本發(fā)明涉及供暖
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種北方民居風(fēng)光互補(bǔ)供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有的供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)國(guó)家規(guī)范規(guī)定按照單位面積功率法來(lái)設(shè)計(jì)供暖系統(tǒng)的規(guī)格，而供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與采暖地區(qū)的氣候條件息息相關(guān)，國(guó)家規(guī)范只給定了各個(gè)地區(qū)的氣候分區(qū)，規(guī)定了各個(gè)地區(qū)的單位面積采暖功率，并未細(xì)致地考慮到某一地區(qū)的具體氣候參數(shù)和供暖系統(tǒng)的造價(jià)成本及后期運(yùn)維費(fèi)用。如此一來(lái)，這樣的設(shè)計(jì)方法就顯得比較粗糙，而且對(duì)于采暖用戶來(lái)講，也不可能達(dá)到節(jié)約投資的目的。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種北方民居風(fēng)光互補(bǔ)供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種北方民居風(fēng)光互補(bǔ)供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：1)建立風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)模型；2)采集民居的參數(shù)，建立風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的需熱量模型；3)建立風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的供熱量模型；4)建立風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型；5)風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)一步的，步驟1)中風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)模型包括初始投資模型E1和后期運(yùn)維費(fèi)用模型E2；E1＝Ec+Ew+Etank+Ecoil+Epump+Epipe+Em式中，Ec為太陽(yáng)能集熱器的初投資；Ew為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的初投資；Etank為蓄熱水箱的初投資；Ecoil為風(fēng)機(jī)盤管的初投資；Epump為循環(huán)水泵的初投資；Epipe為供暖管道的初投資；Em為其他材料的初投資；E2＝Ec'+Ew'+Etank'+Ecoil'+Epump'+Epipe'+Em'+Eheat式中，Ec'為太陽(yáng)集熱器的運(yùn)維費(fèi)用；Ew'為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)維費(fèi)用；Etank'為蓄熱水箱的運(yùn)維費(fèi)用；Ecoil'為風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)維費(fèi)用；Epump'為循環(huán)水泵的運(yùn)維費(fèi)用；Epipe'為供暖管道的運(yùn)維費(fèi)用；Em'為其他材料的運(yùn)維費(fèi)用。進(jìn)一步的，步驟2)中所建立的風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的需熱量模型為：Qneed＝Qload+Qloss+Qpipe+Qtank+Q'C式中，Qload為采集的建筑負(fù)荷；Qloss為采集的建筑失熱；Qpipe為采集的管道失熱；Qtank為采集的蓄熱水箱失熱量；Q'C為采集的太陽(yáng)能集熱器的失熱量。進(jìn)一步的，步驟3)中所建立風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的供熱量模型為：Qsupply＝QC+QW+QAU+QIN式中，QC為集熱器集熱量；QW為風(fēng)力發(fā)電機(jī)供熱量；QAU為輔助熱源制熱量；QIN為建筑物內(nèi)部得熱。進(jìn)一步的，步驟4)中風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型是基于該風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)在每個(gè)供暖季內(nèi)的投資最少且使得供熱端提供的熱量滿足需熱端所需求的熱量，即Qsupply＝Qneed；目標(biāo)函數(shù)以及約束條件均為太陽(yáng)能集熱器面積A，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw以及市電輔助熱源提供的熱量QAux的函數(shù)；風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型如下式所示：使得Qneed＝Qsupply；其中為系統(tǒng)初投資平均分?jǐn)偟矫恳荒甑哪昃跬顿Y。