用于大型室内游泳池的太阳能热水系统设计技术研究

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3.0 赵德峰 2025-01-09 5 4 3.04MB 68 页 15积分

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摘要

本课题源于上海理工大学结合体育馆游泳池与太阳能利用的改造项目。要求

设计一套用于游泳池池水加温的大型太阳能热水系统，利用太阳能加热池水温度，

降低温水泳池的运行成本，并且把太阳能热水系统与学生公共浴室热水系统相连，

形成与辅助能源互补利用的效果，充分体现了其经济性，达到节能减排目的与环

境友好的特征。

虽然随着能源危机的出现，国内外太阳能资源的利用得到了较大的发展，但

是由于对于太阳能集热系统效率与价格的原因，使得太阳能的推广受到制肘。设

计技术也还未成熟，尤其是在大型太阳能热水系统的利用中，存在着诸如温度不

够、流量、压力不均匀、空晒等实际问题，因此对于大型太阳能热水系统设计技

术的研究迫在眉睫。本文将通过包括计算、模拟等技术对于大型太阳能系统的设

计技术进行研究分析。

本文参考了大量国内外的有关太阳能热水系统、游泳池的设计资料以及国内

太阳能集热器的性能及实用性的资料，经过严密的设计计算及模型的建立，把目

前在太阳能领域较少应用的 CFD 模拟技术引用到太阳能集热器换热效果与流动

特性研究上。

通过本课题的研究，设计了一整套用于游泳池池水加温的太阳能热水系统，

并根据能源互补的要求设计了定温放水与温差循环相结合的控制系统。对太阳能

集热器换热特性进行了数值模拟，不仅直观的看到了铜管入口流速对出口温度的

定性影响，并且对这种影响进行了定量分析——通过曲线拟合得到了给定尺寸、

热流密度下水的出口温度与入口流速的关系曲线与方程系为幂函数：

y=111.06x-0.718，为未来的集热器热性能研究提供了具有重要意义的理论依据。对

集热器阵列分布的流体力学特性进行了模拟，分析出集热器流场的流体力学特性，

针对的不同的云图情况，提出了如调压、降速、重点保护对象等措施为解决压力、

流量等不均衡的问题提供依据。最后对项目的投资回收进行了经济性能评估。

随着太阳能应用设计技术的深入研究，一定会使太阳能技术在不就得将来得

到更广泛的推广，为能源与环境的可持续发展提供有力的支持。

关键词：太阳能热水系统换热特性流动特性模拟经济性

ABSTRACT

The subject came from the renovation project of combining solar heating and

gymnasium swimming pool in the University of Shanghai for Science and Technology.

We need to design a set of large-scale solar water-heat system for swimming pool

water heating, reducing the running costs of the heated swimming pool, and combine

solar hot water system with public students’ bathroom to hot the water. Forming the

situation of auxiliary energy complementary which fully embodies its economy,

achieve energy saving purpose and environment-friendly features.

With the advent of the energy crisis, the use of solar energy resources at home and

abroad has been experienced a large development. But due to low efficiency and the

price of the solar collector system, the promotion of solar energy has been limited. The

designing technology is not mature yet, especially in the use of large-scale solar water-

heat systems which exists practical problems such as the not enough temperature, the

uneven flow, pressure, air drying. So for large-scale solar water-heat system design

technology is imminent. This paper will use computing, simulation and other

technologies to research the designing technology of large-scale solar power systems.

This paper has referenced a large number of domestic and international design

information about the solar hot water system, as well as domestic solar collector

property and practicality data. After a rigorous design calculations and a model

establishment, inject the CFD simulation technology which is rarely used in the field of

solar energy to research the heat transfer and flow characteristics of solar collectors.

