太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于太陽能利用技術領域，特別涉及一種太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確 定方法。
【背景技術】
[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，年日照時間大于2000小時的地 區約占全國面積的2/3,處于利用太陽能較有利的區域內。
[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、晝夜的規律變化，同時還受陰晴云雨等隨機因素的強烈影響，故太陽輻射熱量具有很 大不穩定性。由于太陽能集熱與建筑供暖熱負荷需求具有波動性，以及太陽能集熱與供暖 熱負荷需求具有不同步性等特征，如圖1所示，導致要利用太陽能，必須要解決太陽能的間 隙性和不可靠性問題。太陽能利用系統中設置蓄熱裝置是解決上述問題的最有效的方法之 一。實踐證明，蓄熱裝置對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，該蓄熱系統形 式通過集熱器1、水箱2以及輔助熱源3等主要設備部件，通過集熱、蓄熱等形式滿足室內熱 需求。
[0005] 但是，蓄熱容積過大會造成水箱溫度明顯低于設計供水溫度，系統需長時間啟動 輔助熱源進行供熱，降低了系統的節能性，蓄熱容積過小則會造成集熱器回水溫度偏高，降 低集熱器的集熱量，同樣會降低系統的節能性。可見，如何確定蓄熱水箱的容積，成為太陽 能熱水供暖系統設計的重要環節。國家標準《太陽能供熱采暖工程技術規范》GB50495-2009 中指出，各類太陽能供熱采暖系統對應每平方米太陽能集熱器采光面積的儲熱水箱應按照 表1進行選取，但是由于不同地區、不同建筑類型以及不同建筑參數的差異，導致最佳蓄熱 容積不同，現有技術并未給出準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熱水箱
[0007]
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種能夠以輔助熱源全年能耗最 低為優化目標函數，獲得太陽能熱水供暖系統最優蓄熱容積的確定方法。
[0009] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確 定方法，其特征在于：以太陽能供暖系統能流平衡關系為約束條件，蓄熱系統容積為優化決 策變量，輔助熱源全年能耗最低為優化目標函數，建立優化模型，具體為：
[0010] a)、約束條件
[0011] ①系統逐時熱量平衡關系：
[0012] 第h時刻集熱器直接供熱量可表示為：
[0014] 第h時刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：
[0016] 第h時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時刻水箱即時蓄熱量可表示為：
[0019]
[0020] 第h時刻輔助熱源供熱量可表示為：
[0021]
[0022] 式中斗(h)為第h時刻集熱器集熱量，
[0024] Θ為集熱器安裝傾角，° ;
[0025] I(h)為第h時刻傾斜面的太陽輻照強度，W/m2;
[0026] Qf (h)為第h時刻供暖所需熱量，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時刻空氣源熱栗的制熱性能系數，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)、目標函數
[0035] 輔助熱源全年能耗最小：
[0036]
[0037] 本發明所述的太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確定方法，其通過所述優化模型，利 用MATLAB軟件編制求解程序進行求解，具體為：
[0038] a)、根據建筑參數及逐時氣象參數，計算用戶負荷需求；
[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的蓄熱容積；
[0040] c)、結合逐時氣象參數以及設備熱力特性，得出集熱量，形成系統能流平衡關系；
[0041] d)、根據輔助熱源逐時消耗電量，計算建筑年能耗；
[0042] e)、判斷建筑年能耗是否小于設定值，若年能耗小于設定值，則獲得太陽能熱水供 暖系統的最優蓄熱容積，并輸出，若年能耗大于設定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能熱 水供暖系統的蓄熱容積。
[0043] 本發明主要以太陽能供暖系統能流平衡關系為約束條件，蓄熱系統容積為優化決 策變量，輔助熱源全年能耗最低為優化目標函數，建立優化模型，最終確定太陽能熱水供暖 系統的最優蓄熱容積，有效解決了因不同地區、不同建筑類型以及不同建筑參數的差異，而 導致的最佳蓄熱容積不同的問題，從而起到了良好的節能作用。
【附圖說明】
[0044] 圖1是太陽能集熱與供暖熱負荷的波動性與不同步性示意圖。
[0045] 圖2是現有蓄熱水箱蓄熱形式的結構示意圖。
[0046] 圖3是本發明利用軟件的求解流程圖。
[0047] 圖中標記：1為集熱器，2為水箱，3為輔助熱源。
【具體實施方式】
[0048] 下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。
[0049] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發 明，并不用于限定發明。
[0050] 實施例：一種太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確定方法，以太陽能供暖系統能流平 衡關系為約束條件，蓄熱系統容積為優化決策變量，輔助熱源全年能耗最低為優化目標函 數，建立優化模型，具體為：