進(jìn)一步的，步驟5)中具體通過(guò)遺傳算法對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型進(jìn)行全局優(yōu)化；遺傳算法的設(shè)置如下所示：目標(biāo)函數(shù)：定義適應(yīng)度函數(shù)E＝Cmax-minf(A,Pw,QAux)說(shuō)明：Cmax為一個(gè)適當(dāng)?shù)南鄬?duì)比較大的數(shù)，是f(A,Pw,Aus)的最大估計(jì)值；這個(gè)值是利用遺傳算法優(yōu)化的時(shí)候，隨機(jī)確定的，是一個(gè)主觀性的估計(jì)值。通過(guò)遺傳算法得到：最優(yōu)的太陽(yáng)能集熱器面積A、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw、市電輔助熱源提供的熱量QAux以及每年的年均初投資和運(yùn)維費(fèi)用。進(jìn)一步的，根據(jù)步驟5)獲得的最優(yōu)的太陽(yáng)能集熱器面積A、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw、市電輔助熱源提供的熱量QAux以及每年的年均初投資和運(yùn)維費(fèi)用在對(duì)應(yīng)民居中搭建風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)。本發(fā)明為推動(dòng)北方農(nóng)村地區(qū)的新能源的發(fā)展，同時(shí)解決部分農(nóng)村地區(qū)冬季供暖需求，所以提出一個(gè)適合用于西部農(nóng)村的一種太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，主要目的是通過(guò)該設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，利用算法計(jì)算出特定建筑物利用風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)需要安裝太陽(yáng)能集熱器面積A，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw以及市電輔助熱源提供的熱量QAux，該發(fā)明的技術(shù)路線圖如圖1所示。如圖1所示，本發(fā)明首先要根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)各個(gè)部件的成本建立初投資模型E1；然后建立該系統(tǒng)的后期運(yùn)維費(fèi)用模型E2；通過(guò)獲取該地區(qū)的典型氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算建筑負(fù)荷、太陽(yáng)能集熱器的熱量損失、蓄熱水箱的熱量損失、供暖管路的熱量損失并建立系統(tǒng)的需熱量模型Qneed；根據(jù)該地區(qū)的典型氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算集熱器的集熱量模型和風(fēng)機(jī)的發(fā)電量模型構(gòu)建系統(tǒng)的制熱量模型Qsupply。令Qsupply＝Qneed為約束條件，為目標(biāo)函數(shù)。其中為系統(tǒng)初投資平均分?jǐn)偟矫恳荒甑哪昃跬顿Y。通過(guò)遺傳算法計(jì)算出最優(yōu)的太陽(yáng)能集熱器面積A，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率PW、市電輔助熱源提供的熱量QAux以及每年的年均初投資和運(yùn)維費(fèi)用。本發(fā)明從風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的熱量平衡模型和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型兩方面著手，力求使供暖系統(tǒng)提供的熱量滿足建筑物的熱量需求，同時(shí)能達(dá)到節(jié)約投資，保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)。本發(fā)明方法利用系統(tǒng)熱量平衡模型、年均初投資、年運(yùn)維費(fèi)用以及優(yōu)化算法，優(yōu)化算法采用遺傳算法。本發(fā)明中，系統(tǒng)熱量平衡模型考慮了制熱端模型和需熱端模型，制熱端模型包括風(fēng)電有效產(chǎn)熱量、集熱器有效產(chǎn)熱量以及市電輔助熱源提供的有效產(chǎn)熱量，需熱端包括建筑物熱負(fù)荷、集熱器熱量損失、蓄熱水箱熱量損失以及供暖管路的熱量損失。本發(fā)明中，系統(tǒng)的熱量模型是太陽(yáng)能集熱器面積A，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw以及市電輔助熱源提供的熱量QAux的函數(shù)。本發(fā)明中，系統(tǒng)的年均初投資模型考慮了陽(yáng)能集熱器投資、風(fēng)力發(fā)電機(jī)初投資、蓄熱水箱初投資、風(fēng)機(jī)盤管初投資、循環(huán)泵初投資、供暖管道初投資、保溫材料初投資、安裝費(fèi)用。本發(fā)明中，系統(tǒng)的年運(yùn)維費(fèi)用考慮了循環(huán)水泵的電費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用、太陽(yáng)能集熱器的維護(hù)費(fèi)用、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)費(fèi)用、蓄熱水箱的維護(hù)費(fèi)用，輔助熱源的電費(fèi)。本發(fā)明中，系統(tǒng)的初投資模型也是太陽(yáng)能集熱器面積A，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw以及市電輔助熱源提供的熱量QAux的函數(shù)，即E1＝f(A,Pw,QAux)。