基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器安装优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器安装优化方法，包括以下步骤：a）、太阳能集热系统的有效集热量的确定；b）、太阳能供暖系统集热器安装优化模型建立；c）、优化数学模型。本发明专利技术通过基于有效集热量优化所得的太阳能集热器最佳安装方位与安装倾角可以消除集热面多接受的无效太阳辐照，使得所确定的太阳能集热器安装更为精确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能利用
，特别涉及一种基于有效集热量的太阳能供暖系 统集热器安装优化方法。
技术介绍
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供暖技术在建筑中应 用逐渐成为研究重点。太阳能辐射到达地球表面的辐射照度变化很大，即使在同一地点，不 同倾斜面上所获得的太阳辐照量也有很大差别，所以准确地选择太阳能集热器的安装倾角 和安装方位角，是最大限度地利用太阳能资源的一个重要措施。 对于最佳安装方位与倾角，众多研究给出了不同的结果。如文献：Chinnery D N ff. Solar water heating in South Africa. CSIR-Reseach Report 248，Pretoria， 1971，建议南非地区太阳能最佳倾角为当度炜度+10° ;文献：Heywood H. Operating experience with solar heating.JIHVE，1971 (6)，给出最佳倾角为当地炜度-10° ;文 献：《太阳能供热采暖工程技术规范》，中国建筑工业出版社，2009, GB50495-2009,指出 安装倾角宜选择在当地炜度-10°~+20°的范围内。 对于最佳安装优化方法，众多学者均是基于倾斜面接收的太阳辐照量研究不同建 筑太阳能集热器的安装方位与安装倾角。文献：廖祯群，刘新月.平板集热器安装倾角与 太阳辐射量吸收的关系.绿色科技，2015,4:258-262,以集热器表面所能接受到的太 阳辐射量最大为目标，对昆明与丽江两个城市太阳能集热器的最佳倾角进行了优化研究； 文南犬：Huseyin Gunerhan, Arif Hepbas li. Determination of the optimum tilt angle of solar collectors for building applications. Building and Environment, 2007,42:779-783,以集热器表面所能接受到的太阳辐射量最大为目标，对土耳其太阳能 集热器的最佳倾角进行了优化研究；文献：杨红霞，郑海.陕北地区太阳能热水器最佳倾 角确定.低温建筑技术，2015,6:142-144,以集热器表面所能接受到的年平均太阳辐 射量最大为目标，对陕北太阳能集热器的最佳倾角进行了优化研究；文献：马江燕.典 型气象年下我国正南安装的太阳能集热器最佳倾角的计算与分析.铁道建筑技术， 2012, 5:110-113,以集热器表面太阳辐射日总量平均值最大为目标，对我国10个城市太阳 能集热器的最佳倾角进行了优化研究；文献：汪海涛，刘艳峰.拉萨太阳能集热器竖排安装 最佳倾角分析.节能技术，2009, 27 (6) :525-563,以集热器集热量最大为目标，对拉萨 地区太阳能集热器倾角进行了优化，但是其将集热器效率取为定值，实质上其与以集热器 表面太阳福射日总量平均值最大为目标的方法一致。 可见，传统研究仅根据集热器表面接受到的辐照量进行优化推荐，并未考虑环境 温度以及工质温度对集热器吸收热量的影响。实际应用中，由于太阳能光热采暖系统集热 效率不仅受辐照强度的影响，还与室外环境空气干球温度有关，较低的室外空气温度与较 弱的太阳辐射强度时段，集热器表面对流换热造成的散热损失大于集热器表面与太阳的辐 射得热量，所以在温度与太阳辐射强度较低的日出和日落时段，虽然集热器表面可以接收 到太阳辐照能，但并不能加热集热器中的热水，这导致一天中近2个小时的太阳辐射是无 效的，尤其在一些阴雪天气时段更是如此，如图1所示。利用典型气象年逐时气象数据对全 年工况进行模拟计算后，可得集热器单位面积集热量，如图2所示，从图中可以明显看出， 全年有众多时间段虽然存在太阳辐射，但集热器并不能获得有效的热量用于加热其中的液 体工质。 