CN110118380A - 一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：输入历史实测气象数据以及建筑的热工参数，采用EnergyPlus软件进行计算机模拟得到建筑采暖负荷；步骤2：计算得到太阳能集热器面积和辅助热源容量；步骤3：采用二分法调节采暖***中辅助热源容量；步骤4：太阳能采暖***等效设计容量评估；步骤5：计算收敛判断，得到最终太阳能采暖***等效设计容量。本发明能计算得到在考虑天气不确定性条件下的太阳能采暖***实际提供的等效设计容量，在保障用户用能需求的前提下，根据计算得到的等效设计容量减少辅助热源容量，提升***经济效益。

Description

一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法

技术领域

本发明涉及太阳能模拟分析领域，特别是涉及一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法。

背景技术

随着可再生能源的需求量逐年增加，其消耗占全球总能源的比重从2015年的7.1％预计增涨到2040年的13％。可再生能源使替代传统能源成为了可能，然而由于实时产量的变化导致的不确定性，使一些可再生能源的产能规划面临挑战。因此，准确的资源能力价值评估对于***的长期规划至关重要。

太阳能采暖***容量规划设计过程中，一般采用工程设计手册进行计算，例如在GB50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中，采用当地集热器采光面上的平均太阳辐射量结合太阳能保证率和建筑物的耗热量计算得到***太阳能集热器总面积。这类方法中，采用均值替代变化值的简化方法并未考虑气象的不确定性变化，因此一般认为太阳能集热器只有能量价值而没有容量价值，往往需要往***中加入辅助热源进行联合供能。另外，对于太阳能采暖***而言，建筑采暖负荷和太阳能集热器供热量受逐时天气因素影响明显，时间上的能量不匹配会大大降低此类***的可靠性，忽略了时序特征也就忽略了热量供应与负荷需求的逐时匹配的基本要求。

这种采用国家规范的设计方法虽然能够保证整个***运行可靠，但忽略了在实际运行中，太阳能供热时能够一定程度上提供可靠的***容量，因此也具有一定的容量价值。如果不对加入太阳能之后的***容量进行合理评估，忽略这部分太阳能所能提供的容量，会造成实际供能***初步设计过大，初投资增加的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法，该方法能够以***可靠性作为约束指标，得到满足实际工程需求的太阳能集热器等效设计容量，为设计人员提供参考。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法，包括以下步骤：

步骤1：输入历史实测气象数据以及建筑的热工参数，采用EnergyPlus软件进行计算机模拟得到建筑采暖负荷。

步骤2：计算得到太阳能集热器面积和辅助热源容量。采用GB50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中方法计算得到初始太阳能集热器面积和辅助热源的容量。

式中：A_C为直接***太阳能集热器总面积；Q_H为建筑物耗热量；J_T当地太阳能集热器采光面上的平均日太阳辐射量；f为太阳能保证率；η_cd为太阳能集热器平均集热效率；η_L为管路及贮热装置热损失率。

上式中建筑物耗热量即为建筑采暖负荷，辅助热源初始容量C＝Q_H，此外其余参数通过查阅规范中附表得到。

步骤3：采用二分法调节采暖***中辅助热源容量。令C_max＝C，C_min＝0，通过式(2)计算得到辅助热源初始变化容量。新辅助热源容量如式(3)所示。

C_Δa＝(C_max+C_min) (2)

C'＝C-C_Δa (3)

式中：C_Δa为辅助热源初始变化容量；C'为新辅助热源容量。

步骤4：太阳能采暖***等效设计容量评估。通过步骤1中模拟得到的建筑逐时采暖负荷与步骤3中得到的新辅助热源容量，通过TRNSYS仿真模拟计算得到的新辅助热源供能量和采暖负荷的逐时大小关系判断***是否可靠。v(t)为第t小时可靠性计算指标，若能源供给量大于需求量则第t小时内***可靠(v(t)＝1)，反之不可靠(v(t)＝0)，如式(4)所示。

供暖不足概率为λ₁，表示不可靠的小时数占总仿真小时数(m)的比例，通过式(5)表示。将所有不可靠小时中供暖负荷进行累加得到供暖不足负荷量λ₂，通过式(6)表示，供暖可靠度(β)定义为式(7)所示。

式中：ΔQ_hl(t)为第t小时供暖不足负荷量，Q_hl(t)为t时刻供暖量，Q_st(t)为t时刻蓄热量，Q_a(t)为t时刻辅助锅炉供热量。

步骤5：计算收敛判断，得到最终太阳能采暖***等效设计容量。

选择与锅炉供热***等可靠性作为约束条件，以太阳能集热器可替代辅助锅炉容量作为在太阳能采暖***中的等效设计容量，如式(8)所示：

f(C,Q_H)＝f(C+A_sc-C_Δa,Q_H) (8)

