论文总字数：23715字

摘 要

针对我国长江中下游地区采暖能耗高的问题，本设计采用空气源热泵为辅助热源的太阳能采暖系统，利用DeST软件建立动力楼选定一办公室模型，计算采暖季逐时负荷与整个采暖季的平均热负荷，研究了不同集热温度，集热器不同方位角下太阳能系统的效率等问题，提出最有利的设计计算方案降低冬季采暖成本。

计算了办公室内冬季采暖热负荷，在其现有的空气源热泵的基础上，选取合适的采暖方式，设计一套以空气源热泵为辅助热源的太阳能采暖系统。集热使用平板集热器，根据南京地区纬度为32度，通过模拟计算得出集热器倾角为47度时冬季太阳能集热量最大；计算水箱体积；南京冬季最低温度低于0℃，集热器需加装防冻装置，设计控制流程图；

通过对系统进行经济性和节能性的分析，得出在所设计的22㎡的办公室内，太阳能使用期限为15年时，系统与独立空调系统经济性相差不大，但在15年间可以减排1202.8kg二氧化碳。

关键词：太阳能采暖，集热器，地板辐射取暖，热泵，经济性分析，节能性分析；

A DESIGN OF AN SOLAR HEATING SYSTEM

Abstract

Aiming at the problem of high energy consumption in the middle and lower reaches of Yangtze River in our country. This design use air source heat pump as auxiliary heat source for the solar heating system, Using DeST software to build power house selected office model, the different fluid temperature in collector and the collector efficiency in different azimuth were studied. In this paper we present a most favorable design.

The paper calculates the heating load in an office in winter. Based on the existing air source heat pump, choose a suitable heating system, design a solar heating system.

Heat collector use flat plate solar collector, according to the information in NASA, we know Nanjing area latitude is 32degrees, we find when the tilt angle of collector is 47 degree, the solar irradiation is maximum. Nanjing temperature often below 0℃，collector should install ant freezing devices ,design of control flow chart.

Analysis of economical efficiency and Behaviors of Energy Conservation, the 22 square meters office, this system has few different with independent air-conditioning system. But this system can reduce 1202.8kg CO₂ emission。

KEY WORDS: solar heating system; floor radiation heating; collector heat pump:

Control system.

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………I

Abstract……………………………………………………………………………II

第一章 绪 论 1

1.1 太阳能采暖简介 1

1.1.1开展太阳能采暖的原因 1

1.1.2太阳能采暖系统运行原理 1

1.2 我国太阳能资源现状 2

1.3 太阳能利用历史及意义 2

1.4 课题研究内容与意义 3

第二章 建筑概况及气象资料 4

2.1 建筑概况 4

2.1.1 目标办公室概况 4

2.2 南京地区典型气象参数 4

第三章 采暖系统设计 6

3.1 热负荷计算 6

3.1.1热负荷计算理论公式 6

3.1.2 DeST模型建立与计算 6

3.2 地板采暖设计计算 9

3.2.1 地板辐射采暖概述 9

3.2.2 地热盘管的设计 9

第四章 太阳能集热系统设计 12

4.1 太阳能集热器的选择 12

4.1.1集热器类型选择 12

4.1.2 集热器集热面积计算 13

4.1.3 集热器倾角的确定 15

4.1.4集热器选择 19

4.2换热器选型计算 19

4.3太阳能集热系统流量计算 21

4.4 蓄热水箱的选择 22

4.5 辅助热源 24

4.6水泵的选择 25

4.7系统控制运行 26

第五章 系统经济与节能分析 29

5.1 经济性分析 29

5.1.1 资金的时间价值 29

5.1.2 独立空调系统采暖成本分析 29

5.1.3空调系统为辅助热源的太阳能采暖系统成本分析 30

5.2 CO₂排量分析 31

5.2.1碳排量 31

5.2.2系统减排分析 31

第六章 讨论与分析 32

6.1设计的问题 32

6.2分析 32

致谢 33

参考文献（References） 34

第一章 绪 论

1.1 太阳能采暖简介

1.1.1开展太阳能采暖必要性分析

我国是发展中国家，目前国内资源消耗量巨大，而其中，建筑能耗占了全社会能源消耗的33%，并且随着社会的发展将进一步增加。在建筑能耗中，采暖空调所占的比例超过了65%，在小型城市或农村，这一比例将超过70%，近些年，南方尤其是夏热冬冷地区的采暖形式的改进，使采暖负荷进一步增加，开展太阳能采暖系统，是缓解国家资源，环境压力的必要手段。

