一種適用于高原寒冷地區(qū)建筑的主動式太陽能系統(tǒng)優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及建筑工程技術領域，特別設及一種適用于高原寒冷地區(qū)建筑的主動式 太陽能系統(tǒng)優(yōu)化方法。
【背景技術】
[0002] 隨著青藏高原建筑規(guī)模的快速增長，傳統(tǒng)建筑能源供應短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱成為 制約高原地區(qū)發(fā)展的突出因素。青藏高原地區(qū)太陽能資源及其豐富，具有大規(guī)模開發(fā)利用 太陽能的資源潛力。因此，如何高效、高質(zhì)的利用該地區(qū)豐富的太陽能資源，建設低能耗的 建筑將成為高原城鎮(zhèn)建設的重要發(fā)展方向。
[0003] 近年來，太陽能技術得到了快速發(fā)展，同時太陽能利用設備價格呈現(xiàn)逐年下降的 趨勢，導致太陽能光熱、光電等單項技術在高原建筑中得到了廣泛的應用。隨著主動太陽能 產(chǎn)品的不斷發(fā)展，太陽能熱水和主動太陽能采暖技術在建筑中應用逐漸成為研究重點。
[0004] 目前針對高原寒冷地區(qū)資源與氣候特征，研究適宜高原地區(qū)的太陽能光熱與太陽 能光伏等多技術復合的綜合利用系統(tǒng)形式尚未見到報道。如何高效、靈活且有針對性的向 建筑提供更多能量成為太陽能利用研究的難點。由于復合多種太陽能技術的熱電禪合系統(tǒng) 的復雜性及相應設計方法的缺失，導致目前高原地區(qū)多限于某種單一太陽能技術的應用， 嚴重阻礙了太陽能復合系統(tǒng)的推廣應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種適用于高原寒冷地區(qū)建筑的 主動式太陽能系統(tǒng)的優(yōu)化方法。
[0006] 本發(fā)明技術的技術方案是運樣實現(xiàn)的：一種適用于高原寒冷地區(qū)建筑的主動式太 陽能系統(tǒng)優(yōu)化方法，所述主動式太陽能系統(tǒng)包括太陽能光熱單元和太陽能光伏單元，所述 太陽能光熱單元通過太陽能集熱與空氣源熱累輔助熱源為建筑冬季供暖提供熱源，所述太 陽能光伏單元通過光伏發(fā)電為建筑用電器、空氣源熱累W及輸送水累提供電源，所述太陽 能光熱單元和太陽能光伏單元均設置于建筑屋面，其特征在于：所述主動式太陽能系統(tǒng)優(yōu) 化方法包括W下步驟：
[0007] a)、將建筑看作一個開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)中全年建筑的電力與熱力需求量是恒定的， 外界與系統(tǒng)發(fā)生的商品能源交換的通道僅為電力并網(wǎng)點；在滿足建筑用熱與用電的需求前 提下，外界全年向其輸入的商品能源，即市網(wǎng)消耗電量與發(fā)電上網(wǎng)電量差值越少，則從能源 利用角度評價，太陽能綜合利用系統(tǒng)越優(yōu)；在滿足建筑用熱與用電的需求前提下，全年計算 費用越少，則從經(jīng)濟性角度評價，太陽能綜合利用系統(tǒng)越優(yōu)；
[0008] b)、W上述要求建立優(yōu)化模型，具體為：
[0009] ①系統(tǒng)逐時電量平衡關系：
[0010] Qf也Ad, J -Qq化)-Qg也Ar, J = Qs也Ad, ?，Ar, J
[0011] 式中，Qf也Ad,J為光伏設備逐時發(fā)電量，kWh;Qq(h)為除義暖設備w外的其他設 備逐時用電量，kWh;Q,也Ad,>^，Af,J為正值時代表逐時上網(wǎng)電量，負值時代表逐時消耗城市 電網(wǎng)電量，kWh;Qg(h, 為供暖系統(tǒng)逐時消耗電量，kWh;Ad,"為光伏發(fā)電設備占用屋頂面 積，m2;A為光熱設備用屋頂面積，m2;
[0012] ②系統(tǒng)逐時熱量平衡關系：
[0013] 第h時刻集熱器直接供熱量可表示為：
[0014]
[0015] 第h時刻水箱余熱量的熱平衡方程可表示為：
[0016]
[0017] 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）：
[00巧]Θ為集熱器安裝傾角，。；
[002引 I化）為第h時刻傾斜面的太陽福照強度，W/m2;
[0027] Qf化）為第h時刻供暖所需熱量，kj;
[0028] ③全年上網(wǎng)電量：
[0029]
[0030] 式中，Q,,?(Ad,>^，Ar,J為全年上網(wǎng)電量，k怖；
[0031] ④全年市網(wǎng)消耗電量：
[0032]
[00對式中，Qs,x(Ad,"，Ar,J為全年城市電網(wǎng)消耗電量，kWh;
[0034] ⑥全年能耗量（W電量來算）：
[003引Qn,h(Ad,W,Af,J=Qs,X(Ad,W,Af,J-Qs,W(Ad,W,Af,J
[003引式中，Qn,h(Ad,"，Ar,J為全年能耗量（W電量來算），kWh;
[0037] ⑧屋頂面積有限約束：
[003引Ad'w+Ar'w《Aw
[00測式中，A歷屋頂面積，m2;
[0040] ⑦運行費用：
[0041] 運行費用可用下式表示：
[0042]
[004引式中，P(Ad,?Af,J為年運行費用，元；P"(Ad,?Af,J為年維護費用，即光伏系統(tǒng)與供 暖系統(tǒng)，元；