式中，f(·)为可靠性计算函数，C为辅助热源容量，A_sc为太阳能集热器面积。

由式(8)可知，可以通过增加太阳能集热器面积来减少辅助热源的容量，减少的辅助热源容量大小即为太阳能集热器的等效设计容量(C_e)，如式(9)所示。

C_e＝C_Δa (9)

通过步骤3与步骤4中的指标计算得到的供暖不足概率为λ₁'和供暖不足负荷量λ₂'，与设定供暖不足概率为λ₁和供暖不足负荷量λ₂进行对比，对比方法采用收敛指标判定，其中收敛指标包括供暖不足负荷小时数相对误差(δ₁')与供暖不足负荷量相对误差(δ₂')，阈值分别设定为δ₁＝0.5％和δ₂＝5％，分别计算如式(10)(11)所示。

若δ₁'<δ₁且δ₂'<δ₂，则计算收敛，得到的C_Δa即为等效设计容量C_e；否则判断λ₁'>λ₁且λ₂'>λ₂，若成立，则令C_max＝C_Δa，若不成立则令C_min＝C_Δa，重新返回步骤3-步骤5进行计算，直到计算收敛。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明建立的太阳能采暖***等效设计容量计算方法，解决了由于在能源规划阶段，太阳能采暖***受到天气因素的影响存在可变性和不确定性的特点，导致目前不计太阳能的供能量的问题。为实际太阳能供能量的量化提供了理论计算依据。

2、本发明提出的方法与传统的工程规范设计方法相比，能够解决由于忽略了太阳能集热器能够提供的有效容量导致辅助热源容量增加的问题。在进行等效设计容量计算后，能够减少辅助热源容量，提高***的经济性。

3、本发明通过EnergyPlus和TRNSYS模拟软件，模拟了实际太阳能供热量和和建筑采暖负荷，结合可靠性分析，考虑了实际情况下建筑和采暖设备的逐时运行情况，与传统规划方法相比考虑了每小时下的***可靠性，更接近于实际情况。

附图说明

图1是本发明提供的一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法流程图。

图2是本发明实施例中太阳能采暖***示意图。

图3是本发明实施例中20年逐时负荷仿真结果图。

图4是本发明实施例中逐时负荷概率分布统计图。

图5是本发明实施例中20年逐时供热量仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法，包括以下步骤：

步骤1：输入历史实测气象数据以及建筑的热工参数，采用EnergyPlus软件进行计算机模拟得到建筑采暖负荷。

步骤2：计算得到太阳能集热器面积和辅助热源容量。采用GB 50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中方法计算得到初始太阳能集热器面积和辅助热源的容量。

式中：A_C为直接***太阳能集热器总面积；Q_H为建筑物耗热量；J_T当地太阳能集热器采光面上的平均日太阳辐射量；f为太阳能保证率；η_cd为太阳能集热器平均集热效率；η_L为管路及贮热装置热损失率。

上式中建筑物耗热量即为建筑采暖负荷，辅助热源初始容量C＝Q_H，此外其余参数通过查阅规范中附表得到。

步骤3：采用二分法调节采暖***中辅助热源容量。令C_max＝C，C_min＝0，通过式(2)计算得到辅助热源初始变化容量。新辅助热源容量如式(3)所示。

C_Δa＝(C_max+C_min) (2)

C'＝C-C_Δa (3)

式中：C_Δa为辅助热源初始变化容量；C'为新辅助热源容量。

步骤4：太阳能采暖***等效设计容量评估。通过步骤1中模拟得到的建筑逐时采暖负荷，与步骤3中得到的新辅助热源容量，通过TRNSYS仿真模拟计算得到的新辅助热源供能量和采暖负荷的逐时大小关系判断***是否可靠。v(t)为第t小时可靠性计算指标，若能源供给量大于需求量则第t小时内***可靠(v(t)＝1)，反之不可靠(v(t)＝0)，如式(4)所示。

供暖不足概率为λ₁，表示不可靠的小时数占总仿真小时数(m)的比例，通过式(5)表示。将所有不可靠小时中供暖负荷进行累加得到供暖不足负荷量λ₂，通过式(6)表示，供暖可靠度(β)定义为式(7)所示。

式中：ΔQ_hl(t)为第t小时供暖不足负荷量，Q_hl(t)为t时刻供暖量，Q_st(t)为t时刻蓄热量，Q_a(t)为t时刻辅助锅炉供热量。

步骤5：计算收敛判断，得到最终太阳能采暖***等效设计容量。

选择与锅炉供热***等可靠性作为约束条件，以太阳能集热器可替代辅助锅炉容量作为在太阳能采暖***中的等效设计容量，如式(8)所示：

f(C,Q_H)＝f(C+A_sc-C_Δa,Q_H) (8)