工业革命后到现在200年间，人类的发展主要是依靠燃烧化石燃料，对于我国来说，我国是一个资源丰富，但是人均占有量很低的国家，石油和天然气的人均拥有量只占世界平均值得7%左右。这些化石燃料不可再生，随着经济发展，能源价格也不断提高，以现在的发展速度，到2020年，我国建筑能耗按标准煤衡量将达到10.9亿吨，若折合成电将是三峡电站34年发电量的总和还多。

而在众多太阳能利用技术中，太阳能采暖技术相对而言技术已经成熟，我国建设部已经批准了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，并且，在太阳能设计方面，也出台了《太阳能供热采暖工程技术规范》，很多科研机构和企业也在进行相关的研究，应用前景也比较好。

1.1.2太阳能采暖系统运行原理

太阳能采暖系统的最重要的组成是太阳能集热器。计算设计目标的热负荷，天气参数，太阳辐射量等数据后，计算得出集热器的面积，选择合适的型号。

我国大部分地区除了严寒地区以外，太阳能系统中传热介质一般是水，冷水在集热器中通过太阳能加热为热水，储存在储热水箱中，使用时在用管道传输至散热器，传递给供热空间，散热后的回水会重新回到集热器中，使用循环水泵作为系统循环的动力。

冬季最低温度在0℃以下的地区，集热器系统的循环需要加装防冻措施，安装合理的控制系统可以防止系统过热或者过冷。一般情况下，系统还需要加装辅助热源，在太阳辐射量不足的情况下使用。

1.2 我国太阳能资源现状

我国幅员辽阔，陆地面积为世界第三位。全国将近76%的国土面积的年日照小时数超过2200小时，全国各地每平方米太阳年辐射总量为3340-8400MJ，每平方米年平均太阳能辐照量超过了5000MJ，对太阳能的合理开发利用，对于我国改善环境污染，促进经济新常态，可持续发展，提高人民生活质量等方面，都有重大的意义。

全国各地区太阳能辐照量以青藏高原地区最大，平均海拔在4000米以上的青藏高原中，大气透明度高，大气层薄，日照时间长。以有"日光城"之称的拉萨市为例，年平均日照时间为3000小时以上，相对日照为68% ，年平均晴天为108. 5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，每平方米年太阳总辐射量为8160MJ，高于全国其他省区和同纬度的地区。全国以四川和贵州两省及重庆市的太阳年辐射总量最低，以四川盆地为例，由于雨多、雾多、晴天较少缘故，素有"雾都"之称的重庆市，年平均日照时数仅为1152时，相对日照为26% ，年平均晴天为24.7天、阴天达 244.6天，年平均云量高达8.4。

1.3 太阳能利用历史及意义

据西北大学科技史教授姚远考证，“问经堂丛书”（清孙星衍，孙冯翼辑，十八辑三十一卷）引淮南万毕述载，西汉时，削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。这是我国最早利用太阳能的历史记录。又据史料记载，在西周时代，我们的祖先已经掌握了阳燧取火的技术。阳燧实际上是一种金属凹面镜，也是一项杰出的发明，在世界科学史上有着重要的地位。

