专利名称：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
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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、本方法的发明要点(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，表达式为Qx = Ac JTncd(i-nL)/(t--、)Cp f.................................... (2)这是求解日产水量的表达式，Qx为集热器的日产水量，在n。d、iu、cp、f经验取值 后，Qx随A。、JT、tmd、ti取值的不同而变化。本方法调整现有公式的实质，就是当A。、JT、tmd、 ti改变时，通过集热器随机产水量Qx与工程设计热水负荷Qw的互动比较中，将集热器、贮水 箱与辅助加热设备连接为一个有机系统，在工程上实现三者的最佳匹配。第三、为体现气象资源的随机性特点，将年平均日辐射量(Jt)与年平均日气温、 值，调整为逐日辐射量与逐日气温，即由确定值输入，调整为两组365天的随机变量输入。 输入项为随机变量，则输出的产水量也是一组随机变量，表达式为EQx=EAc Jtncda-nLVaentTti)c/ = Acncd(i-nL)/cpf Σ Jt/(t--、)设经验取值n cd (1- n L) /C/ = K，则 Σ Qx = KAc Σ Jt/ (t^-t^.....................(3)(3)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。第四、以设计热水负荷为基准值，采用聚类分析法，对Σ Qx进行相似性分类统计分 析，求解出产水量不足区、达产区与超产区的累计水量及其日平均水量，为集热器面积、贮 水箱与辅助加热设备容量的定量设计提供依据，在工程上，使三大主体设备容量与配置比 例的设计更趋合理，达到降低太阳能热水工程的初期投资与运营能耗的进一步降低的双赢 效益。第五、更正了规范公式的错误。从公式(1)可看出，在分母项中Jt不能为0，一旦 出现0，公式就无解，而在气象辐射观察中，常常出现0辐射。而本方法提出的(2)、(3)式 中，将JT、Σ Jt调整为分子项，就不会有无解的情况出现，无辐射，就无热水产出，使公式的 运算更符合逻辑推理。( 二)编制集热器逐日产水量运算表按计算产水量公式(3)的要求，以Excel作为平台(或设计专用软件)，编制海口、 三亚、西沙所用的集热器逐日产水量运算表，并存储于Excel中，现列出三亚所用集热器逐 日产水量(Qx)的计算数据说明之，如表3所示表3三亚地区集热器产水量输入输出数据运算表
12 (三)应用聚类分析法，为集热器、贮水箱与辅助加热设备容量与匹配比例提供新 的工程设计算法以设计热水负荷为基准，应用聚类分析中的分裂法与层次法对表3中的Σ Qx进行 分类统计，创建求解集热器面积、贮水箱与辅助加热设备容量的计算公式，或称太阳能热水 工程三大主件的工程设计参数新算法。
具体实施例方式为说明具体的实施方式，以海口、三亚、西沙三地用户设计日产55°C、80吨热水负 荷作为比较的基准量。