式中，f(·)为可靠性计算函数，C为辅助热源容量，A_sc为太阳能集热器面积。

由式(8)可知，可以通过增加太阳能集热器面积来减少辅助热源的容量，减少的辅助热源容量大小即为太阳能集热器的等效设计容量(C_e)，如式(9)所示。

C_e＝C_Δa (9)

通过步骤3与步骤4中的指标计算得到的供暖不足概率为λ₁'和供暖不足负荷量λ₂'，与设定供暖不足概率为λ₁和供暖不足负荷量λ₂进行对比，对比方法采用收敛指标判定，其中收敛指标包括供暖不足负荷小时数相对误差(δ₁')与供暖不足负荷量相对误差(δ₂')，阈值分别设定为δ₁＝0.5％和δ₂＝5％，分别计算如式(10)(11)所示。

若δ₁'<δ₁且δ₂'<δ₂，则计算收敛，得到的C_Δa即为等效设计容量C_e；否则判断λ₁'>λ₁且λ₂'>λ₂，若成立，则令C_max＝C_Δa，若不成立则令C_min＝C_Δa，重新返回步骤(3)-(5)进行计算，直到计算收敛。

实施例：

本发明采用A地区20年的天气实测数据为基础，设计以下建筑作为仿真算例，来验证本发明方法的适用性。

1)仿真数据声明：

该建筑为东南朝向，共3层，采暖面积1440m²。冬季采暖室内设计温度22℃，具体设计参数见表1。供暖时间为每年11月15日至3月15日，共121天。每日供暖时间为9：00-17：00，太阳能采暖***年总供暖小时数为(H＝1089h)。为发现气象要素随时间的不确定性变化，本发明采用1991年-2010年的逐时实际气象数据进行仿真，体现采暖负荷和设备性能每年的不确定性。

供热设备选择太阳能平板集热器和辅助锅炉。仿真采用EnergyPlus软件计算建筑采暖负荷，通过输入建筑地理位置、朝向、围护结构参数、人员内扰和当地气象资料等详细信息，生成采暖季每小时建筑动态采暖负荷。采用TRNSYS软件模拟设备供能情况，采暖***仿真示意图如图2所示，仿真具体设置参数如表1所示。

表1仿真具体设置参数

2)计算得到太阳能集热器面积和辅助热源容量：

图3为建筑采暖负荷的时序图，通过图3中的建筑负荷带入式(1)进行计算，得到太阳能集热器面积为100m²，辅助热源容量为84.8kW。由对20年逐时的采暖负荷进行概率统计，得到结果如图4所示，图中可以看出最大采暖负荷为113kW，超过100kW负荷极少，大部分负荷集中于0-80kW区间内。

3)二分法调节后，太阳能供热量仿真结果：

太阳能有效得热量计算如式(1)：

Q_sc＝F_RA_c[I_t(τα)_e-U_L(T_i-T_a)] (1)

式中，Q_sc为太阳能集热器净得热；F_R为太阳能集热器热迁移因子；I_t为倾斜表面上的太阳能辐射量；(τα)_e为玻璃盖板透射比与吸热板吸收比乘积；U_L为太阳能集热器总热损失系数；T_i为太阳能集热器进口温度；T_a为环境空气温度。其中，F_R、(τα)_e、U_L、T_i为太阳能集热器自身参数，通过查阅表1得到。其余气象参数，根据20年逐时气象数据得到。

太阳能平板集热器倾斜面上的辐照量(I_t)如式(2)：

式中，I_t为倾斜面上辐照量；I_b为水平面上直射辐照量；I_d为水平面上散射辐照量；β为太阳能平板集热器倾角；ρ为地表反射率；R_b为倾斜面上直射辐射修正因子。其中，β、ρ、R_b为固有参数，通过查阅表1得到，其余太阳辐射参数根据20年逐时气象数据得到。

通过上式仿真后得到的太阳能采暖***中单位面积太阳能集热器供热量，如图5所示。太阳能集热器实际上作为热源能够不断的提供热量，与辅助热源同时进行供热，甚至在每年供暖后期部分小时内能够提供600W/m²以上的热量，这部分能量不能被忽视。说明在实际运行过程中，太阳能供热***存在一定的容量价值，能够有效的减少辅助热源的设计规划容量。

图5也可以看出在每年1089h的采暖期中，由于不同年在同一时刻的气象参数不同，太阳能热利用***受到天气不确定性影响明显，存在着供热的不确定性。另外由于建筑类型为办公建筑，采用间歇性供暖，因此太阳能集热器得热量存在以天为单位的周期性。结合上述分析得到的负荷不确定性，负荷与太阳能集热器得热量都同时受到太阳辐射的影响，呈现周期性变化，存在着时间上的相关性。因此本发明采用可靠性概念，通过仿真的方式去分析逐时的能量匹配情况作为其可靠性的评价指标，计算得到设计可靠度下的考虑不确定性的太阳能采暖***等效设计容量。