可见，仅利用集热器表面接受到的辐照量进行优化，将计入集热器接受的无效太 阳辐照量，造成所得的优化结果与实际存在一定偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于太阳能集热器的有效集 热量，从而给出集热器安装方位与安装倾角的优化方法。 本专利技术技术的技术方案是这样实现的：基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器 安装优化方法，其特征在于：包括以下步骤： a)、太阳能集热系统的有效集热量的确定： n =QU/AIT (S, yf) =Fr(t α ) n-FRUL (T1-Ta)/It (S, γ f) 式中，η为集热器的集热效率；QU为集热器收有用热，w;A为集热器的面积； IT(S，Tf)为集热器单位面积上接收的太阳辐射，W/m2;FR为集热器转移效率系数；τ为透 明罩板的太阳能透射系数；α为集热器平板的太阳能吸收系数为集热器总热损失系 数，WA°C ·πι2) J1为集热器流体进口温度，°C ;1\为周围环境空气温度，°C ; 令集热器的效率η = 〇,则确定。为临界归一化温差，在临界 归一化温差条件下，吸收的太阳能等于热损失；当t时刻的归一化温差。时，η多〇,吸收的太阳能大于热损失，集热器获得有效热量；当t 时刻的归一化温差。时，η彡〇,吸收的太阳能 小于热损失，集热器反向散热；故太阳能集热系统的有效集热量确定为：某时刻，当归一化 温差小于临界归一化温差时，太阳能集热器所吸收的太阳辐射能量与集热器散失到周围环 境的能量之差为该时刻的有效集热量； b)、太阳能供暖系统集热器安装优化模型建立： (1)倾斜面太阳辐照量计算方法，在进行太阳能集热器安装优化时，需要将水平面 上太阳辐照量转换成倾斜面上太阳辐照量，或者将水平面上太阳辐照度转换成倾斜面上太 阳总辐照度； ①基本参数，太阳赤炜角δ、时角ω、高度角Cts 日地中心连线与赤道的夹角成为赤炜角δ，赤道以北为正、以南为负，可由 Cooper近似公式计算得到： 式中：η为一年中的日期序号； 时角ω为太阳在一天内的变化情况，每小时对应的时角为15°，从正午算起，上 午为负，下午为正，数值等于离正午的时间（h)乘以15°，日出、日落时的时角最大，正午时 为零； 高度角α 3为某地的太阳光线与当地地平面所交的最小线面角，它是太阳光线与 当地地平面所交的最小线面角，计算方法如下： sin a s= sinΦ sin δ +cos Φ cos δ cos ω 式中：Φ为地理炜度； ②计算模型 直射辐射： 设倾斜面与水平面之间的夹角，即倾角为S，太阳入射光线与接收表面法线之间的 夹角Θ的计算公式为： cos Θ = sin δ sin Φ cos S_sin δ cos Φ sin S cos γ f+cos δ cos Φ cos S cos ω+cos δ sinC> sin S cos γ f · cos ω +cos δ sin S sin γ f sin ω 倾斜表面上的太阳直射辐射照度为Id . e : 式中：In为垂直与太阳光线表面上的太阳直射辐射照度W/m2; γ $集热器表面安 装方位角，对于朝向正南的倾斜表面为〇° ;IDH为水平面上的直射辐射照度，W/m2; 散射辐射： 倾斜面上天空散射辐照量是由太阳的辐照量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐 照量两部分组成，倾本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于有效集热量的太阳能供暖系统集热器安装优化方法，其特征在于：包括以下步骤：a)、太阳能集热系统的有效集热量的确定：η＝Qu/AIT(S,γf)＝FR(τα)n‑FRUL(Ti‑Ta)/IT(S,γf)式中，η为集热器的集热效率；Qu为集热器收有用热，W；A为集热器的面积；IT(S,γf)为集热器单位面积上接收的太阳辐射，W/m2；FR为集热器转移效率系数；τ为透明罩板的太阳能透射系数；α为集热器平板的太阳能吸收系数；UL为集热器总热损失系数，W/(℃·m2)；Ti为集热器流体进口温度，℃；Ta为周围环境空气温度，℃；令集热器的效率η＝0，则确定[