一、校正与调整用平均值法确定的集热器总面积步骤是①输入表2所列三地气象基础数据与不同类型方法所确定的集热器总面 积数据于表3、在Excel平台中求解出集热器产水量的逐日产水量、累计产水量与平均日产 量；②将不同方法测算集热器面积的日产水量，按地区进行归类、比较与分析，结果示 于表4 表4三地不同类型确定集热器面积方法的比较 从表4可知，用本方法计算集热器面积，比规范公式测算面积更准确，因为逐日辐 射量与逐日气温比年平均日值的输入，更符合集热器产水量随机气象数据变化的特色。这 样确定的集热器面积，既能达到设计热水负荷的要求，又能减少集热器总面积，进而降低投 资成本。因此，凡用平均值确定的集热器总面积，在使用本方法时，都必须使用逐日气象数 据进行集热器面积的校正和调整。表达式为=Qx=E Qx/365 ^ Qw..................· (4)该式表述为集热器累计产水量的平均值调整近似等于设计热水负荷时的集热器 面积作为选配集热器的依据。③实施验证。现以海口三种测算不同集热器总面积的方法为例，都用逐日辐射量 与逐日气温输入表3，计算出逐日产水量，按月聚类排序，再按补加热水量与达产、超产热水 量进行统计比较，结果示于表5 表5不同方法所定集热器产水量进行按月聚类分析结果(海口) 单位吨 从表5可进一步看出，采用本方法计算公式，不仅能够减少集热器面积，降低投 资，而且能够更合理的利用超产水，提高超产水的利用程度，过多超产水的处理，在工程上 也是个头痛头痛问题，排放可惜，提高温度存储，造成水温不稳定与产生水垢。二、测算贮水箱与辅助加热设备的容量步骤是①将三地的逐日辐射、气温、集热器面积与其它固定值输入表3，输出的 产水量按产量聚类排序，并以设计热水负荷为基准划分区域，，结果示于表6 表6三地集热器按产水量聚类排序分析结果比较单位吨 ②将表6的逐日产水量按< = > 设计热水负荷的分区统计计算的结果汇总于表7 表7按产量排序分区聚类结果汇总表 单位吨 ③建立数学模式。将表6逐日产水量进行回归分析，则它们是一组相关系数高且 接近的线性方程组，其表达式分别是Qx海口=0.4523d-2. 45=0.9912........……(5)
Qx三亚=0.2945d+26.835R2=0.9631..................(6)
Qx西沙—0.2663d+31. 399R2=0.9674..................(7)式中Qx为集热器产热水量，d为按产水量排序的日序。在缺省系统气象资源数据时，使用该方程组，也能近似的测算出上述集热器产水的分布规律，编制出聚类排序分析的数据表和汇总表。④根据太阳与地球相对运动、太阳辐射朝起暮落、随日月周而复始的变化特点，将 表6提供的按产量聚类排序分区数据，再分别按月进行聚类排序，统计出产水不足月份与 超产水月份的水量，汇总列表，就可进行三地设计热水负荷为80吨的太阳能热水工程中所 需的贮水箱与辅助加热设备容量的具体计算，如表8所示表8采用聚类分析法测算贮水箱与辅助加热设备容量的列表法单位吨 ⑤根据表8所列数据，可以有三种方式测算贮水箱与辅助加热设备容量的方法可 供选择方法一、平均值法。将全年超产热水与需要补加热水总量分别除以超产热水天数 与补加热水天数，就可求解出每天需要贮存超产水的容量和需要补加热水的数量，由此确 定贮水箱与辅助加热设备的容量表达式为超产热水的所需贮水箱日容量Qye = Σ Qy/ Σ d。。..................(8)补加热水的所需辅助设备日容量Qxb = Σ Qs/ Σ db................... (9)方法二、理想值法。将超设计负荷产水量_补加热水量的差值Qz作为理想值法的 标尺，Q为-Qz表示产水量不足月扣除可利用当月超产水后实际需要补加的水量，Qz为 +Qz则表示在超产水月扣除当月产水不足天所需超产水后的实际超产水，+Qz与-Qz分别进 行累加，然后除以各自的超产累计天数与各自的产水量不足的累计天数，就是实际超产水 所需贮水箱日容量与实际补加水所需辅助设备日容量，表达式为实际超产水所需贮水箱日容量Qzy =( Σ Qy- Σ Qs)/Σ dcy = Σ Qz/ Σ dcy .........
