太阳能热水供暖系统蓄热容积确定方法

摘要

本发明公开了一种太阳能热水供暖系统蓄热容积确定方法，其主要以太阳能供暖系统能流平衡关系为约束条件，蓄热系统容积为优化决策变量，辅助热源全年能耗最低为优化目标函数，建立优化模型，最终确定太阳能热水供暖系统的最优蓄热容积，有效解决了因不同地区、不同建筑类型以及不同建筑参数的差异，而导致的最佳蓄热容积不同的问题，从而起到了良好的节能作用。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种太阳能热水供暖系统蓄热 容积确定方法。

背景技术

太阳能是地球上一切能源的主要来源，它是无穷无尽的，无公害的清洁能 源，也是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源。我国地域辽阔，年日照时 间大于2000小时的地区约占全国面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内。

但是太阳能是稀薄的能源，它的地球表面的能源密度较低。并且太阳辐射 热量有季节、昼夜的规律变化，同时还受阴晴云雨等随机因素的强烈影响，故 太阳辐射热量具有很大不稳定性。由于太阳能集热与建筑供暖热负荷需求具有 波动性，以及太阳能集热与供暖热负荷需求具有不同步性等特征，如图1所示， 导致要利用太阳能，必须要解决太阳能的间隙性和不可靠性问题。太阳能利用 系统中设置蓄热装置是解决上述问题的最有效的方法之一。实践证明，蓄热装 置对提高太阳能的利用效率具有特别重要的意义。

常采用的太阳能供暖蓄热的方法有，蓄热水箱蓄热、相变材料蓄热、土壤 蓄热等形式。实际太阳能供暖工程中最常采用的是蓄热水箱蓄热的方式，如图2 所示，该蓄热系统形式通过集热器1、水箱2以及辅助热源3等主要设备部件， 通过集热、蓄热等形式满足室内热需求。

但是，蓄热容积过大会造成水箱温度明显低于设计供水温度，系统需长时 间启动辅助热源进行供热，降低了系统的节能性，蓄热容积过小则会造成集热 器回水温度偏高，降低集热器的集热量，同样会降低系统的节能性。可见，如 何确定蓄热水箱的容积，成为太阳能热水供暖系统设计的重要环节。国家标准 《太阳能供热采暖工程技术规范》GB50495-2009中指出，各类太阳能供热采暖 系统对应每平方米太阳能集热器采光面积的储热水箱应按照表1进行选取，但 是由于不同地区、不同建筑类型以及不同建筑参数的差异，导致最佳蓄热容积 不同，现有技术并未给出准确的蓄热容积确定方法。

表1太阳能集热器采光面积的储热水箱

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够以辅助热源全年 能耗最低为优化目标函数，获得太阳能热水供暖系统最优蓄热容积的确定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种太阳能热水供暖系统蓄热 容积确定方法，其特征在于：以太阳能供暖系统能流平衡关系为约束条件，蓄 热系统容积为优化决策变量，辅助热源全年能耗最低为优化目标函数，建立优 化模型，具体为：

a)、约束条件

①系统逐时热量平衡关系：

第h时刻集热器直接供热量可表示为：

$Q_{j.g}\left(h\right)=\left(\begin{array}{cc}{Q}_j\left(h\right),& Q_f\left(h\right)>Q_j\left(h\right)\\ Q_f\left(h\right),& Q_f\left(h\right)\le Q_j\left(h\right)\end{array}\right)$

第h时刻水箱余热量的热平衡方程可表示为：

第h时刻由太阳能集热直接供热后不足的热量可表示为(不足热需求将由 蓄热量与辅助热源供热)：

$Q_{g.q}\left(h\right)=\left(\begin{array}{cc}{Q}_j\left(h\right)-Q_f\left(h\right),& Q_f\left(h\right)-Q_j\left(h\right)<0\\ 0,& Q_f\left(h\right)-Q_j\left(h\right)\ge 0\end{array}\right)$

第h时刻水箱即时蓄热量可表示为：

第h时刻辅助热源供热量可表示为：

式中：Q_j(h)为第h时刻集热器集热量，

$Q_j\left(h\right)={\int }_{h-1}^h\frac{3600{{\eta }_h}^{+}·A_{r,w}/cos\theta ·I\left(h\right)}{1000},$kJ；

θ为集热器安装倾角，°；

I(h)为第h时刻倾斜面的太阳辐照强度，W/m²；

Q_f(h)为第h时刻供暖所需热量，kJ；

②全年能耗量(以电量来算)：

式中，Q(V)为全年能耗量(以电量来算)，kWh；

COP(h)为第h时刻空气源热泵的制热性能系数，W/W；

③水箱水温上限约束：

t≤t_max

式中，t_max为水箱的最大水温，℃；

b)、目标函数

辅助热源全年能耗最小：

本发明所述的太阳能热水供暖系统蓄热容积确定方法，其通过所述优化模 型，利用MATLAB软件编制求解程序进行求解，具体为：

a)、根据建筑参数及逐时气象参数，计算用户负荷需求；

b)、由集热器光热面积与安装角度初步确定太阳能热水供暖系统的蓄热容 积；

c)、结合逐时气象参数以及设备热力特性，得出集热量，形成系统能流平 衡关系；

d)、根据辅助热源逐时消耗电量，计算建筑年能耗；

e)、判断建筑年能耗是否小于设定值，若年能耗小于设定值，则获得太阳 能热水供暖系统的最优蓄热容积，并输出，若年能耗大于设定值，则返回步骤b)， 重新确定太阳能热水供暖系统的蓄热容积。