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]c为临界归一化温差，在临界归一化温差条件下，吸收的太阳能等于热损失；当t时刻的归一化温差[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]t≤[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]c时，η≥0，吸收的太阳能大于热损失，集热器获得有效热量；当t时刻的归一化温差[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]t≥[(Ti‑Ta)/IT(S,γf)]c时，η≤0，吸收的太阳能小于热损失，集热器反向散热；故太阳能集热系统的有效集热量确定为：某时刻，当归一化温差小于临界归一化温差时，太阳能集热器所吸收的太阳辐射能量与集热器散失到周围环境的能量之差为该时刻的有效集热量；b)、太阳能供暖系统集热器安装优化模型建立：(1)倾斜面太阳辐照量计算方法，在进行太阳能集热器安装优化时，需要将水平面上太阳辐照量转换成倾斜面上太阳辐照量，或者将水平面上太阳辐照度转换成倾斜面上太阳总辐照度；①基本参数，太阳赤纬角δ、时角ω、高度角αs日地中心连线与赤道的夹角成为赤纬角δ，赤道以北为正、以南为负，可由Cooper近似公式计算得到：δ=23.45sin(360×284+n365)]]>式中：n为一年中的日期序号；时角ω为太阳在一天内的变化情况，每小时对应的时角为15°，从正午算起，上午为负，下午为正，数值等于离正午的时间(h)乘以15°，日出、日落时的时角最大，正午时为零；高度角αs为某地的太阳光线与当地地平面所交的最小线面角，它是太阳光线与当地地平面所交的最小线面角，计算方法如下：sinαs＝sinΦsinδ+cosΦcosδcosω式中：Φ为地理纬度；②计算模型直射辐射：设倾斜面与水平面之间的夹角，即倾角为S，太阳入射光线与接收表面法线之间的夹角θ的计算公式为：cosθ＝sinδsinΦcosS‑sinδcosΦsinScosγf+cosδcosΦcosScosω+cosδsinΦsinScosγf·cosω+cosδsinSsinγfsinω倾斜表面上的太阳直射辐射照度为ID·θ：ID·θ=IDH·cosθsinαs]]>式中：In为垂直与太阳光线表面上的太阳直射辐射照度W/m2；γf为集热器表面安装方位角，对于朝向正南的倾斜表面为0°；IDH为水平面上的直射辐射照度，W/m2；散射辐射：倾斜面上天空散射辐照量是由太阳的辐照量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐照量两部分组成，倾斜表面上的太阳散射辐射照度Id·θ，按下式计算：Id·θ=IdH(1+cos S)2]]>式中：IdH为水平面上的太阳散射辐射照度W/m2；地面反射辐射：地面的反射辐射运用Lambert定律，把地面的反射辐射看成是各向同性的，地面反射的太阳辐射照度IR·θ，按下式计算：IR·θ=ρG(IDH+IdH)(1-cos S)2]]>式中：ρG为地面反射比，取平均值0.2，IDH为水平面上的直射辐射照度，W/m2；倾斜面上总辐射：集热器倾斜表面单位面积上的太阳辐射照度IT(S,γf)，按下式计算：IT(S,γf)＝ID·θ+Id·θ+IR·θ；c)、优化数学模型：根据计算不同倾角与不同安装方位角情况下的有效集热量，将供暖季节有效集热量累加量最大的安装倾角与方位角作为最佳的安装倾角与方位角；供暖季节有效集热量的数学描述为：Qu(S,γf)=Σ3600ηT+·A·IT(S,γf)1000]]>式中：Qu(S,γf)为供暖季节的有效集热量，kJ；A为集热器采光面积，m2；IT(S,γf)为供暖季节集热器倾斜表面单位面积上的太阳辐射照度，W/m2；S,γf分别为集热器倾角与集热器表面安装方位角，°；ηT+为集热器瞬时效率，％，上标+表示在累加中使用正值，所以优化目标函数应为使得集热器在供暖季节获得的有效集热量最大，即：MAX[Qu(S,γf)]=MAX[&Si...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯雅，戎向阳，司鹏飞，刘希臣，石利军，
申请(专利权)人：中国建筑西南设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51