(10)实际补加水所需辅助设备日容量Qzs = - ( Σ Qy- Σ Qs) / Σ dbs = - Σ Qz/ Σ dbs……(11)Σ知是Qz为正时，累计出现超产水天数；Σ 4为Qz为负时，累计出现产水不足 的天数方法三、最大月份法。最大最小月份法又称安全保险系数最大法。超产热水量最 大月与补加热水量最大月的产水量进行测算。表达式为全年超产水最多月份的日超产水量Qy = Qy/dc..................... (12)全年补加热水最多月份的日补加水量Qs = Qs/db..................... (13)按照上述三个方法测算三地所需贮水箱与辅助加热设备容量的结果示于表9表9三个方法测算贮水箱与辅助加热设备容量的结果比较 单位吨 ⑥根据表9结果设计出海口、三亚、西沙三个热带地区贮水温度55°C、日热水负荷 80吨的太阳能热水工程的集热器、贮水箱、辅助加热设备配置容量与比例，并按容量选择设 备型号规格，如表10所示表10热带地区日产80吨热水太阳能热水工程工程主件的配置容量与比例 上述三种设备配置方法与原方法相比，不仅能最大程度的节约常规能源，而且也 节约初期投资。因为三类设备，贮水箱最便宜，可以就地制造，海南环境温度高，无需防寒防冻措施，还可简化保温层，成本还会进一步降低。如何选择配置比例，视用户用水情况而定。 如用水难控制的单位，如学生用水，可选择最大月取值法配置；用水比较稳定的居民小区， 则可选择理想值法配置，省点投资对居民总有好处。⑦实施验证。三种方法测算结果，都是聚类为月产水量进行的，在工程设计上还需 要用产水最大月份与产水最小月份的逐日产水量进行校正与调整，如表11所示表11集热器最多产水量与最少产水量月份的逐日产水量统计表 单位吨 将表10与表11数据对照比较，表10提出的集热器、贮水箱与辅助加热设备的配 置比例，在工程运行中是可行的。理由是第一、在产热水最少的月份，海南只有1天无辐射热水产出，为1天的热水供应问 题，可以有多种解决方案，如提前启动辅助设备存储热水，最大负荷的开启辅助设备供热， 也可将设计热水温度降低到45°C (在海南是可行的)，甚至多方案同时使用，确保用户1天 的热水供应。据此，本方法提供的减少辅助设备的配置方案，可确保最恶劣天气的供热问
第二、贮存超产水作用有三，一是保证供水温度的稳定，二是提高供水能力，满足 突发性用水需要，三是补充辐射产水量不足天的热水需要，减少辅助设备的启动时间，节约 常规能源。但增加贮水器容量，投资相应增加，因此不宜采用最高值设计，而采用平均值设 计较妥当，它同样可以实现贮水箱的三个作用。以上所述的具体实施方式
是采用案例进行演译的，实际上可以按照用户的需要， 量体裁衣的进行设计配置，如按贮水箱的不同设定温度(60°C、50°C、45°C等)配置、或按不 同设计负荷(10吨、50吨、100吨等)、或按实际可能安装的集热器面积进行配置、或其他特 殊要求等，都能通过测算，定量配置三个主体设备的容量，实现省投资、省能的双赢效果。⑧在系统气象数据缺省时，可采用下列数学方程组进行计算计算月超产水量方程组Qy9 口 = 0. 0678m6-2. 6642m5+42. 59m4-353. 81m3+1523. 4m2-2680. lm+1521 R2 = 0. 9619Qy Ξ M = 0. lm6-4. 0375m5+63. 925m4-449. 42m3+l 1940m2-3130. 4m+1652 R2 = 0. 8992Qy H 少=0. 0647m6-2. 6455m5+42. 63m4-354. 84m3+399. 3m2-2346. 6m+1262. 1 R2 = 0. 9003.计算月补加热水热水量方程组Qs 海口 = -0. Olm6-O. 0017m5+6. 225m4-93. 605m3+495m2-750. 96m-879. 24 R2 = 0. 9805Qs 三亜=-0. 0237m6+0. 3362m5-12. 248m4+98. 757m3_469. 55m22+l 191m-1440. 51 R 2
