论文总字数：34126字

摘 要

雾霾是近几年较严重的污染问题，多发生在冬季供暖期，主要是低效率的燃煤、燃油锅炉供暖造成的，因此有一个较低污染排放，较高效率的供暖系统对可持续发展有重要意义。光热中温补偿型电锅炉采用电能为主太阳能为辅的能源驱动形式，充分体现了“清洁替代”和“电能替代”，具有良好的应用前景。本文的创新点在于研究了此类系统的动态特性，对后续的控制方案研究和系统优化有指导意义。

本文先将光热中温补偿型电锅炉系统分成了热用户，太阳能，电锅炉三个子系统，并进行选型设计，为动态建模提供结构参数，初始状态参数等数据，用于动态建模的静态验证。之后利用机理建模法建立各个模块的数学模型，并使用集总参数法在SIMULINK平台上建立了管道，泵，蓄水箱等的动态模型，使用分段集总参数法建立了换热器的动态模型。分析了室外温度阶跃对室内温度和热用户系统的散热器、管道、泵等的出口温度的影响；给出了太阳能和电锅炉系统换热器出口在不饱和状态和饱和状态时，温度、流量和压力的变化情况并分析了产生变化的原因；揭示了太阳直射辐射强度（Direct Normal Irradiance，简称DNI）阶跃对太阳能系统各部分的温度、流量、压力的影响；分析了电功率的阶跃对电锅炉系统各部分的温度、流量、压力的影响，并通过选型设计、文献查阅、公式推导验证了模型的正确性。

同时，将子系统集成整体系统并在SIMULINK平台上进行了系统的仿真研究，研究了室外温度阶跃、DNI阶跃、电功率阶跃下系统各个参数的变化情况；研究了在实际情况下系统各参数的变化情况。并基于经济节能的目的提出了简单的控制策略。

关键词：太阳能 电锅炉 热负荷 换热器 仿真

ABSTRACT

In recent years, haze has become a serious pollution problem, mostly in the winter heating period, mainly caused by inefficient coal or fuel combustion boiler heating, so it is of significance to have the heating system which have a zero pollution emissions and the higher efficiency. The electric boiler compensated with optothermal of medium temperature use the form of energy-driven that mainly the electric energy and an auxiliary solar energy, which fully embodies the "energy substitution" and "electricity substitution" and has good application prospect. The point of innovation is the study of its dynamic characteristics, which is instructive for the subsequent control program research and system optimization.

In this paper, the system is divided into three modules, heat consumer, electric boiler and solar energy modules. And put forward the design mode of the system, which is the inspection standard for the dynamic modeling of the system. Later, establish the mathematical model of three modules using lumped parameter method, including pipelines, pumps, water tanks and so on, and using segmented lumped parameter method for exchanger. establish the dynamic modeling on SIMULINK platform. Analyze the influence of the outdoor temperature step on the indoor temperature, and the outlet temperature of pipe and pump in the heat consumer module. The unsaturated and saturated state of outlet temperature of the heat exchanger in solar energy and electric boiler modules is given. The influence of DNI step on the temperature, flow and pressure of each part of the solar module is revealed. The influence of electric power step on the temperature, flow and pressure of each part of the electric boiler module is analyzed.

At the same time, the simulation of the system is carried out on the SIMULINK platform. The changes of the parameters in the system under the condition of outdoor temperature step, DNI step and electric power step are studied. The changes of the parameters of the system under the actual conditions are studied. For the purpose of economic and energy conservation, simple control strategys are putting forward.

Keywords: solar energy; electric boiler; thermal load; heat exchanger; simulation

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1. 课题研究的背景及意义 1

1.1.1课题研究的背景 1

1.1.2课题研究的意义 2

1.2. 国内外研究现状 2

1.3. 本文研究的主要内容 3

第二章 光热中温补偿型电锅炉的选型设计 5

2.1. 系统原理介绍 5

2.2. 热用户系统选型设计 6

2.2.1 供暖用户 6

2.2.2 管道 7

2.2.3 增压泵 8

2.2.4 蓄水箱 9

2.3. 太阳能供热系统选型设计 9

2.3.1 表面式换热器 10

2.3.2 管道 10

2.3.3 增压泵 11

2.3.4 太阳能集热器 11

2.4. 电锅炉供热系统选型设计 12

2.4.1 表面式换热器 12

2.4.2 管道 12

2.4.3 增压泵 12

2.4.4 电锅炉换热器 13

2.5. 本章小结 13

第三章 光热中温补偿型电锅炉的动态建模 14

3.1. 动态建模的原理和方法 14

3.2. 系统各模块数学模型建立 14

3.2.1 热用户系统数学模型 14

3.2.2 太阳能供热系统数学模型 15

3.2.3 电锅炉供热系统数学模型 17

3.3. 系统仿真模型实现 18

3.3.1 仿真系统简介 18

3.3.2 热用户系统仿真模型及结果分析 18

3.3.3 太阳能供热系统仿真模型及结果分析 22

3.3.4 电锅炉系统仿真模型及结果分析 29

3.4. 本章小结 34

第四章 光热中温补偿型电锅炉的仿真研究 36

4.1. 系统阶跃响应及分析 36

4.1.1 室外温度阶跃 36

4.1.2 DNI阶跃 39

4.1.3 电功率阶跃 42

4.2. 实际情况下的系统仿真 45

4.3. 简单的控制策略 48

4.4. 本章小结 49

第五章 总结与展望 51

致谢 52

参考文献 53

符号说明