本發(fā)明中，系統(tǒng)的年運(yùn)維費(fèi)用模型也是太陽(yáng)能集熱器面積A，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率Pw以及市電輔助熱源提供的熱量QAux的函數(shù)，即E2＝f(A,Pw,QAux)。本發(fā)明中，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為使E1+E2最小，約束函數(shù)為系統(tǒng)需熱量＝系統(tǒng)制熱量。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明建立北方民居風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的熱量平衡模型和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，通過(guò)利用遺傳算法來(lái)確定系統(tǒng)最佳的太陽(yáng)能集熱器面積、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率以及市電輔助熱源的功耗，以達(dá)到既滿足建筑物的熱量需求又滿足系統(tǒng)投資金額最低的目的。本發(fā)明細(xì)致地考慮到某一地區(qū)的具體氣候參數(shù)和供暖系統(tǒng)的造價(jià)成本及后期運(yùn)維費(fèi)用，使得北方民居風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加精細(xì)化，對(duì)于采暖用戶來(lái)講，在達(dá)到供暖需求的同時(shí)將費(fèi)用降到最低。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明方法的技術(shù)路線圖；圖2為風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)原理圖；圖3為N＝15時(shí)最優(yōu)個(gè)體和個(gè)體平均值的變化趨勢(shì)圖。具體實(shí)施方式風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)：風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)是一種小型的家用的新能源采暖系統(tǒng)，一方面可以減輕農(nóng)戶的采暖費(fèi)用負(fù)擔(dān)，另一方面可以充分的利用新能源，保護(hù)環(huán)境。風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)的技術(shù)原理如下圖2所示：如圖2所示，風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、市電輔助熱源、蓄熱水箱以及風(fēng)機(jī)盤管組成，其中控制器1主要控制1號(hào)泵的啟停，2號(hào)控制器控制2～4號(hào)泵的轉(zhuǎn)速。白天1號(hào)泵開(kāi)啟，供熱回水經(jīng)過(guò)電磁三通閥-1號(hào)泵-太陽(yáng)能集熱器流入蓄熱水箱，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能集熱器和市電輔助加熱循環(huán)水；夜間1號(hào)泵關(guān)閉，供暖回水經(jīng)三通閥直接進(jìn)入蓄熱水箱，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和市電輔助加熱為循環(huán)水加熱。在整個(gè)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器收集的熱量和風(fēng)機(jī)的發(fā)電量全部投入制熱，若不滿足住宅的需熱量的那部分，由市電輔助熱源提供。請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種北方民居風(fēng)光互補(bǔ)供暖優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：1)建立風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型風(fēng)機(jī)價(jià)格和系統(tǒng)其它部件的初投資如表1，表2所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)費(fèi)用占其成本的3％，太陽(yáng)能集熱器的維護(hù)費(fèi)用占其成本的3.5％，其它材料的維護(hù)費(fèi)用占其成本的3％。表1某品牌風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率以及價(jià)格表1為某品牌風(fēng)機(jī)的功率和價(jià)格的關(guān)系表，可設(shè)風(fēng)機(jī)額定功率為Pw(kW)，風(fēng)機(jī)價(jià)格為Ew(元)，根據(jù)數(shù)據(jù)辨識(shí)可知風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率和價(jià)格的關(guān)系如下式所示：Ew=4.2×Pw3-119.3×Pw2+3524.1×Pw]]>表2風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)其它部件的初投資因此，根據(jù)附圖2原理圖可知該系統(tǒng)的各個(gè)部件的個(gè)數(shù)，通過(guò)表2中各個(gè)部件的初投資可以建立如下的初投資模型E1為：E1=4.2×Pw3-119.3×Pw2+3524.1×Pw+365×A+6750]]>說(shuō)明：6750為輔助熱源電加熱器、蓄熱水箱、循環(huán)泵(4臺(tái))、保溫材料、風(fēng)機(jī)盤管(3臺(tái)、循環(huán)管道的初投資費(fèi)用。