一种适宜热带地区太阳能热水工程主体设备配置的设计方法技术

本发明专利技术是一种适宜热带地区太阳能热水工程主体设备配置的设计方法，它在现行国家建筑太阳能热水系统应用技术规范提供的计算集热总面积公式的基础上，进行调整、改进与创新，由确定值计算法改进为随机变量计算法，通过聚类分析，分别提供了计算集热器面积、贮水箱与辅助加热设备容量与配置比例的新方法，实现了太阳能热水工程三大主体设备的最佳合理匹配，达到既省初期投资又省运营能耗的双赢效益。经实例验证，本方法设计的三大主体设备容量和配置比例方案，与开发商提供的方案相比，初步估算，在海口可省投资２０％，三亚、西沙可省４０％以上，运营能耗只相当于其他设计方案１／３，一是耗能的辅助设备容量减少，二是充分利用了超产热水。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热带地区太阳能热水工程主体设备配置的设计新方法，它是对现 有国家建筑太阳能热水系统应用技术规范提供的计算集热总面积公式进行重大改进的基 础上创建的，一是将计算集热器总面积表达式调整为计算集热器生产热水量的表达式，二 是公式中的气象数据(辐射量、环境温度)由确定性一维变量式，更改为逐日变化的二维随 机变量式，，三是用户日均用水量(设计热水负荷)从公式中分离出来，成为与集热器产水 量比较的基准值。通过多次聚类分析，提出了计算集热器面积、贮水箱容量、辅助加热设备 容量以及计算能耗的新方法，实现三大主体设备符合太阳能辐射生产热水内在特征与规律 的最佳合理匹配方案，达到既省初期投资又省运营能耗的双赢效益。
技术介绍
太阳能热水工程是由集热器、贮水箱、辅助加热装置及其传送热水与控制运行系 统构成。目前在太阳能热水工程中，设计集热器、贮水箱与辅助加热装置容量的匹配方法一 般采用的有三种，一是在日热水负荷已知后，按照国家GB50364-2005规范中集热器总面积 公式测算确定，二是根据制造商或开发商提供的晴天一支或一组真空管产水量(在设定的 环境温度与平均日辐照量下进行)，按已知的日热水负荷，进行总面积配置，三是采用国外 F-Chartt等软件，输入多变量确定。但这些方法都是采用平均日太阳辐照量。平均环境温 度等变量值输入，可统称为平均值法。这种平均值法只能准确测算一个点的产水值，而不 能拟合出集热器产水量随辐射量不断变化随机规律，测算集热器面积结果只能是近似值， 一个点的产水值，更不能量化贮水箱与辅助加热设备容量。所以，在工程中，贮水箱与辅助 加热设备容量通常是比照集热器设计热水负荷进行配置，即三者按1 1 1比例配置， 或者称为同容量的双能源配置。这种配置的太阳能热水机组在地处热带的海南应用，存在 以下问题一是没有体现海南纬度低、太阳高度角高、太阳辐照强度大且热稳定性好，气温 高、水温高、地温高且年温差小、无严寒酷暑、天然大温室等热带气象特色，工程设计照搬内 地的一般模式，造成三个主体设备设计容量偏大的现象；二是工程组件匹配不合理，三个主 件，只有集热器按国家规范的公式计算确定，而贮水箱与辅助加热设备容量则无公式计算 确定，体现不出太阳辐射制热中的的辅助功能角色；三是海南理应走出一条即省能又省投 资的太阳能热水利用的新路子，但事与愿违，不仅初期投资比内地高，而且节能效果也不理 想，因为在天然大温室的海南，洗浴用热水，不是人们必须，而是锦上添花，如果一次性投资 大或使用收费偏大，都会阻碍其推广应用，因此存在政府热、民间冷的推广应用状况。总之， 太阳能是典型的气象产品，可是却没有体现海南热带的气象特色。
技术实现思路
本专利技术正是为解决这些问题，从系统研究气象资源数据入手，在现有国家建筑太 阳能热水系统应用技术规范(GB-50364-2005)提供的计算集热总面积公式的基础上，经调整、改进与创新，建立了符合太阳辐射制热水的内在特点与规律的求解随机变量-集热器 产水量公式，通过聚类分析，进而建立了的分项计算集热器面积、贮水箱与辅助加热设备容 量的计算公式，为合理设计三大主体设备容量及其配置比例而开发的一种适合热带地区太 阳能热水工程的省投资与节能新方法。一、海南热带气象特征海南是我国唯一的热带省，也是最大的天然温室，疆域最大，与其它省市区相比， 地理纬度最低、太阳高度角最高，两次过天顶，太阳辐照强度大、稳定性好、环境气温高(水 温高、地温高)，最适宜于大面积推广与普及太阳能热水工程系统，如表1所示表1海南太阳能资源特征 表1可清晰看出，海南这些与太阳能热利用密切相关的气象资源，为最经济、最合 理的利用太阳能提供了方向与依据。