欢迎来到太阳能行业国际交流平台!

您现在所在的位置:首页 > 教育培训 > 算法公开 >

软件算法公开

     为全面提高我国太阳能热水系统的设计水平,国际金属太阳能产业联盟(IMSIA)在众多业内专家的支持下开发了“太阳能热水系统与建筑一体化设计软件”(Solar Design Tool,简称SDT)。本文公布了该软件的的一些算法。



    1 系统参数设计方法

    1.1 用水需求

    ◆依据

    《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page29表1-8-3-1“热水用水定额”

    ◆方法

    根据建筑用途从表中查出用水定额说明(用水温度、用水体积),让用户输入数量(如户数、人数)和用水时间,即得用水需求。
    典型情况:日用水量 = ∑(用水定额 * 户数 * 户均人数)
    注意:一个建筑用途可对应多个用水定额说明

    1.2 集热器面积

    ◆依据

    《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page93公式4.4-4
 

    ◆方法

    此公式采取的是全年一次计算的方法,软件采取12个月分别计算,根据考虑哪些月份采取最大的面积。

    软件在每个月计算时采用的参数含义如下:

    Qw —日用水量 kg(每个月计算时均一样)
    Cw —水的比热容 kJ/(kg.℃)
    ρ —水的密度kg/L
    tend —储水箱内的终止温度℃(每个月计算时均一样,采用的是用水温度)
    ti —水的初始温度℃(每个月不一样,采用的是每个月的自来水温度)
    f —期望太阳能保证率(这个是用户输入的,由于此公式是根据保证率逆推面积,所以得先有一个期望值) ,期望值,公式计算采用,和实际计算的太阳能保证率不一样
    jT —日均太阳辐射量kJ/㎡(每个月不一样,通过逐时计算每个月后平均到日)
    ηcd —集热器全日集热效率(每个月不一样,根据每个月的自来水温度、环境温度、用水温度、集热器的参数计算出来的)
    ηL —管路及储水箱热损失率,(这个是用户输入的,也是预估值),期望值,公式计算采用,和实际计算的热损效率不一样

    最后的设计面积 = max┬(1≤i≤12)〖〖(bConsideri  ? A〗_ci:0)〗


    1.3 水箱容积

    ◆方法1

    根据日用水需求量计算

    ◆方法2

    根据每平米集热器面积的配比值(考虑40-100L/㎡)计算

    1.4 管路管径

    ◆依据

   (1)《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page31表1-8-4“卫生器具的一次和小时热水用水定额及水温”
 

                      
    (2)《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page33表1-8-8“卫生器具的给水额定流量、当量、支管管径和流出水头”

 


 


    (3)《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page104 节4.6.1.1“住宅建筑热水供应系统的设计秒流量计算”

     (4)U o - α c对应表(摘至建筑给水排水设计规范(GB50015-2003) 附录C)

 

 
    (5)公称直径与计算内经对照表。(摘至“水管、风管沿程阻力计算程序 v5.0”)

 

         
    ◆方法

    首先要选择卫生器具(根据建筑用途会有默认值),有了卫生器具,根据表1-8-4、1-8-8便获得了参数,然后根据4.6.1.1的方法计算出流量,最后根据不同管径最佳流量算出合理的管径。具体方法如下:
    计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率Uo
    每户的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率Uoi

   
 

    q o — 用水定额(L/(人.天))
    m — 户均用水人数
    K h — 小时变化系数(根据居住人数获得小时变化系数,居住人数是这种户型总计的人数)
    N g — 每户的卫生器具给水当量数
    T — 一天的用水小时数(如24小时)

    根据给水当量总数进行加权

  
 

    N gi — 每户的卫生器具给水当量数 * 户数

    计算的卫生器具给水当量的同时出流概率

   
 

    N g  — ∑(每户的卫生器具给水当量数 * 户数)
    α c —  对应U o的系数

    计算得计算管段的设计秒流量

   

    计算管径

    根据流量和不同管径最小最大流量的范围,选择适当的管径

    1.5 水泵扬程

    2 模拟计算

    2.1 概述

    依据《太阳能热利用原理与计算机模拟》(张鹤飞主编)的第5章、第11章。

    将太阳能热水系统看成一个相互关联的热循环系统,各个构件根据其特点及传热学相关知识列出瞬时热平衡微分方程,将所有微分方程联立组成微分方程组,解微分方程组,求得各构件的温度,以此再计算对应的能量。

   

    2.2 各组件方程

    2.2.1 集热器微分方程

    ◆说明

    温度变化 = 太阳能集热 + 前管路流入换热 + 集热器热损

    ◆微分方程

   

    ◆参数说明

    T fo —  集热器温度 ℃
    M fo —  集热器水容量 kg
    C p —  水的比热容 J/(kg.℃)
    A c —  集热面积 m2
    G —  太阳辐照度 J/(㎡.s)
    μ —  集热器吸收效率 (无量纲)
    m c  —  集热器内水流量 kg/s
    T pre —  连接到集热器的管路的温度 ℃
    (UA) fo —  集热器热损系数 J/(℃.s)
    T o —  环境温度 ℃

    ◆集热器吸收率计算方法 (《太阳能供热采暖应用技术手册》page180)

   
 