而对太阳能利用的研究，大概从17世纪著名意大利科学家伽利略开始的。在之后不就，人们发明了用太阳光融化钻石，18世纪就已经发明了用太阳能驱动的发动机。到20世纪初，智利人就建立了太阳能蒸馏水厂，埃及人成功发明了灌溉用的太阳能水泵。1920年到1930年，美国加州地区开始使用太阳能集热器为用户供应热水。类似的装置也可用于房屋取暖，1938年美国麻省理工学院建成了第一座用太阳能采暖的建筑。从这以后，到1960年，世界建成了20座试验性的建筑，由它们得到的实测数据，为今天的太阳房设计奠定了良好的基础。

二十世纪后期，整个世界进入空间时代，太阳能电池成为了卫星，空间站的主要能源供应，也是科学家们提出更大胆的利用太阳能的新方案，提出建立太阳能空间站，收集太阳能后以微波形式发射到地面，在地面再将微波转换成电能，但由于规模太大投资太高至今尚没有实现，但是在探索新的方案的过程中产生的新的技术，已经运用在很多方面。

1.4 课题研究内容与意义

为了达到节能减排绿色建筑的要求，针对本次设计目标的一间面积为20平方米的小型办公室，使用太阳能辐射采暖方式，设计中应用DeST建立三维模型，输出目标办公室的逐时负荷和采暖标准，进行热负荷分析，水力计算和采暖设计计算，对集热器，储热水箱，换热器，辅助热源，水泵等重要构件进行选择计算，分析辅助热源在不同位置的优劣，采取必要的防冻，防过热措施，比较不同控制方式的优劣，并给出合理的控制方案，比较了设计方案与独立空调采暖的经济性，比较了不同采暖方案的二氧化碳排放量。

就目前我国南方采暖方式而言，因缺乏集中统一供暖，小型锅炉，中央空调，热泵，普通挂壁式空调等多种采暖方式参差不齐，效率也高低不一，其中主要以空调，电热系统作为取暖方式。有研究调查了上海地区1861户的采暖方式，其中，纯空调采暖21%，纯电热15%，空调加电热采暖26%，其他采暖方式36%，集中采暖仅为2%。居民基本为独立采暖方式，小型太阳能采暖系统既能降低采暖能耗，又负荷南方大部分城市的实际情况，本设计可以为今后小型独立太阳能采暖系统的设计提供一定的参考价值。

第二章 建筑概况及气象资料

2.1 建筑概况

2.1.1 目标办公室概况

该办公室位于南京市一幢4层楼高办公室4楼，面积6.0×3.7m²，层高3.1 m；两个窗户1.2×2.2 m²，一个门1.0×2.2 m²；办公室一般有8个人工作，人员密度较大。主要建筑构件材料如下：

外墙为24砖墙 聚苯板内保温

屋顶为加气混凝土保温屋面

挑空楼板为加气混凝土保温挑空楼板

楼地构件240mm砖楼地

内墙为12砖墙

楼板构件为钢筋混凝土楼板

外窗为标准外窗2.70-0.65

外门构件双层阳台金属外门

2.2 南京地区典型气象参数

南京地区的气象参数：南京纬度32°00'，水平面年辐照量4444.666MJ/(m².a)，在纬度倾斜角年辐照量4714.471MJ/m²，平均一年日照时数2049.3h。

图1 南京每个月平均温度

如上图所示，7月份平均温度最高，1月份平均温度最低，南京年平均环境温度15.4℃。

水平面12月辐照量8.163，纬度倾斜角12月辐照量10.440，12月日照时数155.2h，12月平均温度4.4℃。采暖控制温度 18.00℃，采暖期度日数为1935.92，采暖度小时数47577.20。

图2 南京全年太阳直射辐射强度统计图

由于天气原因，太阳辐照量在0-100W之间的小时数最大，辐射强度越大，辐射小时数越低。太阳能辐照强度依照如上数据查询相关规范，南京地区属于资源一般区，太阳能保证率在40%左右。

第三章 采暖系统设计

3.1热负荷计算

3.1.1热负荷计算理论公式

供暖热负荷为建筑物耗热量，整个采暖季建筑物的热负荷按下式计算：

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