本发明主要以太阳能供暖系统能流平衡关系为约束条件，蓄热系统容积为 优化决策变量，辅助热源全年能耗最低为优化目标函数，建立优化模型，最终 确定太阳能热水供暖系统的最优蓄热容积，有效解决了因不同地区、不同建筑 类型以及不同建筑参数的差异，而导致的最佳蓄热容积不同的问题，从而起到 了良好的节能作用。

附图说明

图1是太阳能集热与供暖热负荷的波动性与不同步性示意图。

图2是现有蓄热水箱蓄热形式的结构示意图。

图3是本发明利用软件的求解流程图。

图中标记：1为集热器，2为水箱，3为辅助热源。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

实施例：一种太阳能热水供暖系统蓄热容积确定方法，以太阳能供暖系统 能流平衡关系为约束条件，蓄热系统容积为优化决策变量，辅助热源全年能耗 最低为优化目标函数，建立优化模型，具体为：

a)、约束条件

①系统逐时热量平衡关系：

第h时刻集热器直接供热量可表示为：

$Q_{j.g}\left(h\right)=\left(\begin{array}{cc}{Q}_j\left(h\right),& Q_f\left(h\right)>Q_j\left(h\right)\\ Q_f\left(h\right),& Q_f\left(h\right)\le Q_j\left(h\right)\end{array}\right)$

第h时刻水箱余热量的热平衡方程可表示为：

第h时刻由太阳能集热直接供热后不足的热量可表示为(不足热需求将由 蓄热量与辅助热源供热)：

$Q_{g.q}\left(h\right)=\left(\begin{array}{cc}{Q}_j\left(h\right)-Q_f\left(h\right),& Q_f\left(h\right)-Q_j\left(h\right)<0\\ 0,& Q_f\left(h\right)-Q_j\left(h\right)\ge 0\end{array}\right)$

第h时刻水箱即时蓄热量可表示为：

第h时刻辅助热源供热量可表示为：

式中：Q_j(h)为第h时刻集热器集热量，

$Q_j\left(h\right)={\int }_{h-1}^h\frac{3600{{\eta }_h}^{+}·A_{r,w}/cos\theta ·I\left(h\right)}{1000},$kJ；

θ为集热器安装倾角，°；

I(h)为第h时刻倾斜面的太阳辐照强度，W/m2；

Q_f(h)为第h时刻供暖所需热量，kJ；

②全年能耗量(以电量来算)：

式中，Q(V)为全年能耗量(以电量来算)，kWh；

COP(h)为第h时刻空气源热泵的制热性能系数，W/W；

③水箱水温上限约束：

t≤t_max

式中，t_max为水箱的最大水温，℃；

b)、目标函数

辅助热源全年能耗最小：

通过所述优化模型，根据如图3所示的求解流程，利用MATLAB软件编制求 解程序进行求解，具体为：

a)、根据建筑参数及逐时气象参数，计算用户负荷需求；

b)、由集热器光热面积与安装角度初步确定太阳能热水供暖系统的蓄热容 积；

c)、结合逐时气象参数以及设备热力特性，得出集热量，形成系统能流平 衡关系；

d)、根据辅助热源逐时消耗电量，计算建筑年能耗；

e)、判断建筑年能耗是否小于设定值，若年能耗小于设定值，则获得太阳 能热水供暖系统的最优蓄热容积，并输出，若年能耗大于设定值，则返回步骤b)， 重新确定太阳能热水供暖系统的蓄热容积。

具体案列：以川西高原理塘县某三层酒店建筑为例，该建筑总面积约为 3000m2，建筑围护结构满足《公共建筑节能设计标准》。利用Dest负荷模拟软 件可计算得，全年建筑供暖负荷为142178.56kWh。建筑太阳能集热面积为350 m²，项目采用空气源热泵作为辅助热源，供暖回水温度为50℃，供水温度为60 ℃，供回水温差为10℃。

利用本发明的蓄热系统优化确定方法，可计算得到最优的蓄热容积为71m³， 即蓄热容积指标为203L/m²。在该容积下，辅助热源电耗21667.2kWh。

若按照《太阳能供热采暖工程技术规范》(GB50495-2009)给出的取值范围， 分别取50L/m²、100L/m²、150L/m²。则可计算得辅助热源能耗为33488.7 kWh、23256.3kWh、21967.4kWh，均大于本发明优化出的蓄热系统容积下辅助 热源能耗，可见，本发明可以进一步起到良好的节能作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。