    T i=  ((t i-t a ))⁄G
    μ 0  —  二次方程参数
    a 1 —  二次方程参数 W/(㎡.℃)
    a 2 —  二次方程参数 W/(㎡.℃)
    G —  太阳辐照度 J/(㎡.s)
    T i —  归一化温差
    t i —  集热器入口温度
    t a —  环境温度

    2.2.2 管路微分方程

    ◆说明

    温度变化 = 前构件流入换热 + 管路热损

    ◆微分方程

  

    ◆参数说明

    T p —  管路温度
    M p —  管路水容量 kg
    C p —  水的比热容 J/(kg.℃)
    m p —  管路内的水流量 kg/s
    T pre —  连接到管路的前构件的温度 ℃
    (UA) p —  管路热损系数 J/(℃.s)
    T o —  环境温度 ℃

    其中

   

    《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page97 式(4.4-7)

    D 0 —  管路保温层内径
    D i —  管路保温层外径
    λ —  管路表面换热系数 W/(㎡.℃)
    a 0 —  管路保温材料的导热系数 W/(m.℃)
    A p —  管路表面积 ㎡

    2.2.3 水箱微分方程

    ◆说明

    温度变化 = 外来流量换热 + 各层间换热 + 辅助加热 + 对外损热
    水箱采用分层模型进行计算。各水层分别建立微分方程。注入水箱的流量根据温度直接流入温度最接近的那一水层,由此往下的水层则对应产生水层之间的流量。

    ◆微分方程

   

    ◆参数说明
   
    T s,i  —  水层温度
    M s,i  —  水层水容量 kg
    C p —  水的比热容 J/(kg.℃)
    m c —  外来流量 kg/s
    T c  —  外来流量温度 ℃
    m i-1 —  水层间流量 kg/s
    T s,i-1 — 水层间流量的温度 ℃
    P   — 辅助加热的功率 J/s
    (UA) s,i     —  水层热损系数 J/(℃.s)
    T o     —  环境温度 ℃

    其中

   

    《民用建筑太阳能热水系统技术手册草案》page97 式(4.4-9)

    δ —  水层的保温层厚度
    λ —  水层保温材料的导热系数 W/(m.℃)
    a —  水层表面换热系数 W/(㎡.℃)
    A  s,i —  水层表面积 ㎡

    2.2.4 微分方程控制

    在逐时计算过程中,各微分方程的系数是不断变化,如环境温度、自来水温度、太阳辐照度等。同时根据不同系统的水循环的控制方式,各构件之间的流量、辅助加热的开启也是不断的变化。
    具体控制方法根据不同系统而略不一样。

    2.3 微分方程组解法

    欧拉法,步长为5秒

    3 太阳辐照度计算方法

    3.1 天文参数计算

    ◆日角

   
 

    θ  — 日角
    N  — 积日,即某日在年内的顺序号,如1月1日则N=1,1月3日N=3

 

   

    Y — 年份
    INT — 取整

    ◆赤纬角

   

    δ  — 赤纬角
    θ  — 日角

    ◆时差
 

   

    Et  — 时差
    θ  — 日角

    ◆真太阳时

   
 

    S  — 真太阳时
    H  —  积时,即该时刻在当天的小时数,如0点30分则H=0.5
    φ  —  纬度

    ◆太阳时角

  
 

    τ    — 太阳时角,即真太阳时距正午的角距离
    S 
 — 真太阳时

    ◆太阳高度角

   
 

    α   — 太阳高度角
    φ  — 纬度
    δ  — 赤纬角
    τ  — 太阳时角

    ◆太阳方位角


 

    A — 太阳方位角
    α — 太阳高度角
    φ — 纬度
    δ — 赤纬角

    3.2 水平面太阳辐照度计算

    采用的是美国ASHRAE的方法,计算出水平面的太阳辐照强度。(摘至《空气调节负荷计算理论与方法》 — 第4章 扰量分析 — 4.2太阳辐射)

    ◆太阳辐射到达地面的强度

   
 

    Α — 太阳高度角
    CN — 大气透明系数

    B值见附表1

    ◆直射强度

   
 

    i — 光线与表面法线之间的夹角
    CN  — 大气透明系数
    B值见附表1
    水平面时

 

   

    ◆天空辐射散射强度

  

    σ — 该受辐射垂直面或倾斜面与水平面间的夹角
    C — 天空散射辐射强度与到地面的直射辐射强度之比,它是一个无量纲数,具体值见附表1

    水平面时

    ◆地面反射强度

   
 

    ρ  — 地面反射率
    α  — 该受辐射垂直面或倾斜面与水平面间的夹角
    I dn  — 太阳辐射直射强度
    α  — 太阳高度角
    C  — 无量纲数,见附表1
    水平面时

 

   

    ◆附表

    A的单位是[w/㎡],B和C是无量纲数,随月份而异

    ◆大气透明度

    来源百度搜索《我国各地大气透明系数资料》


| 关于我们 | 联系我们 | 广告服务 | 法律声明 |

地址:北京市海淀区中南村南大街12号天作国际大厦A座2605-2608室 邮编:100081 服务热线:010-68042450 传真:01068020990

特此申明:Solarwiki不对任何外部链接的内容承担责任。solarwiki is not responsible for the content of linked external sites solarwiki.org 2013