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
【技术领域】
[0001] 本发明设及建筑工程技术领域，特别设及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。
【背景技术】
[0002] 随着青藏高原建筑规模的快速增长，传统建筑能源供应短缺、生态环境脆弱成为 制约高原地区发展的突出因素。青藏高原地区太阳能资源及其丰富，具有大规模开发利用 太阳能的资源潜力。因此，如何高效、高质的利用该地区丰富的太阳能资源，建设低能耗的 建筑将成为高原城镇建设的重要发展方向。
[0003] 近年来，太阳能技术得到了快速发展，同时太阳能利用设备价格呈现逐年下降的 趋势，导致太阳能光热、光电等单项技术在高原建筑中得到了广泛的应用。随着主动太阳能 产品的不断发展，太阳能热水和主动太阳能采暖技术在建筑中应用逐渐成为研究重点。
[0004] 目前针对高原寒冷地区资源与气候特征，研究适宜高原地区的太阳能光热与太阳 能光伏等多技术复合的综合利用系统形式尚未见到报道。如何高效、灵活且有针对性的向 建筑提供更多能量成为太阳能利用研究的难点。由于复合多种太阳能技术的热电禪合系统 的复杂性及相应设计方法的缺失，导致目前高原地区多限于某种单一太阳能技术的应用， 严重阻碍了太阳能复合系统的推广应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于高原寒冷地区建筑的 主动式太阳能系统的优化方法。
[0006] 本发明技术的技术方案是运样实现的：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累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、空气源热累W及输送水累提供电源，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W下步骤：
[0007] 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；
[0008] b)、W上述要求建立优化模型，具体为：
[0009] ①系统逐时电量平衡关系：
[0010] Qf也Ad, J -Qq化)-Qg也Ar, J = Qs也Ad, ?，Ar, J
[0011] 式中，Qf也Ad,J为光伏设备逐时发电量，kWh;Qq(h)为除义暖设备w外的其他设 备逐时用电量，kWh;Q,也Ad,>^，Af,J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;Qg(h, 为供暖系统逐时消耗电量，kWh;Ad,"为光伏发电设备占用屋顶面 积，m2;A为光热设备用屋顶面积，m2;
[0012] ②系统逐时热量平衡关系：
[0013] 第h时刻集热器直接供热量可表示为：
[0014]
[0015] 第h时刻水箱余热量的热平衡方程可表示为：
[0016]
[0017] 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）：
[00巧]Θ为集热器安装倾角，。；
[002引 I化）为第h时刻倾斜面的太阳福照强度，W/m2;
[0027] Qf化）为第h时刻供暖所需热量，kj;
[0028] ③全年上网电量：
[0029]
[0030] 式中，Q,,?(Ad,>^，Ar,J为全年上网电量，k怖；
[0031] ④全年市网消耗电量：
[0032]
[00对式中，Qs,x(Ad,"，Ar,J为全年城市电网消耗电量，kWh;
[0034] ⑥全年能耗量（W电量来算）：
[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为全年能耗量（W电量来算），kWh;
[0037] ⑧屋顶面积有限约束：
[003引Ad'w+Ar'w《Aw
[00測式中，A历屋顶面积，m2;
[0040] ⑦运行费用：
[0041] 运行费用可用下式表示：
[0042]
[004引式中，P(Ad,?Af,J为年运行费用，元；P"(Ad,?Af,J为年维护费用，即光伏系统与供 暖系统，元；
[0044] ⑨年计算费用：
[0045] 年计算费用公式如下式：
[0046]
[0047] 式中，Z为年计算费用，元/a;Κ为初投资，元；i为利率/收益率，％ ;n为生产期， 运里取集热器的寿命，年；P为运行费用；Θg为资金回收系数；
[0048] C)、确定目标函数：
[0049] ①从节能最优角度考虑，目标函数为：
[0050] S=min[Qn,h(Ad,w，Af'J] =min[Qs,x(Ad,w，Ar,J-Qs,w(Ad,w，Af,J]
[0051] ②从经济最优角度考虑，目标函数为：
[0052]
[0053] 本发明所述的适用于高原寒冷地区建筑的主动式太阳能系统优化方法，通过所述 优化模型，利用MTLAB软件编制求解程序进行求解，具体为：
[0054] a)、根据建筑参数及逐时气象参数，计算用户负荷需求；
[0055] b)、确定初始太阳能光热单元和太阳能光伏单元分别占建筑屋面的面积；
[0056] c)、结合逐时气象参数W及设备热力和电力特性，得出集热量和发电量，形成系统 能流平衡关系；
[0057] d)、根据逐时市网消耗电量及逐时上网电量，计算建筑年能耗，并根据年能耗计算 出建筑年度费用；
[0058] e)、判断建筑年度费用是否小于设定值，若年度费用小于设定值，则获得太阳能光 热单元和太阳能光伏单元分别占建筑屋面的面积的最有配置，并输出，若年度费用大于设 定值，则返回步骤b)，重新确定太阳能光热单元和太阳能光伏单元分别占建筑屋面的面积。
[0059] 本发明针对高原寒冷地区的资源、气候W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，并利用系统禪合关系与能流平衡约束条件，W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。
【附图说明】
[0060] 图1是本发明中主动式太阳能系统的应用示意图。
[0061] 图2是本发明利用软件的求解流程图。
[0062] 图中标记：1为太阳能光热单元，2为太阳能光伏单元，3为空气源热累，4为供暖设 备，5为建筑用电器，6为热网母线，7为逆变器，8为电网母线。
【具体实施方式】
[0063] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0064] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W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W解释本发 明，并不用于限定发明。
[0065] 实施例：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，如图1所 示，所述主动式太阳能系统包括太阳能光热单元1和太阳能光伏单元2,所述太阳能光热单 元1和太阳能光伏单元2均设置于建筑屋面，该系统利用太阳能光热作为主要供暖热源，采 用电动空气源热累作为采暖辅助热源，同时其采用了光伏发电系统，可W将光伏产生的电 能输送至电网，缓解电力供应紧张局面；所述太阳能光热单元1通过太阳能集热与空气源 热累3辅助热源为建筑冬季供暖设备4提供热源，所述太阳能光热单元和空气源热累通过 热网母线6与供暖设备连接，所述太阳能光伏单元2通过光伏发电为建筑用电器5、空气源 热累3W及输送水累提供电源，当发电量高于整个建筑电力需求时，多余电力通过逆变器7 输送至电网母线8,当发电量低于整个建筑电力需求时，由市电网提供不足部分。
[0066] 在该系统中，热力和电力存在较强的禪合关系，太阳能集热面积的大小将影响辅 助热源的电负荷，进而影响光伏系统电量平衡关系和太阳能光伏电池的安装面积，而太阳 能光伏面积的变化也会反过来影响太阳能光热系统集热量与蓄热特征；二者的相互作用既 体现在太阳能热/电转换W及蓄热/蓄电过程上，又体现在建筑全年用能过程方面，同时对 综合利用系统的经济性方面也造成重要影响。建筑用能、建筑产能与建筑蓄能Ξ者之间的 禪合关系，再加上气象参数的动态变化，最终形成复杂的多变量动态禪合过程。
[0067] 所述主动式太阳能系统优化方法包括W下步骤：
[0068] 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