4)设计可靠度下的等效设计容量：

根据ASHRAE设计手册，在计算采暖设计负荷时，室外干球温度选择累积室外干球温度的99.6％或99％作为设计温度，本发明以99.6％作为选择依据，计算得到该办公建筑的供暖不足概率为λ₁为0.4％，供暖不足负荷量λ₂为331kW。

在选择同样99.6％可靠度条件下，本发明采用相同太阳能集热器面积进行计算，计算得到考虑等效设计容量的规划设计结果。实际太阳能集热器能够提供12.9kW的等效设计容量，因此实际锅炉设计容量为72.1kW，减少15.2％的设计容量。可以看出，在保证***具有同样可靠性的条件下，考虑太阳能采暖***的等效设计容量，能够有效减少辅助热源的设计容量，提升***经济效益。

表2设计可靠度下的等效容量计算结果

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种太阳能采暖***等效设计容量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：输入历史实测气象数据以及建筑的热工参数，采用EnergyPlus软件进行计算机模拟得到建筑采暖负荷；

步骤2：计算得到太阳能集热器面积和辅助热源容量；采用GB50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中方法计算得到初始太阳能集热器面积和辅助热源的容量；

式中：A_C为直接***太阳能集热器总面积；Q_H为建筑物耗热量；J_T当地太阳能集热器采光面上的平均日太阳辐射量；f为太阳能保证率；η_cd为太阳能集热器平均集热效率；η_L为管路及贮热装置热损失率；

上式中建筑物耗热量Q_H即为建筑采暖负荷，辅助热源初始容量C＝Q_H，其余参数通过查阅规范中附表得到；

步骤3：采用二分法调节采暖***中辅助热源容量；令C_max＝C，C_min＝0，通过式(2)计算得到辅助热源初始变化容量；新辅助热源容量如式(3)所示：

C_Δa＝(C_max+C_min) (2)

C'＝C-C_Δa (3)

式中：C_Δa为辅助热源初始变化容量；C'为新辅助热源容量；

步骤4：太阳能采暖***等效设计容量评估；通过步骤1中模拟得到的建筑逐时采暖负荷与步骤3中得到的新辅助热源容量，通过TRNSYS仿真模拟计算得到的新辅助热源供能量和采暖负荷的逐时大小关系判断***是否可靠；v(t)为第t小时可靠性计算指标，若能源供给量大于需求量则第t小时内***可靠(v(t)＝1)，反之不可靠(v(t)＝0)，如式(4)所示；

供暖不足概率为λ₁，表示不可靠的小时数占总仿真小时数(m)的比例，通过式(5)表示；将所有不可靠小时中供暖负荷进行累加得到供暖不足负荷量λ₂，通过式(6)表示，供暖可靠度(β)定义为式(7)所示；

式中：ΔQ_hl(t)为第t小时供暖不足负荷量，Q_hl(t)为t时刻供暖量，Q_st(t)为t时刻蓄热量，Q_a(t)为t时刻辅助锅炉供热量；

步骤5：计算收敛判断，得到最终太阳能采暖***等效设计容量；

选择与锅炉供热***等可靠性作为约束条件，以太阳能集热器可替代辅助锅炉容量作为在太阳能采暖***中的等效设计容量，如式(8)所示：

f(C,Q_H)＝f(C+A_sc-C_Δa,Q_H) (8)

式中，f(·)为可靠性计算函数，C为辅助热源容量，A_sc为太阳能集热器面积；

由式(8)可知，通过增加太阳能集热器面积减少辅助热源的容量，减少的辅助热源容量大小即为太阳能集热器的等效设计容量(C_e)，如式(9)所示；

C_e＝C_Δa (9)

通过步骤3与步骤4中的指标计算得到的供暖不足概率为λ₁'和供暖不足负荷量λ₂'，与设定供暖不足概率为λ₁和供暖不足负荷量λ₂进行对比，对比方法采用收敛指标判定，其中收敛指标包括供暖不足负荷小时数相对误差(δ₁')与供暖不足负荷量相对误差(δ₂')，阈值分别设定为δ₁＝0.5％和δ₂＝5％，分别计算如式(10)(11)所示；

若δ₁'<δ₁且δ₂'<δ₂，则计算收敛，得到的C_Δa即为等效设计容量C_e；否则判断λ₁'>λ₁且λ₂'>λ₂，若成立，则令C_max＝C_Δa，若不成立则令C_min＝C_Δa，重新返回步骤3-步骤5进行计算，直到计算收敛。