分布式太阳能集中供暖多源多汇动态耦合分析及设计优化研究

As the key technology driving heating buildings toward zero energy consumption, solar heating inevitably develops from individual building system to large centralized one. However, the centralized large-scaled collector arrays are limited by the available area of collection filed in this system, and there is no essential difference from household system in design principle. Distributed solar heating system can collect solar energy through the roof of buildings in the city and incorporated into pipe network as one node which is both heat consumer and small heat source. The collection field can be reduced and the heating supply stability can be improved by the aggregate effect among nodes. As to this kind of system, heat profit and loss of each node stay in the fluctuation situation. After nodes are incorporated randomly, system optimization relies on modeling and solving of dynamic multiple input and output network. In this condition, original design calculation and operation regulation are not suitable any more. Basing on the dynamic analysis of heat collection of building, this project is designed to obtain the characteristics of heat profit and loss of each node; build the thermal-hydraulic coupling topological structure for the distributed district solar heating system; propose the related high-dimensional and non-linear optimization algorithm; reveal the relationship between random access to several nodes and heat operation situation; optimize the system and form the design key parameters determination method and operation control strategy.

作为迈向近零能耗建筑的关键技术之一，太阳能供暖从单体建筑向大型集中系统发展当属必然。但连片集中设置大规模光热阵列热站，不但受城镇用地限制，设计原理也与户用小系统无本质区别。利用散布于城镇的建筑屋面收集太阳能，再将这些既是热用户也是热源的建筑作为节点纳入到适当的管网中，即为分布式太阳能集中供暖系统，其既可降低集热用地需求，更能以集群效应协调各节点的集/取热差异，提高供暖稳定性。这种系统不但单个节点的热盈亏为波动状态；其多源多汇系统的热力过程也区别于热源集中持续产热的供暖系统，原有的设计计算和运行调控方法已不适用。项目拟基于建筑自身太阳能集热、取热动态分析，获得单个节点热盈亏特性；建立分布式太阳能集中供暖多源多汇拓扑结构的热力/水力耦合模型，提出相应的高维非线性优化解耦算法，揭示多节点随机接入与管网及其他节点工况之间的随动关系，进行管网系统形式寻优、形成关键设计参数确定方法和运行控制策略。

我国太阳能资源丰富且分布广泛，特别是太阳能资源最为丰富的青藏高原及西北大部分地区与采暖地区高度重合，具有发展太阳能供暖的有利资源条件。本项目针对太阳能集中供暖的场地限制问题，提出利用城镇区域内各建筑屋面分别收集太阳能，将这些单体建筑太阳能系统通过区域供热管网互联，进而形成分布式多源多汇太阳能节能供暖新系统。因此，本项目以分析分布式太阳能集中供暖系统多源多汇耦合特性、建立分布式太阳能集中供暖系统优化设计及运行方法为研究目标。. 通过四年期攻关研究：掌握了我国西北及青藏高原地区城镇规模、规划布局、建筑模式、空间布局、建筑热工参数，各类型建筑供暖时段、用能规律、采暖方式以及供热管网改造潜力等基本情况；提出了单体建筑热盈亏特性评价指标和建筑群集群效应评价指标，掌握了不同类型单体建筑热盈亏规律，获得了不同类型、不同数量的单体建筑聚合为建筑群的集群效应；掌握了不同用户热节点随机接入管网后系统的热力协调过程和响应特征，形成了分布式太阳能供暖系统用户热节点库；提出了分布式太阳能双管制供暖系统管网拓扑结构数学模型及管网布局及管径优化设计方法，并基于该方法开发出分布式太阳能双管制供暖系统管网优化设计软件；掌握了分布式太阳能母管制供暖系统中母管管径、母管流量、建筑群负荷变化以及不同建筑布局下的系统运行特性，提出了分布式太阳能母管制供暖系统优化方法及系统运行控制策略。. 研究成果发表科研论文38篇，其中SCI检索20余篇。授权发明专利13项，软件著作权4项。培养博士研究生2名、硕士研究生16名。成果获西藏自治区科学技术一等奖、华夏建设科学技术二等奖等奖励。成果举办或参加国内外学术会议并交流成果20余次。本研究将为太阳能富集区分布式太阳能集中供热系统设计与运行调控等提供重要依据，为太阳能供暖等相关标准规范修订与太阳能供暖规模化发展提供重要支撑。