二、搜集整理年逐日气象资源基础数据以国家气候中心唯一公开公布的2001年中国逐日气象辐射资料手册和国家气象 局网上气象咨询库资料中的海口、三亚、西沙三地的太阳总辐射与平均气温(日最高与最 低气温的平均值)的逐日实测数据为素材，进行系统整理与分析，编制了如表2所示的逐日 总辐射与逐日气温的实测基础数据表表2 2001年海口、三亚、西沙三地逐日总辐射与逐日环境温度统计表 表2揭示了热带地区的以下气象特征第一、从太阳辐射量看，三地的总辐射量随 太阳高度角的增高而增大，平均气温也相应提高，随着热带区域由北向南的推移，不仅辐射 量增多，而且全年分布也比较均衡，稳定性好，昼夜与季节温差变化也小；第二、从太阳日辐 射分布看，三地的气象观察站。几乎天天都能测到辐射能，因受大气环流影响，只是多少而 已，四季如此，受阴雨天影响较小海口无辐射天为2天，而三亚与西沙仅有1天。这样优异 的气象资源，为最充分利用太阳能制取热水创造了条件；第三、在工程设计上提供了两条改 进的线索，一是现有太阳能热水工程中采用年日平均值测算集热器面积的方法，只能代表 一个辐射点的所需面积，因此，当用平均值法测算出集热器面积后，还需用逐日辐射和气温 值的方法进行校正与调整，避免出现集热器面积偏大的情况；二是在集热器面积确定后，集 热器所产热水随逐日辐射量与环境温度的变化而变化，也是一个随机变量。求解随机变量 的方法与求解确定值的的方法是不同的。三、本方法的专利技术要点(一 )调整、补充与完善国家建筑太阳能热水系统应用技术规范(GB-50364-2005) 提供的计算集热总面积的公式规范中计算集热口器面积的公式为Ac = QwCw (t--、) f/JT ncd(l-nL).................................... (1)式中Α。-集热器总面积m2，Qw——日均用水量T，Cp-水的定压比热容MJ/ (T · °C )， t d-贮水箱内水的设计温度。C，ti-水的初始温度。C，f-太阳能保证率％，Jt-当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量MJ/m2，η。d_集热器的年平均集热 效率，JU——C水箱和管路的热损失率。在工程设计中，f、n。d、IU为一定幅度范围内的经验取值，Cp为4. 187的常数，JT、 、为当地的年平均日值，也是确定值，在上述输入量确定后，集热器总面积计算则简化为由 Qw与、-而定的因变量。但从辐射制热的原理看，集热器产水量与用户日均用水量是两个 不同定义的量，日均用水量是指太阳能热水工程必须为用户提供的日用水量，是工程的目 标值，又称为设计热水负荷，本方法称为基准值，是一个确定值。而集热器产水量(以下简 称产水量)则是随辐射与气温变化而变化的随机变量，是一个不确定量，用Qx表示。(^与 Qw会呈现三种状态，一是Qx = Qw的状态，这是规范公式要求的状态；二是Qx < Qw的状态， 产水量达不到设计负荷要求，就要用辅助加热设备补加水量；三是Qx > Qw的状态，就要用贮水箱多存储超产水量。在工程运行中，三种状态出现的几率是Qx > Qw和Qx < QwS远大于 Qx = Qw，可以说1 = Qw是辐射制热水过程中的特例。因此需要采用本方法对现行规范公式 进行调整、补充和完善。要点是第一、将(1)式中的Qw调整为Qx，而Qw作为本方法所有测算结果进行分析比较与 分类的基准值。第二、将集热器产水量调整为产出项，而集热器总面积调整为输入项，表达本文档来自技高网...

【技术保护点】
计算集热器产水量随气象资源数据而变化的求和公式，表达式为：∑Ｑ↓［ｘ］＝∑Ａ↓［ｃ］－Ｊ↓［Ｔ］η↓［ｃｄ］（１－η↓［Ｌ］）／（ｔ↓［ｅｎｄ］－ｔ↓［ｉ］）Ｃ↓［ｐ］ｆ＝Ａ↓［ｃ］η↓［ｃｄ］（１－η↓［Ｌ］）／Ｃ↓［ｐ］ｆ∑Ｊ↓［Ｔ］／（ｔ↓［ｅｎｄ］－ｔ↓［ｉ］）设经验取值η↓［ｃｄ］（１－ηＬ）／Ｃ↓［ｐ］ｆ＝Ｋ，则∑Ｑ↓［ｘ］＝ＫＡ↓［ｃ］∑Ｊ↓［Ｔ］／（ｔｅｎｄ－ｔｉ）（该式为本方法的基本运算式，它体现了集热器产水量随气象资源变化而变化的内在本质特征与客观规律，是设计集热器面积、贮水箱、辅助加热设备容量的计算依据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王长安，汪国杰，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：66[中国|海南]