一种光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法

【】本发明涉及一种光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法，具体涉及一种光伏阵列各种安装倾角和间距导致的建筑屋顶非连续遮挡下的全年传热和冷热负荷瞬态计算方法，属于建筑分布式光伏。

背景技术

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背景技术：

1、在当前能源转型和建筑领域节能减碳的背景下，分布式光伏与建筑的结合备受关注。现有建筑拥有大量可供安装分布式光伏阵列的屋顶面积，可为城市提供可再生能源发电，因此建筑屋顶光伏的应用前景广阔。

2、然而，安装于建筑屋顶的光伏阵列虽然可为建筑用能提供发电补偿，但会改变屋顶的冷热负荷。这种影响可能对降低建筑能耗产生积极或消极影响，其主要机制包括光伏阵列遮挡了部分日间入射太阳辐射或夜间长波辐射，同时带来了阵列背面与屋面之间的辐射换热。在有限的屋顶面积上，光伏阵列的布置方式既影响系统整体的发电量，也改变了屋顶的传热特性，而屋顶的温度和光伏发电性能之间存在相互影响。因此，综合考虑以上因素对屋顶光伏的优化设计和建筑能耗的准确评估具有重要意义。

3、因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法，其能准确的计算出安装光伏阵列的屋顶不同位置的温度分布及其随时间的变化情况。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法，其包括如下步骤：

3、步骤s1：设定计算时间序列，包括时期和时间间隔，输入光伏阵列和屋顶几何参数，生成三维几何模型，计算屋面不同位置的天空辐射角系数和光伏背板辐射角系数，并计算得到受光伏阵列遮挡的屋面上阴影区域的时间序列数据；

4、步骤s2：按照时间序列对屋面不同位置，使用动态阴影位置的数据进行太阳直射辐射遮挡判定，并以气象数据为基础，结合天空辐射角系数计算得到屋面各处太阳辐照度的时间序列数据；

5、步骤s3：综合考虑屋面的对流换热、屋面-光伏阵列背板辐射换热、天空长波辐射散热、太阳辐射得热，建立屋面不同位置的换热综合温度方程；

6、步骤s4：建立屋顶结构瞬态导热方程，并以综合温度作为屋面各处的边界条件，以对应时间序列的气象数据和屋面各处太阳辐照度数据为输入，求解各时刻屋顶结构温度分布；

7、步骤s5：以各时刻屋顶内表面温度分布结果，计算屋顶与室内的换热强度，输出计算的时间序列内屋顶冷热负荷的动态分布。

8、本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法进一步为：所述步骤s1具体包括以下步骤：

9、步骤s11：输入光伏阵列和屋顶的几何参数，包括组件长宽尺寸、安装倾斜角度、安装高度、前后排间距、连续安装数量、排数以及屋顶长宽尺寸，得到光伏阵列屋顶的三维几何模型；

10、步骤s12：使用三维几何模型，借助ladybug-tools分析软件，基于射线跟踪计算屋面某一位置可见的天空或光伏阵列背板在整个半球形穹顶中所占的立体角比例，得到受到光伏遮挡的屋面各点的天空辐射角系数xsky和光伏阵列背板辐射角系数xbr；

11、步骤s13：使用三维几何模型，结合太阳移动规律，按照设定时间序列计算屋面上的阴影区域，得到阴影区域的时间序列数据。

12、本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法进一步为：所述步骤s2具体包括以下步骤：

13、步骤s21：对屋面某处此时是否处于阴影区域进行判定，若处于阴影区，则该位置此时没有太阳直射辐射；

14、步骤s22：以屋面某处的天空辐射角系数xsky结合气象数据计算该处此时的散射辐射，结合直射辐射得到该处此时总辐射，计算式为：

15、ih,s＝xskyidh

16、ih,e＝ibh+xskyidh

17、其中，ih,s为屋面位置处于阴影区时的辐照度；ih,e为屋面位置暴露在太阳直射区时的辐照度；ibh为水平面直射辐射，idh为水平面散射辐射。

18、步骤s23：重复步骤s21、s22对屋面所有位置随时间序列变化的总辐射进行计算。

19、本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法进一步为：所述步骤s3中，屋面不同位置的换热综合温度tz的方程：

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22、式中：ta为环境空气温度，hc,r-a为屋顶外表面对流换热系数；αr为屋顶表面吸收率；

23、qbr为整个光伏阵列背板与屋面的辐射换热量：

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25、式中：系统发射率其中εr和εb分别为屋面和光伏背板的发射率，xbr为光伏背板对屋面计算位置的辐射角系数；tr为屋顶上表面温度；tb为光伏组件背板温度；

26、qlw为屋面与环境的长波辐射换热量，在平屋面主要是与天空的长波辐射换热，计算公式为：

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28、式中：σb为斯蒂芬-玻尔兹曼常量；天空温度tsky＝0.0552ta1.5；xsky为屋面计算位置的天空辐射角系数。

29、本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法进一步为：所述步骤s4具体为：建立屋顶结构瞬态导热方程，以综合温度作为屋面各处的边界条件，将屋面换热综合温度方程与导热方程联立进行迭代求解，具体为：

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31、式中：λ、ρ和c分别为传热介质的导热系数、密度和比热容；

32、模型建立的屋顶南北方向长度为l，厚度为d，则模型上下表面以及左右边界条件为：

33、

34、式中：为屋面点x处τ时刻的综合温度；ti为室内温度，hi为屋顶下表面和室内空气的换热系数。

35、本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法进一步为：所述步骤s4的计算结果包含屋顶不同位置的温度分布及其随时间的变化情况。

36、本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法还可为：所述步骤s5中，计算指定的时间序列内屋顶与室内的换热强度，屋顶下表面所有位置按照下式计算：

37、qin＝hi(tc-ti)

38、式中，qin为屋顶内表面换热热流强度；tc为屋顶下表面温度。

39、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

40、1.本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法可获得安装光伏阵列的屋顶的温度分布及其随时间的变化，从而获得屋顶吸热、放热的准确情况，为屋顶光伏建筑的室内空调负荷计算以及节能分析提供了科学依据。

41、2.本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法基于传热学原理和太阳移动规律构建光伏阵列屋顶传热方程，实现对光伏屋顶吸热、放热过程的数值仿真计算和动态变化分析，可通过调整各项参数分析其对建筑屋顶冷热负荷的影响规律，为光伏建筑节能设计提供有效方法。

42、3.本发明的光伏阵列非连续遮挡下屋顶传热瞬态计算方法可通过设定输入参数中的时间序列和地理位置，应用于不同地区的光伏屋顶全年的传热计算分析，并可将屋顶性能和采暖制冷时期的地域性差异考虑在计算内，分析方法可供我国不同地区的建筑光伏应用参考。