重庆山地村镇太阳能资源分析及户式太阳能热水系统热力学性能研究

摘要

随着国家城镇化进程与村镇生态文明的实施与推进，村镇这一迅速崛起的群体逐渐在能源消费中占据越来越重要的地位。如何在满足日益增长的村镇人居环境改善需求的前提下，推进清洁、绿色、高效用能发展，成为摆在我们面前的新课题。本文以重庆山地村镇太阳能生活热水系统为研究对象，以全年实测太阳能资源为依据，结合实地调研和实测研究的方法，分析研究太阳能生活热水系统在重庆山地村镇推广使用的适宜性，并采用能分析法、分析法对太阳能生活热水系统进行热力学分析，探讨太阳能生活热水系统节能潜力。
　　通过对重庆地区10余个村镇600余户村镇居民开展的实地调研发现，大多数村镇生活热水热源主要来自于商品能源（电能、天然气）和传统能源（薪柴），但电能、天然气经济效益不高且在属于山地地形的重庆村镇敷设管网难度不小，薪柴燃烧带来严重环境污染的同时使用便捷度、舒适度低下。调查显示村镇居民对生活热水热源的改进意愿迫切，可再生能源（太阳能）的接受度和使用度逐渐升高。
　　实地采集重庆山地村镇全年太阳能资源数据分析发现，山地村镇由于海拔更高、空气质量更好等原因年总辐照量稍高于重庆市中心，利用潜力更大。太阳辐照量分布季节不均衡性、月不均衡性、日不均衡性较明显，5-9月太阳辐照量占比60.8％，分布集中度高，从辐射强度角度出发分析山地村镇日最佳利用时段为中午（12:00-14:00），其次是下午。分析实测数据发现天气（日照时数）、气温日较差与日辐照量相关性很强，故分别以日照时数和气温日较差作为参数建立基于经验系数的太阳辐射预测模型对山地村镇4季代表月日总辐照量进行了模拟计算，并与实测值对比验证。
　　采集太阳能资源数据的同时开展为期一年的重庆山地村镇太阳能热水系统实测研究。实验发现，太阳能贮热水箱终温（近似看成生活热水供水温度）与日辐照量相关性强，根据拟合曲线，日辐照量在10MJ/㎡时，水箱终温对应约为55℃。对热水保证率的计算分析表明：全年有一半的天数能提供40℃以上热水，有四分之一的天数能保证60℃以上的热水，在太阳能资源贫乏的冬季有三分之一的天数能保证40℃以上热水。全年集热效率分布于0.4-0.8之间，当水箱水温处于40-60℃时，集热效率最高，当水箱温度大于60℃时，集热效率开始下降。
　　采用能分析法、?分析法对太阳能生活热水系统进行热力学分析计算，并与电热水器、燃气热水器和空气源热泵热水系统进行对比。太阳能生活热水系统一次能源利用率优势明显，?效率并不高，但可认为输入太阳能生活热水系统的?为免费?，与其他户式生活热水系统相比节能效果显著。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的目的、内容和意义

2 调研分析

2.1 生活热水热源来源

2.2 生活热水使用习惯

2.3 太阳能热水器存在问题及改进

2.4 本章小结

3 实验方案与测试平台

3.1 实验方案

3.2 测试平台

3.3 实验误差分析

4 太阳能资源实测分析

4.1 不同时间尺度辐照量分布规律

4.2 不同天气辐照量分布规律

4.3 日辐照量与环境温度

4.4 本章小结

5 太阳能热水系统实测分析

5.1 水箱终温

5.2 热水保证率

5.3 系统集热效率

5.4 贮热水箱热损系数

5.5 本章小结

6 基于经验系数的太阳辐射模型验证

6.1 基于经验系数太阳辐射模型建立

6.2 基于经验系数太阳辐射模型验证

6.3 本章小结

7 典型户式生活热水系统热力学分析

7.1 热力学分析方法

7.2 一次能源利用率计算

7.3 ?平衡模型及计算

7.4 太阳能生活热水系统?分析

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目