In this paper, through the study of the subject, we designed a complete set of solar

water-heat system for swimming pool water heating. According to the requirements of

energy complementary we designed a control system combined temperature-control to

distribute water with temperature cycle. Through the numerical simulation of solar

collectors’ heat transfer characteristics, we not only visually see the qualitative

influence of inlet flow rate for the outlet temperature but aslo quantitatively analysis

the effect by curve fitting under a given size, water flux ,which we can see how the

outlet temperature varies with the inlet flow rate. Under the given conditions we finally

got the equation: y = 111.06x-0.718, which provided important theoretical basis for the

thermal properties of the collector. Next we simulated the hydrodynamic

characteristics of the collector array distribution, analyzed the hydrodynamic

characteristics of the collectors. From different cloud images we proposed the solutions

as: regulator, deceleration, key protection measures to solve the pressure, uneven flow

problems. Finally, we assessed the economic property recovery of the project's

investment.

With the in-depth study of the the solar application design technology, the solar

technology must have been broader promoted in the future, which will provide strong

supports for the sustainable development of energy and environment.

Key Word：Solar, Water-heat system, Thermodynamic Calculation,

Heat Transfer Characteristic, Flow characteristics, Simulation,

Economic Property

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

1.1 课题背景与意义 .............................................. 1

1.2 国内外太阳能利用技术的发展现状 .............................. 2

1.3 国内外太阳能集热器特性研究动态 .............................. 9

1.4 本文研究内容及意义 ......................................... 10

第二章用于加热游泳池的太阳能热水系统设计方案 .................... 12

2.1 项目的提出 ................................................. 12

2.1.1 军工路校区游泳池的基本参数 ............................. 12

2.2 太阳辐射计算理论依据 ....................................... 12

2.2.1 太阳能辐射强度概述 ..................................... 12

2.2.2 水平面上太阳辐射强度计算 ............................... 14

2.2.3 倾斜面上太阳辐射强度计算 ............................... 14

2.2.4 集热器最佳倾角的优化 ................................... 15

2.3 室内游泳池池水的热平衡计算 ................................. 18

2.3.1 室内游泳池空气参数的设定 ............................... 18

2.3.2 热平衡方程式 ........................................... 19

2.3.3 通过池水水面的热损失 ................................... 19

2.3.4 池水补充水的热耗量 ..................................... 21

2.3.5 游泳池的管道、池底、池壁和设备等传导所损失的热量 ....... 21

2.3.6 更衣室用水热负荷 ....................................... 21

2.3.7 总的热负荷 ............................................. 22

2.4 太阳能集热器面积的确定 ..................................... 22

2.4.1 集热器型式的选择 ....................................... 22

2.4.2 集热器面积的确定 ....................................... 24

2.5 太阳能游泳池加热系统的控制过程 ............................. 25

2.5.1 对控制系统作用的设计要求 ............................... 25

2.5.2 太阳能游泳池加热系统的控制过程 ......................... 27

2.6 本章小结 ................................................... 28

