地区夜间风较大，可是在夜间用电量极低的情况下，冬季为了保证热电厂供电和供暖，而不得不将风电机组抛弃，即“弃风”。这就导致了可再生能源风能的难以并网，降低了风能的利用效率。3、当全天用电不均匀时，电力调度的难度将会增加，考虑到电厂机组的热惯性以及电能不能储存的特性，用电不均会造成宝贵的蒸汽不得不被抛弃掉。图1 2010年天津市电网负荷
9、曲线上图是天津市2010年7月15日的电网负荷，在那一天，天津市电消耗量达到了历史最大值。从图中我们可以明显的看到，伴随着用电负荷日益剧增的现象，电网负荷不均匀的现象变得也越来越明显。而电厂与电网为了适应这种不均匀的负荷需要消耗掉大量能源。总结：对于国家电网负荷而言，通过“均衡一天的用电量”就可以达到节约能源的目的。1.3目前日常生活中的空调系统情况现有空调系统，存在如下的不低碳现象：1. 燃煤供暖既浪费了大量的能源还会造成严重的空气污染。2. 天燃气自采暖有易燃易爆、能源利用率低等缺点。3. 夏季百姓采用空调制冷，居民群集性的将空调负载并入或撤离电网会对电网造成冲击，电厂也会因机组的热惯性而
10、损失大量蒸汽能源。4. 现有的空调系统都是“即时加热即时使用”，无法将热量进行时间上的搬移，也就无法在保证住宅室内温度全天适宜的前提下，充分利用夜间低谷电价，为电网均衡用电负荷。5.现存的利用太阳能供暖有着致命的缺点，因太阳能热补给不足，目前就是通过增加太阳能板来为室内供暖，设备资金过多，不可能推广。6.集体供暖由于其设备的共有化，也出现了很多问题比如热损严重，造成浪费。供暖出现问题最多的就是那些小锅炉供暖的老房子，这些老房子楼道存在很多问题，供热管道热损失严重。通过调查发现，弃管小区和老房子的楼道，有的窗户不全，有的是木头的楼道门，有的甚至没有楼道门，由于很多供暖管道裸露在外面，造成热还没有
11、进入居民家，就从楼道里损失了很大一部分。我们可以想象的到，电厂能源的利用效率肯定是比集体的锅炉效率要高的，如果我们让电厂发电，而在家中使用我们所设计的系统进行供暖制冷，其实也是实现了能源的集体化利用。况且，在传统集体供暖中，出现了主人不在家却不得不交供暖费用、小区单元中部分住户拖欠供暖费用的现象。集体供暖由于其不够灵活、热损失严重性可能会在不久的将来被社会所淘汰。1.4国内外优化空调系统的研究情况目前国际上建筑节能方式主要分两大类：被动式和主动式节能。被动式节能：节能建筑使用时不耗能，只需前期建设投入，如节能门窗、墙体等，还有结构自保温、混凝土顶棚辐射制冷制热技术、呼吸式幕墙等新的高科技节能技
12、术的应用。但是很显然，这种被动式节能在前期建筑设计和建造过程中费用较高。在我国，城市居民是不允许随意建造房屋的，但是让我们依靠黑心的开发商通过提高单位面积的工程造价来提高房屋质量是不可能的，所以在我国，房屋的自保温性都很难满足冬夏两季的生活需求。外保温技术就是被动式节能之一,其工程质量决定了最终住宅的舒适程度,中国的开发商往往在住宅设计和制造上偷工减料,所以单靠外保温技术是不能根本解决调温问题的. 地源热泵技术的利用并非理想，特别在农村地区，根本不适用。地源热泵的出发点是利用地下的更利用热来进行室内调温，是将地下储存的热量带到室内住宅的技术。但这存在着很多局限性：第一，能够利用地源热泵技术的地
13、区是很特别的，地下应当有充足的水源，地表有良好的保温性，极轻微的地壳运动也不能发生，这些条件并非所有地区都可以实现；第二，地源热泵技术在农村地区有一些弊病，主要是地源热泵系统的初投资较高，单体型住宅单平方米造价通常都在350400元左右，集中型楼房住宅单平方米造价通常都在150200元左右，造成了农村居民使用不起的局面主动式节能：使用过程产生能耗，使用者要支付节能系统运行费，如传统的暖气系统、空调系统、传统地热系统、地源热泵恒温恒湿系统。两者区别在于，后者居住舒适度更高，但入住成本也高；前者入住成本低，或与普通住宅相比并不增加入住成本,但其居住舒适度是无法保证的。目前国际上最为热点的话题就是地
14、源热泵技术。但是，地源热泵技术的利用并非理想，特别在农村地区，根本不适用。地源热泵的出发点是利用地下的更利用热来进行室内调温，是将地下储存的热量带到室内住宅的技术。但这存在着很多局限性：第一，能够利用地源热泵技术的地区是很特别的，地下应当有充足的水源，地表有良好的保温性，极轻微的地壳运动也不能发生，这些条件并非所有地区都可以实现；第二，地源热泵技术在农村地区有一些弊病，主要是地源热泵系统的初投资较高，单体型住宅单平方米造价通常都在350400元左右，集中型楼房住宅单平方米造价通常都在150200元左右，造成了农村居民使用不起的局面2.节能型空调系统设计理念2.1 理念概述所设计的节能型空调系统
15、实现了两个技术，一是将热量通过储能手段进行时间上的搬移，二是将太阳能作为补充性能源利用到空调系统中。储能系统从电网用电储热储能系统从电网用电储热图2削峰填谷原理示意图所设计的节能型空调系统在保证住宅全天温度适宜的基础上实现了三个目的：对于居民，系统顺应国家“峰谷阶梯电价”的政策，可以节约大量的调温费用；对于电网，系统符合“削峰填谷”和利用可再生能源太阳能的节能减排思想，当系统普及后，可以节约大量的能源。这种装置可以推广到居民住宅。据初步估算，节能效率可达40%，节能效果显著。2.2 该系统中节能减排理念的体现（1）相比较传统的“即时加热、即时使用”空调系统而言，节能型低碳住宅空调系统通过高效储能实现了将热量进行时间上的搬移，在保证住宅全天温度适宜的前提下，系统可以为百姓省钱。其实，钱没有白白省出来的，国家推行“峰谷阶梯电价”，其背后有着巨大的经济效益和能源效益。而这套空调系统自动调整房间温度通过智能化实现了更大意义上的节能。（2）节能型低碳住宅空调系统实现了对可再生能源太阳能的利用，与之前一些通过增加太阳能板的措施相比，该系统需要的设备简单，由于太阳能板也有生命周期，故可以节约大量工程资源。（3）该系统在推广后，可以为均衡电网负荷做出极大贡献。并节约大量的电厂汽封能量。3. 作品详述3.1系统控制流程图图3智能化低碳住宅空调系统控制流程图1. 温度传感器可以采集室内的温度，单片
