太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確 定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽能是地球上一切能源的主要來源，它是無窮無盡的，無公害的清潔能源，也是 21世紀(jì)以后人類可期待的最有希望的能源。我國地域遼闊，年日照時(shí)間大于2000小時(shí)的地 區(qū)約占全國面積的2/3,處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi)。
[0003] 但是太陽能是稀薄的能源，它的地球表面的能源密度較低。并且太陽輻射熱量有 季節(jié)、晝夜的規(guī)律變化，同時(shí)還受陰晴云雨等隨機(jī)因素的強(qiáng)烈影響，故太陽輻射熱量具有很 大不穩(wěn)定性。由于太陽能集熱與建筑供暖熱負(fù)荷需求具有波動(dòng)性，以及太陽能集熱與供暖 熱負(fù)荷需求具有不同步性等特征，如圖1所示，導(dǎo)致要利用太陽能，必須要解決太陽能的間 隙性和不可靠性問題。太陽能利用系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱裝置是解決上述問題的最有效的方法之 一。實(shí)踐證明，蓄熱裝置對(duì)提高太陽能的利用效率具有特別重要的意義。
[0004] 常采用的太陽能供暖蓄熱的方法有，蓄熱水箱蓄熱、相變材料蓄熱、土壤蓄熱等形 式。實(shí)際太陽能供暖工程中最常采用的是蓄熱水箱蓄熱的方式，如圖2所示，該蓄熱系統(tǒng)形 式通過集熱器1、水箱2以及輔助熱源3等主要設(shè)備部件，通過集熱、蓄熱等形式滿足室內(nèi)熱 需求。
[0005] 但是，蓄熱容積過大會(huì)造成水箱溫度明顯低于設(shè)計(jì)供水溫度，系統(tǒng)需長時(shí)間啟動(dòng) 輔助熱源進(jìn)行供熱，降低了系統(tǒng)的節(jié)能性，蓄熱容積過小則會(huì)造成集熱器回水溫度偏高，降 低集熱器的集熱量，同樣會(huì)降低系統(tǒng)的節(jié)能性?？梢?，如何確定蓄熱水箱的容積，成為太陽 能熱水供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》GB50495-2009 中指出，各類太陽能供熱采暖系統(tǒng)對(duì)應(yīng)每平方米太陽能集熱器采光面積的儲(chǔ)熱水箱應(yīng)按照 表1進(jìn)行選取，但是由于不同地區(qū)、不同建筑類型以及不同建筑參數(shù)的差異，導(dǎo)致最佳蓄熱 容積不同，現(xiàn)有技術(shù)并未給出準(zhǔn)確的蓄熱容積確定方法。
[0006] 表1太陽能集熱器采光面積的儲(chǔ)熱水箱
[0007]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問題，提供一種能夠以輔助熱源全年能耗最 低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，獲得太陽能熱水供暖系統(tǒng)最優(yōu)蓄熱容積的確定方法。
[0009] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確 定方法，其特征在于：以太陽能供暖系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為約束條件，蓄熱系統(tǒng)容積為優(yōu)化決 策變量，輔助熱源全年能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型，具體為：
[0010] a)、約束條件
[0011] ①系統(tǒng)逐時(shí)熱量平衡關(guān)系：
[0012] 第h時(shí)刻集熱器直接供熱量可表示為：
[0014] 第h時(shí)刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：
[0016] 第h時(shí)刻由太陽能集熱直接供熱后不足的熱量可表示為（不足熱需求將由蓄熱量 與輔助熱源供熱）：
[0018] 第h時(shí)刻水箱即時(shí)蓄熱量可表示為：
[0019]
[0020] 第h時(shí)刻輔助熱源供熱量可表示為：
[0021]
[0022] 式中斗(h)為第h時(shí)刻集熱器集熱量，
[0024] Θ為集熱器安裝傾角，° ;
[0025] I(h)為第h時(shí)刻傾斜面的太陽輻照強(qiáng)度，W/m2;
[0026] Qf (h)為第h時(shí)刻供暖所需熱量，kj;
[0027] ②全年能耗量（以電量來算）：
[0028]
[0029] 式中，Q(V)為全年能耗量（以電量來算），kWh;
[0030] COP(h)為第h時(shí)刻空氣源熱栗的制熱性能系數(shù)，W/W;
[0031] ③水箱水溫上限約束：
[0032] t彡t_
[0033] 式中，t_為水箱的最大水溫，°C;
[0034] b)、目標(biāo)函數(shù)
[0035] 輔助熱源全年能耗最?。?br>[0036]