第三章太阳能集热器换热特性的数值模拟 ............................ 29

3.1 U 型管集热器换热模型的建立 .................................. 29

3.1.1 模型的建立 ............................................. 29

3.1.2 U 型管的三维网格划分 .................................... 30

3.2 模型的边界与求解设置 ....................................... 32

3.2.1 单根 U型集热管模型边界条件设置情况 ..................... 32

3.2.2 三维模型的求解设置 ..................................... 32

3.3 计算结果与分析 ............................................. 34

3.4 温度分布的曲线拟合与方程的得出 ............................. 38

3.4.1 迭代计算稳态时刻的出口温度 ............................. 38

3.4.2 趋势拟合及回归分析结果 ................................. 39

3.5 本章小结 ................................................... 42

第四章集热器阵列分布的流体力学特性研究 .......................... 43

4.1 集热器串联的特点 ........................................... 43

4.2 并联集热器管路模型的建立 ................................... 44

4.2.1 并联集热器中进水管路模型的建立 ......................... 44

4.2.2 并联集热器进水管路的三维网格划分 ....................... 45

4.3 并联集热器的管路流动特性模拟 ............................... 46

4.3.1 模型的边界条件设置情况 ................................. 46

4.3.2 管路三维模型的求解设置 ................................. 46

4.3.3 计算结果与分析 ......................................... 48

4.4 太阳能集热系统的联接 ....................................... 53

4.5 本章小结 ................................................... 53

第五章太阳能加热系统经济性分析 .................................. 54

5.1 系统投资费用 ............................................... 54

5.2 太阳能供热系统的投资经济平衡 ............................... 54

5.2.1 与原煤比太阳能系统的投资回收期 ......................... 54

5.2.2 与电相比太阳能系统的投资回收期 ......................... 55

5.3 总体评价 ................................................... 56

5.4 本章小结 ................................................... 56

第六章总结与建议 ................................................ 57

6.1 总结 ....................................................... 57

6.2 建议与展望 ................................................. 58

符号表 ........................................................... 59

第一章绪论

1.1 课题背景与意义

随着人类社会的发展，能源和环境已经成为人们日益关注的一大主题。根据

“BP Statistical Review of World Energy”的统计，世界已探明的石油预计可开采

30～40 年，煤炭预计可开采 200 年，天然气预计还可开采 60 年。例如煤、石油、

天然气等的传统能源的资源短缺和由其造成的环境问题困扰着各国国民经济与社

会的发展。因此研究合适、清洁的新能源已经成为各国应对能源危机的科研导向。

太阳能的开发和利用已经成为各国新能源研究中举足轻重的一部分。在这个

谁先掌握新能源设备与科技，谁就拥有了能源领域话语权的时代，各种能源计划

层出不穷。其中“太阳能行动计划”是以 2050 年太阳能作为主要能源作远景目标，

并确定了以 2015 年的分布式利用、2025 年的替代式利用及 2025 年的规模利用为

中间阶段目标，从光热、光电、光生物、光化学等几个太阳能利用领域的关键技

术问题作为突破口，并在应用示范、核心技术研究、转移化等层面实施[1]。目前

我们正处在太阳能分布式利用的成熟阶段，如何把太阳能利用导入到目前已存在

的大型设备用能上去，取代部分或全部常规能源的利用，甚至用太阳能热量反补

能源系统的能量需求，已经是太阳能利用与发展的趋势所在[2]。例如太阳能与锅

炉联合互补供热系统、太阳能与地源热泵联合供暖、空气源热泵辅助太阳能加热

泳池系统、太阳能吸收式制冷系统等[3]。在太阳能高温利用领域人类也取得了不

菲的成果：槽式集热器发电系统、塔式集热器发电系统以及蝶式集热器发电系统

已进入示范应用甚至投产使用阶段。这正是利用太阳能与常规能源的耦合来达到

能源互补、平衡高峰期用能、减少常规能源危机、减少环境污染的一种优化能源

结构的理想选择。

然而太阳能虽然具有持续可再生性、清洁无污染性，看似取之不尽、用之不

竭，但却由于分散性、随时间季节变化的不稳定性、随机性，给我们的利用带来

了许多技术上的困难。例如日光采集热量与倾角计算的合理性、集热循环系统的

流量分布均衡性问题、集热管入口流速压力的把握、集热器效率特性的研究、集

热器出口温度的衡量等问题一直困扰着太阳能产品的进一步推广和广泛使用，也

使得太阳能集热器的效率因为其中某方面或某几方面的制约而难以达到较高水平。

因此需要科研人员在诸方面的科研攻关，并以技术指导生产，提高我国太阳能产

品的质量，改善太阳能集热系统的效率，从而达到拓宽太阳能利用领域、提高经

济效益与环保效益，真正实现节能减排的意义。

本课题结合上海理工大学体育馆和游泳池的改造项目。在分析上海地区的不

同季节对太阳能集热器热效率的影响后，设计了一套与游泳池配套的大型太阳能

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