[0051] a)、約束條件
[0052] ①系統逐時熱量平衡關系：
[0053]第h時刻集熱器直接供熱量可表示為：
[0055] 第h時刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：
[0056]
[0057] 第h時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時刻水箱即時蓄熱量可表示為：
[0060]
[0061] 第h時刻輔助熱源供熱量可表示為：
[0062]
[0063]式中斗(h)為第h時刻集熱器集熱量，
[0065] Θ為集熱器安裝傾角，° ;
[0066] I(h)為第h時刻傾斜面的太陽輻照強度，W/m2 ;
[0067] Qf (h)為第h時刻供暖所需熱量，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時刻空氣源熱栗的制熱性能系數，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)、目標函數
[0076] 輔助熱源全年能耗最小：
[0077]
[0078] 通過所述優化模型，根據如圖3所示的求解流程，利用MATLAB軟件編制求解程序 進行求解，具體為：
[0079]a)、根據建筑參數及逐時氣象參數，計算用戶負荷需求；
[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的蓄熱容積；
[0081]c)、結合逐時氣象參數以及設備熱力特性，得出集熱量，形成系統能流平衡關系；
[0082]d)、根據輔助熱源逐時消耗電量，計算建筑年能耗；
[0083]e)、判斷建筑年能耗是否小于設定值，若年能耗小于設定值，則獲得太陽能熱水供 暖系統的最優蓄熱容積，并輸出，若年能耗大于設定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能熱 水供暖系統的蓄熱容積。
[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， 建筑圍護結構滿足《公共建筑節能設計標準》。利用Dest負荷模擬軟件可計算得，全年建筑 供暖負荷為142178. 56kWh。建筑太陽能集熱面積為350m2,項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] 利用本發明的蓄熱系統優化確定方法，可計算得到最優的蓄熱容積為71m3,即蓄 熱容積指標為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規范》（GB50495-2009)給出的取值范圍，分 別取 50L/m2、100L/m2、150L/m2。則可計算得輔助熱源能耗為 33488. 7kWh、23256. 3kWh、 21967. 4kWh，均大于本發明優化出的蓄熱系統容積下輔助熱源能耗，可見，本發明可以進一 步起到良好的節能作用。
[0087] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確定方法，其特征在于：W太陽能供暖系統能流平衡 關系為約束條件，蓄熱系統容積為優化決策變量，輔助熱源全年能耗最低為優化目標函數， 建立優化模型，具體為： a)、約束條件 ① 系統逐時熱量平衡關系： 第h時刻集熱器直接供熱量可表示為：第h時刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：第h時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時刻傾斜面的太陽福照強度，W/m2; Qf化）為第h時刻供暖所需熱量，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時刻空氣源熱累的制熱性能系數，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)、目標函數 輔助熱源全年能耗最A，2.根據權利要求1所述的太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確定方法，其特征在于：通過 所述優化模型，利用MATLAB軟件編制求解程序進行求解，具體為： a)、根據建筑參數及逐時氣象參數，計算用戶負荷需求； 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的蓄熱容積； C)、結合逐時氣象參數W及設備熱力特性，得出集熱量，形成系統能流平衡關系； d) 、根據輔助熱源逐時消耗電量，計算建筑年能耗； e)、判斷建筑年能耗是否小于設定值，若年能耗小于設定值，則獲得太陽能熱水供暖系 統的最優蓄熱容積，并輸出，若年能耗大于設定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能熱水供 暖系統的蓄熱容積。
【專利摘要】本發明公開了一種太陽能熱水供暖系統蓄熱容積確定方法，其主要以太陽能供暖系統能流平衡關系為約束條件，蓄熱系統容積為優化決策變量，輔助熱源全年能耗最低為優化目標函數，建立優化模型，最終確定太陽能熱水供暖系統的最優蓄熱容積，有效解決了因不同地區、不同建筑類型以及不同建筑參數的差異，而導致的最佳蓄熱容積不同的問題，從而起到了良好的節能作用。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105243235
【申請號】CN201510746702
【發明人】戎向陽, 馮雅, 司鵬飛, 閔曉丹, 劉希臣
【申請人】中國建筑西南設計研究院有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年11月5日