[0037] 本發(fā)明所述的太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確定方法，其通過所述優(yōu)化模型，利 用MATLAB軟件編制求解程序進(jìn)行求解，具體為：
[0038] a)、根據(jù)建筑參數(shù)及逐時(shí)氣象參數(shù)，計(jì)算用戶負(fù)荷需求；
[0039] b)、由集熱器光熱面積與安裝角度初步確定太陽能熱水供暖系統(tǒng)的蓄熱容積；
[0040] c)、結(jié)合逐時(shí)氣象參數(shù)以及設(shè)備熱力特性，得出集熱量，形成系統(tǒng)能流平衡關(guān)系；
[0041] d)、根據(jù)輔助熱源逐時(shí)消耗電量，計(jì)算建筑年能耗；
[0042] e)、判斷建筑年能耗是否小于設(shè)定值，若年能耗小于設(shè)定值，則獲得太陽能熱水供 暖系統(tǒng)的最優(yōu)蓄熱容積，并輸出，若年能耗大于設(shè)定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能熱 水供暖系統(tǒng)的蓄熱容積。
[0043] 本發(fā)明主要以太陽能供暖系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為約束條件，蓄熱系統(tǒng)容積為優(yōu)化決 策變量，輔助熱源全年能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型，最終確定太陽能熱水供暖 系統(tǒng)的最優(yōu)蓄熱容積，有效解決了因不同地區(qū)、不同建筑類型以及不同建筑參數(shù)的差異，而 導(dǎo)致的最佳蓄熱容積不同的問題，從而起到了良好的節(jié)能作用。
【附圖說明】
[0044] 圖1是太陽能集熱與供暖熱負(fù)荷的波動(dòng)性與不同步性示意圖。
[0045] 圖2是現(xiàn)有蓄熱水箱蓄熱形式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046] 圖3是本發(fā)明利用軟件的求解流程圖。
[0047] 圖中標(biāo)記：1為集熱器，2為水箱，3為輔助熱源。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
[0049] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā) 明，并不用于限定發(fā)明。
[0050] 實(shí)施例：一種太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確定方法，以太陽能供暖系統(tǒng)能流平 衡關(guān)系為約束條件，蓄熱系統(tǒng)容積為優(yōu)化決策變量，輔助熱源全年能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)函 數(shù)，建立優(yōu)化模型，具體為：
[0051] a)、約束條件
[0052] ①系統(tǒng)逐時(shí)熱量平衡關(guān)系：
[0053]第h時(shí)刻集熱器直接供熱量可表示為：
[0055] 第h時(shí)刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：
[0056]
[0057] 第h時(shí)刻由太陽能集熱直接供熱后不足的熱量可表示為（不足熱需求將由蓄熱量 與輔助熱源供熱）：
[0059] 第h時(shí)刻水箱即時(shí)蓄熱量可表示為：
[0060]
[0061] 第h時(shí)刻輔助熱源供熱量可表示為：
[0062]
[0063]式中斗(h)為第h時(shí)刻集熱器集熱量，
[0065] Θ為集熱器安裝傾角，° ;
[0066] I(h)為第h時(shí)刻傾斜面的太陽輻照強(qiáng)度，W/m2 ;
[0067] Qf (h)為第h時(shí)刻供暖所需熱量，kj;
[0068] ②全年能耗量（以電量來算）：
[0069]
[0070] 式中，Q(V)為全年能耗量（以電量來算），kWh;
[0071] COP(h)為第h時(shí)刻空氣源熱栗的制熱性能系數(shù)，W/W;
[0072] ③水箱水溫上限約束：
[0073] t彡t_
[0074]式中，t_為水箱的最大水溫，°C;
[0075] b)、目標(biāo)函數(shù)
[0076] 輔助熱源全年能耗最?。?br>[0077]
[0078] 通過所述優(yōu)化模型，根據(jù)如圖3所示的求解流程，利用MATLAB軟件編制求解程序 進(jìn)行求解，具體為：
[0079]a)、根據(jù)建筑參數(shù)及逐時(shí)氣象參數(shù)，計(jì)算用戶負(fù)荷需求；
[0080] b)、由集熱器光熱面積與安裝角度初步確定太陽能熱水供暖系統(tǒng)的蓄熱容積；
[0081]c)、結(jié)合逐時(shí)氣象參數(shù)以及設(shè)備熱力特性，得出集熱量，形成系統(tǒng)能流平衡關(guān)系；
[0082]d)、根據(jù)輔助熱源逐時(shí)消耗電量，計(jì)算建筑年能耗；