=0. 862Qsh 沙=0. 07028m6-2. 7326m5+40. 464m4-283. 74m3+936. 68m2_l 177. 6. lm+74. 848 R2 = 0. 8812式中m为月份。使用两个方程组，也能近似的测算出集热器超产热水量和启动辅 助设备补加热水量的月产分布规律，采用聚类分析法，测算出所需集热器、贮水箱、辅助加 热设备的容量及其配比。实施案例一、可信性1、采集数据可信。逐日辐射数据采集自国家气候中心公布的2001年三地辐射观 察资料，逐日气温采集自国家气象局网站数据咨询库提供的逐日气温进行测绘整理出来 的。2、代表性可信。2001年海口日辐射平均值，略低于多年平均值，但高于最低值；三 亚与多年平均值持平，西沙无国家或省公布数据对比。从工程上作为设计参数是可行的，有 一定代表性，可以体现海南的气象特征。如表12所示表12不同部门所列海南太阳能气象参数比较表
29 当然，气象辐射资料提供的年份增多，则本方法的可信度会更高，但太阳辐射资源 尚处于气象部门控制中，虽然只有2001年辐射数据，但并不影响本方法的实用性和可信性。。二、可靠性1、已有工程验证。山东济南槐荫清华太阳能厂提出的10个工程质量决窍中，有6个与贮水箱有关， 在第二项中提出“要着意设计一个容积较大的水箱。如果你能让你的水箱大到不仅能容得 下该宾馆预计一天要消耗的热水量，还容得下正常晴好天气下一天由太阳能所产出的热水 量，那就永远不必担心会有中途断水的危机出现了。我们在做工程时，基本上是每平方米采 热面积配置200升的水箱容积，比一般公司每平方米60-70升的配比高出近两倍，虽然成本 提高，但供起热水总是游刃有余。舍不得代价做大水箱，无异于在把太多的不花钱的能源白 白地让他从手边溜走，吝啬的实在不是地方”。这一观点比较符合海南长夏太阳辐射量过多 的特点。这些企业只是从工程经验中定性提出，而我们则是根据聚类分析法经计算提出。2、本方法已在海口多个太阳能热水工程的方案设计中提出，如表13所示的配置表13海口地区几个太阳能热水工程方案设计中配置比例比较 推荐辅助设备选用热泵，主要是热泵的热效率高，是其他辅助设备的4倍以上，虽 然初期投资略大些，但运营费用低廉，最省能，与太阳能匹配，是最理想的绿色能源产品。三、操作性本方法是为太阳能设计部门和太阳能开发商提供的。为方便使用，我们将设计多 种类型的配置方案，做到只要有用户资料，就能提供出配置方案，实现操作简单易行。四、实施优势本方法实施的优势主要是辅助设备容量减少，输送与控制系统配置量也会减少， 工程成本下降。据估算，与现有开发商配置的方案比，海口可节约投资20%以上。三亚、西 沙可节约40%以上。辅助加热设备减少和超产水的存储利用，能耗也相应降下来。根据同 一工程能耗测算比较看，本方法测算的能耗只相当于开发商测算能耗的1/3(见表13)。
权利要求
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∑Qx＝∑Ac JTηcd(1 ηL)/(tend ti)Cp f＝Acηcd(1 ηL)/Cp f∑JT/(tend ti)设经验取值ηcd(1 ηL)/Cpf＝K，则∑Qx＝KAc∑JT/(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。
2.计算集热器面积、贮水箱与辅助加热设备容量的公式，表达式为 Qx = Σ Qx/365 ^ Qw该式表述为集热器累计产水量的平均值Qx调整近似或等于设计热水负荷Qw时的集热 器面积作为选配集热器的依据。它不仅能达到设计热水负荷要求的最小集热器面积，降低 工程成本，而且能够提高超产水的利用率。超产热水所需贮水箱日容量Qy。=Σ Qy/ Σ d。补加热水所需辅助加热设备日容量 Qxb = Σ Qs/ Σ db.上述两式为采用平均值法时，补加热水所需辅助加热设备日容量Qxb与超产热水所需 贮水箱日容量Qy。的计算式。实际超产热水所需贮水箱日容量Qzy =( Σ Qy- Σ Qs)/ Σ dcy = Σ Qz/ Σ dcy实际补加热水所需辅助加热设备日容量Qzs = _( Σ Qy- Σ Qs)/ Σ dbs = - Σ Qz/ Σ dbs 上述两式为采用理想值法时，系统利用超产后的实际补加热水所需辅助加热设备日容 量Qzs与实际超产热水所需贮水箱日容量Qzy的计算式。 全年超产水最多月份的日超产水量 Qy = Qy/d 全年补加热水最多月份的日补加水量 Qs = Qs/db上述两式为采用最大月值法时，全年补加热水最多月份的日补加水量Qs与全年超产水 最多月份的日超产水量Qy的计算式。
全文摘要
本发明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。
文档编号F24J2/40GK101915467SQ20101027207
公开日2010年12月15日 申请日期2010年9月6日 优先权日2010年9月6日
发明者汪国杰, 王长安 申请人:海南师范大学