后期運(yùn)維費(fèi)用模型E2為：E2=0.03×(4.2×Pw3-119.3×Pw2+3524.1×Pw)+365×0.035×A+0.5×QAux+0.03×6750]]>其中，QAux為市電輔助熱源提供的熱量；2)風(fēng)光互補(bǔ)供暖熱量平衡模型所采集的建筑物參數(shù)如表3所示。表3建筑物主要參數(shù)根據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)，計(jì)算一個(gè)供暖季(共2880h)系統(tǒng)的供熱量和系統(tǒng)需熱量?！す岫藷崃磕Ｐ停涸O(shè)t時(shí)刻風(fēng)速為v(t)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速為vc，額定風(fēng)速為vR，風(fēng)機(jī)的停機(jī)風(fēng)速為vF，風(fēng)機(jī)額定功率為Pw。則風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率為：Pwind=Pwv(t)-vcvR-vc,(vc≤v(t)≤vF)]]>設(shè)太陽(yáng)能集熱器的面積為A，t時(shí)刻太陽(yáng)能輻射量為J(t)，集熱效率為ηc，則太陽(yáng)能集熱器在t時(shí)刻的功率為：Pc＝J(t)Aηc設(shè)系統(tǒng)輔助熱源在一個(gè)供暖季提供的熱量為QAux，則系統(tǒng)供熱端模型為：Qsupply=Pw×Σt=12880vt-vcvR-vc+A×Σt=12880ηcJt+QAux-A×Σt=12880UL(Tai-Tet)=296.527×Pw+169.867×A+QAux]]>·需熱端熱量模型：本發(fā)明中不考慮供暖管路和蓄熱水箱的熱損。設(shè)t時(shí)刻太陽(yáng)能集熱器內(nèi)部的溫度為Tai(t)，集熱器熱損失系數(shù)為UL(W/(m2·℃))，外部溫度為環(huán)境溫度Te(t)，則太陽(yáng)能集熱器的熱損失量Q'C為[3]：Q'C＝ULA(Tai(t)-Te(t))建筑物熱負(fù)荷Qload只考慮冷風(fēng)滲透耗熱量Qleak和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量Qwall，通過(guò)以下的公式計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，通過(guò)換氣次數(shù)法來(lái)計(jì)算建筑物的冷風(fēng)滲透的熱量損失[4]。Qwall＝KF(Tn-Te(t))αWQleak＝0.278nkVncpρw(Tn-Te(t))WQload＝Qwall+Qleak式中，K為維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積；α為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)，(Th為不供暖房間的空氣溫度)；nk為房間的換氣次數(shù)，次/h；Vn為房間的內(nèi)部體積，m3；cp為冷空氣的定壓比熱，cp＝1kJ/(kg·℃)；ρw為供暖室外計(jì)算溫度下的空氣密度，kg/m3；Tn為冬季室內(nèi)溫度；Te(t)為室外環(huán)境溫度。Qneed=Σi-=2880Qload+Σi-=2880Q′C=5655.78]]>3)風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型如下式所示：使得Qneed＝Qsupply。s.t.g(A,Pw,QAux)=Pw×Σt=12880vt-vcvR-vc+A×Σt=12880ηcJt+QAux-A×Σt=12880UL(Tai-Tet)-Qload=0,]]>5)優(yōu)化結(jié)果通過(guò)遺傳算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行全局優(yōu)化，該處N＝15，種群規(guī)模Popsize設(shè)置為100，最大代數(shù)MAXGEN設(shè)置為100代，交叉概率設(shè)置pc為0.6，變異概率pm設(shè)置為0.002，vc＝2m/s，vR＝11m/s，vF＝20m/s，ηc＝0.7，UL＝0.5W·m-2·℃，nk＝0.6，循環(huán)管道長(zhǎng)度為50m，輔助熱源的加熱效率為0.9，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)熱效率為0.9。優(yōu)化后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率Pw＝0.3kW，太陽(yáng)能集熱器的面積A＝33.18m2，市電輔助熱源的耗能QAux＝0.184kW。優(yōu)化之后的年均投資費(fèi)用變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)在遺傳算法進(jìn)化到12代時(shí)，得到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，即最優(yōu)的年均投資金額，為1929元人民幣。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3