[0083]e)、判斷建筑年能耗是否小于設(shè)定值，若年能耗小于設(shè)定值，則獲得太陽能熱水供 暖系統(tǒng)的最優(yōu)蓄熱容積，并輸出，若年能耗大于設(shè)定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能熱 水供暖系統(tǒng)的蓄熱容積。
[0084] 具體案列：以川西高原理塘縣某三層酒店建筑為例，該建筑總面積約為3000m2， 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。利用Dest負(fù)荷模擬軟件可計(jì)算得，全年建筑 供暖負(fù)荷為142178. 56kWh。建筑太陽能集熱面積為350m2,項(xiàng)目采用空氣源熱栗作為輔助 熱源，供暖回水溫度為50°C，供水溫度為60°C，供回水溫差為10°C。
[0085] 利用本發(fā)明的蓄熱系統(tǒng)優(yōu)化確定方法，可計(jì)算得到最優(yōu)的蓄熱容積為71m3,即蓄 熱容積指標(biāo)為203L/m2。在該容積下，輔助熱源電耗21667. 2kWh。
[0086] 若按照《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》（GB50495-2009)給出的取值范圍，分 別取 50L/m2、100L/m2、150L/m2。則可計(jì)算得輔助熱源能耗為 33488. 7kWh、23256. 3kWh、 21967. 4kWh，均大于本發(fā)明優(yōu)化出的蓄熱系統(tǒng)容積下輔助熱源能耗，可見，本發(fā)明可以進(jìn)一 步起到良好的節(jié)能作用。
[0087] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確定方法，其特征在于：W太陽能供暖系統(tǒng)能流平衡 關(guān)系為約束條件，蓄熱系統(tǒng)容積為優(yōu)化決策變量，輔助熱源全年能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)， 建立優(yōu)化模型，具體為： a)、約束條件 ① 系統(tǒng)逐時(shí)熱量平衡關(guān)系： 第h時(shí)刻集熱器直接供熱量可表示為：第h時(shí)刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：第h時(shí)刻由太陽能集熱直接供熱后不足的熱量可表示為（不足熱需求將由蓄熱量與輔 助熱源供熱）：Θ為集熱器安裝傾角，D; I化）為第h時(shí)刻傾斜面的太陽福照強(qiáng)度，W/m2; Qf化）為第h時(shí)刻供暖所需熱量，kj; ② 全年能耗量電量來算）：式中，Q(V)為全年能耗量（W電量來算），kWh; COP化）為第h時(shí)刻空氣源熱累的制熱性能系數(shù)，W/W; ③ 水箱水溫上限約束： t《tmax 式中，tm。、為水箱的最大水溫，°C; b)、目標(biāo)函數(shù) 輔助熱源全年能耗最A(yù)，2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確定方法，其特征在于：通過 所述優(yōu)化模型，利用MATLAB軟件編制求解程序進(jìn)行求解，具體為： a)、根據(jù)建筑參數(shù)及逐時(shí)氣象參數(shù)，計(jì)算用戶負(fù)荷需求； b) 、由集熱器光熱面積與安裝角度初步確定太陽能熱水供暖系統(tǒng)的蓄熱容積； C)、結(jié)合逐時(shí)氣象參數(shù)W及設(shè)備熱力特性，得出集熱量，形成系統(tǒng)能流平衡關(guān)系； d) 、根據(jù)輔助熱源逐時(shí)消耗電量，計(jì)算建筑年能耗； e)、判斷建筑年能耗是否小于設(shè)定值，若年能耗小于設(shè)定值，則獲得太陽能熱水供暖系 統(tǒng)的最優(yōu)蓄熱容積，并輸出，若年能耗大于設(shè)定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能熱水供 暖系統(tǒng)的蓄熱容積。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽能熱水供暖系統(tǒng)蓄熱容積確定方法，其主要以太陽能供暖系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為約束條件，蓄熱系統(tǒng)容積為優(yōu)化決策變量，輔助熱源全年能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型，最終確定太陽能熱水供暖系統(tǒng)的最優(yōu)蓄熱容積，有效解決了因不同地區(qū)、不同建筑類型以及不同建筑參數(shù)的差異，而導(dǎo)致的最佳蓄熱容積不同的問題，從而起到了良好的節(jié)能作用。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105243235
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510746702
【發(fā)明人】戎向陽, 馮雅, 司鵬飛, 閔曉丹, 劉希臣
【申請(qǐng)人】中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年11月5日