[0044] ⑨年計算費用：
[0045] 年計算費用公式如下式：
[0046]
[0047] 式中，Z為年計算費用，元/a;Κ為初投資，元；i為利率/收益率，％ ;n為生產(chǎn)期， 運里取集熱器的壽命，年；P為運行費用；Θg為資金回收系數(shù)；
[0048] C)、確定目標函數(shù)：
[0049] ①從節(jié)能最優(yōu)角度考慮，目標函數(shù)為：
[0050] S=min[Qn,h(Ad,w，Af'J] =min[Qs,x(Ad,w，Ar,J-Qs,w(Ad,w，Af,J]
[0051] ②從經(jīng)濟最優(yōu)角度考慮，目標函數(shù)為：
[0052]
[0053] 本發(fā)明所述的適用于高原寒冷地區(qū)建筑的主動式太陽能系統(tǒng)優(yōu)化方法，通過所述 優(yōu)化模型，利用MTLAB軟件編制求解程序進行求解，具體為：
[0054] a)、根據(jù)建筑參數(shù)及逐時氣象參數(shù)，計算用戶負荷需求；
[0055] b)、確定初始太陽能光熱單元和太陽能光伏單元分別占建筑屋面的面積；
[0056] c)、結合逐時氣象參數(shù)W及設備熱力和電力特性，得出集熱量和發(fā)電量，形成系統(tǒng) 能流平衡關系；
[0057] d)、根據(jù)逐時市網(wǎng)消耗電量及逐時上網(wǎng)電量，計算建筑年能耗，并根據(jù)年能耗計算 出建筑年度費用；
[0058] e)、判斷建筑年度費用是否小于設定值，若年度費用小于設定值，則獲得太陽能光 熱單元和太陽能光伏單元分別占建筑屋面的面積的最有配置，并輸出，若年度費用大于設 定值，則返回步驟b)，重新確定太陽能光熱單元和太陽能光伏單元分別占建筑屋面的面積。
[0059] 本發(fā)明針對高原寒冷地區(qū)的資源、氣候W及建筑特征，提出了一種適宜的建筑主 動式太陽能利用系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)禪合關系與能流平衡約束條件，W經(jīng)濟性與節(jié)能性為基 礎，建立了系統(tǒng)的優(yōu)化求解模型，為高原寒冷地區(qū)建筑采用多種太陽能技術的綜合應用提 供了支持，使太陽能復合系統(tǒng)的應用得到了推廣。
【附圖說明】
[0060] 圖1是本發(fā)明中主動式太陽能系統(tǒng)的應用示意圖。
[0061] 圖2是本發(fā)明利用軟件的求解流程圖。
[0062] 圖中標記：1為太陽能光熱單元，2為太陽能光伏單元，3為空氣源熱累，4為供暖設 備，5為建筑用電器，6為熱網(wǎng)母線，7為逆變器，8為電網(wǎng)母線。
【具體實施方式】
[0063] 下面結合附圖，對本發(fā)明作詳細的說明。
[0064] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發(fā)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W解釋本發(fā) 明，并不用于限定發(fā)明。
[0065] 實施例：一種適用于高原寒冷地區(qū)建筑的主動式太陽能系統(tǒng)優(yōu)化方法，如圖1所 示，所述主動式太陽能系統(tǒng)包括太陽能光熱單元1和太陽能光伏單元2,所述太陽能光熱單 元1和太陽能光伏單元2均設置于建筑屋面，該系統(tǒng)利用太陽能光熱作為主要供暖熱源，采 用電動空氣源熱累作為采暖輔助熱源，同時其采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，可W將光伏產(chǎn)生的電 能輸送至電網(wǎng)，緩解電力供應緊張局面；所述太陽能光熱單元1通過太陽能集熱與空氣源 熱累3輔助熱源為建筑冬季供暖設備4提供熱源，所述太陽能光熱單元和空氣源熱累通過 熱網(wǎng)母線6與供暖設備連接，所述太陽能光伏單元2通過光伏發(fā)電為建筑用電器5、空氣源 熱累3W及輸送水累提供電源，當發(fā)電量高于整個建筑電力需求時，多余電力通過逆變器7 輸送至電網(wǎng)母線8,當發(fā)電量低于整個建筑電力需求時，由市電網(wǎng)提供不足部分。
[0066] 在該系統(tǒng)中，熱力和電力存在較強的禪合關系，太陽能集熱面積的大小將影響輔 助熱源的電負荷，進而影響光伏系統(tǒng)電量平衡關系和太陽能光伏電池的安裝面積，而太陽 能光伏面積的變化也會反過來影響太陽能光熱系統(tǒng)集熱量與蓄熱特征；二者的相互作用既 體現(xiàn)在太陽能熱/電轉換W及蓄熱/蓄電過程上，又體現(xiàn)在建筑全年用能過程方面，同時對 綜合利用系統(tǒng)的經(jīng)濟性方面也造成重要影響。建筑用能、建筑產(chǎn)能與建筑蓄能Ξ者之間的 禪合關系，再加上氣象參數(shù)的動態(tài)變化，最終形成復雜的多變量動態(tài)禪合過程。
[0067] 所述主動式太陽能系統(tǒng)優(yōu)化方法包括W下步驟：
[0068] a)、將建筑看作一個開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)中全年建筑的電力與熱力需求量是恒定的， 外界與系統(tǒng)發(fā)生的商品能源交換的通道僅為電力并網(wǎng)點；在滿足建筑用熱與用電的需求前