一种适用于高原寒冷地区建筑的主动式太阳能系统优化方法

摘要

本发明公开了一种适用于高原寒冷地区建筑的主动式太阳能系统优化方法，所述主动式太阳能系统包括太阳能光热单元和太阳能光伏单元，所述太阳能光热单元通过太阳能集热与空气源热泵辅助热源为建筑冬季供暖提供热源，所述太阳能光伏单元通过光伏发电为建筑用电器、空气源热泵以及输送水泵提供电源，所述太阳能光热单元和太阳能光伏单元均设置于建筑屋面。本发明针对高原寒冷地区的资源、气候以及建筑特征，提出了一种适宜的建筑主动式太阳能利用系统，并利用系统耦合关系与能流平衡约束条件，以经济性与节能性为基础，建立了系统的优化求解模型，为高原寒冷地区建筑采用多种太阳能技术的综合应用提供了支持，使太阳能复合系统的应用得到了推广。

主权项

一种适用于高原寒冷地区建筑的主动式太阳能系统优化方法，所述主动式太阳能系统包括太阳能光热单元和太阳能光伏单元，所述太阳能光热单元通过太阳能集热与空气源热泵辅助热源为建筑冬季供暖提供热源，所述太阳能光伏单元通过光伏发电为建筑用电器、空气源热泵以及输送水泵提供电源，所述太阳能光热单元和太阳能光伏单元均设置于建筑屋面，其特征在于：所述主动式太阳能系统优化方法包括以下步骤：a)、将建筑看作一个开口系统，该系统中全年建筑的电力与热力需求量是恒定的，外界与系统发生的商品能源交换的通道仅为电力并网点；在满足建筑用热与用电的需求前提下，外界全年向其输入的商品能源，即市网消耗电量与发电上网电量差值越少，则从能源利用角度评价，太阳能综合利用系统越优；在满足建筑用热与用电的需求前提下，全年计算费用越少，则从经济性角度评价，太阳能综合利用系统越优；b)、以上述要求建立优化模型，具体为：①系统逐时电量平衡关系：Q_f(h,A_d,w)‑Q_q(h)‑Q_g(h,A_r,w)＝Q_s(h,A_d,w,A_r,w)式中，Q_f(h,A_d,w)为光伏设备逐时发电量，kWh；Q_q(h)为除采暖设备以外的其他设备逐时用电量，kWh；Q_s(h,A_d,w,A_r,w)为正值时代表逐时上网电量，负值时代表逐时消耗城市电网电量，kWh；Q_g(h,A_r,w)为供暖系统逐时消耗电量，kWh；A_d,w为光伏发电设备占用屋顶面积，m²；A_r,w为光热设备用屋顶面积，m²；②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，$Q_j\left(h\right)={\int }_{h-1}^h\frac{3600{{\eta }_h}^{+}·A·I\left(h\right)}{1000},kJ;$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；③全年上网电量：$Q_{s,w}(A_{d,w},A_{r,w})=\underset{h=0}{\overset{h=8765}{\Sigma }}\left\{\begin{array}{cc}{Q}_s(h,A_{d,w},A_{r,w}),& Q_s(h,A_{d,w},A_{r,w})>0\\ 0,& Q_s(h,A_{d,w},A_{r,w})<0\end{array}\right\}$式中，Q_s,w(A_d,w,A_r,w)为全年上网电量，kWh；④全年市网消耗电量：$Q_{s,x}(A_{d,w},A_{r,w})=\underset{h=0}{\overset{h=8765}{\Sigma }}\left\{\begin{array}{cc}\left|Q_s(h,A_{d,w},A_{r,w})\right|,& Q_s(h,A_{d,w},A_{r,w})<0\\ 0,& Q_s(h,A_{d,w},A_{r,w})>0\end{array}\right\}$式中，Q_s,x(A_d,w,A_r,w)为全年城市电网消耗电量，kWh；⑤全年能耗量(以电量来算)：Q_n,h(A_d,w,A_r,w)＝Q_s,x(A_d,w,A_r,w)‑Q_s,w(A_d,w,A_r,w)式中，Q_n,h(A_d,w,A_r,w)为全年能耗量(以电量来算)，kWh；⑥屋顶面积有限约束：A_d,w+A_r,w≤A_w式中，A_w为屋顶面积，m²；⑦运行费用：运行费用可用下式表示：式中，P(A_d,w,A_r,w)为年运行费用，元；P_w(A_d,w,A_r,w)为年维护费用，即光伏系统与供暖系统，元；⑧年计算费用：年计算费用公式如下式：$Z(A_{d,w},A_{r,w})={\theta }_{g}K(A_{d,w},A_{r,w})+P(A_{d,w},A_{r,w})=\frac{i{(1+i)}^n}{{(1+i)}^n-1}K(A_{d,w},A_{r,w})+P(A_{d,w},A_{r,w})$式中，Z为年计算费用，元/a；K为初投资，元；i为利率/收益率，％；n为生产期，这里取集热器的寿命，年；P为运行费用；θ_g为资金回收系数；c)、确定目标函数：①从节能最优角度考虑，目标函数为：S＝min[Q_n,h(A_d,w,A_r,w)]＝min[Q_s,x(A_d,w,A_r,w)‑Q_s,w(A_d,w,A_r,w)]②从经济最优角度考虑，目标函数为：$S=min\left[Z(A_{d,w},A_{r,w})\right]=min[\frac{i{(1+i)}^n}{{(1+i)}^n-1}K(A_{d,w},A_{r,w})+P(A_{d,w},A_{r,w})].$