用于模拟太阳能热系统性能的高时间分辨率的代表性热水抽取剖面外文翻译资料

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用于模拟太阳能热系统性能的高时间分辨率的代表性热水抽取剖面

摘要

家庭热水(家用生活热水)的加热，以供应洗澡，清洁和电器的需求，对住房的能源需求作出了重大贡献。尽管家用生活热水绘制用水量随时间变化曲线对性能的重要性已被证明，但在分析太阳能家用生活热水和太阳能组合系统时，使用重复的每日用水量随时间变化曲线进行长期模拟(例如每年一次)是常见的做法。基于对Queacute;bec(加拿大)73栋房屋进行的测量，开发了新的家用生活热水曲线，可用于此类分析。以5分钟的时间分辨率绘制了4个消费水平和3个时间消费模式的年度家用生活热水图谱(早晨使用家用生活热水的节约消费者，晚上使用家用生活热水的平均消费者，等等)。利用这些新曲线对太阳家用生活热水系统进行的模拟显示，家用生活热水绘图的时间对时间和年度综合预测都有显著影响。

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关键词:生活热水;绘图曲线;太阳能热水

1、介绍

用于提供洗澡、清洁和器具需求的水的加热对住宅部门的能源需求作出了重大贡献。例如，在加拿大，从2000年到2008年，这些所谓的家庭热水(家用生活热水)需求占住房部门所有最终能源使用的18%，占全国总二次能源消费的3% (NRCan, 2011)。

通过进一步采用太阳能家用生活热水系统，可以实现在满足家用生活热水需求方面的能源节约，太阳能混合系统和其他技术，如微热电联产(beausolil - morrison, 2008年)。当通过模拟来预测这些技术的性能时，已经证明施加精确的家用生活热水拉伸用水量随时间变化曲线是很重要的(例如Jordan和Vajen, 2001a;Spur等人，2006)。这是因为家用生活热水的大小和时间都是决定系统是否能够满足需求的关键因素。例如，发生在晚上的家用生活热水牵引力比早晨牵引力更容易被太阳能热系统满足(由于白天由太阳能收集器充电)。

尽管家用生活热水绘制曲线具有重要意义，但在分析太阳能家用生活热水和太阳能组合系统进行长期模拟时，这是常见的做法(大多数通常每年一次)使用重复的每日资料(如Lima等人，2006;Hobbi和Siddiqui, 2009;Enteria et al.， 2014)。从本质上说，这假定系统将每天响应相同的家用生活热水负载。

由于与仪器和安装相关的成本，近年来很少有测量家用生活热水绘制用水量随时间变化曲线的大规模研究完成。研究人员转而依靠基于概率的方法。这些分配特定的家用生活热水事件的概率(例如淋浴)，并估计每个时间间隔的使用情况。Jordan和Vajen (2001b)根据这一原则开发了一系列的家用生活热水图纸，作为国际能源机构(IEA)太阳能加热和冷却SHC项目关于太阳能复合系统的任务26的一部分。研究人员开发了一个函数，该函数指定了全年某一特定绘图类型的概率，并与平均日绘图配对，以提供每年的家用生活热水绘制曲线(间隔1,6,60分钟)，用于模拟。Hendron和Burch(2007)基于类似的原理，开发了另一系列以6分钟为间隔的家用生活热水绘制曲线。

阻碍研究人员准确开发此类合成曲线的一个关键因素是家用生活热水图的大变异性。户与户之间的家用生活热水的规模和时间分布都可能存在显著差异。如住户的数量和人口的器具所有权。而居住者的态度也被发现是重要的因素(Perlman和Mills, 1985)。

为了更好地反映家用生活热水使用的这种变化性，一些研究人员试图从实地收集的数据中绘制用水量随时间变化曲线图(Perlman和Mills, 1985年;伯奇和萨拉索维奇，2002年)。Becker和Stogsdill(1990)对以往关于家用生活热水消费的实地研究进行了回顾，并建立了20世纪70年代末至80年代中期在加拿大和美国进行的五项研究的测量数据数据库，其中包括Perlman和Mills(1985)的测量数据。虽然本研究为研究者提供了丰富的实验数据，但其中许多数据都是三四十年前收集的，因此，可能不再反映当前的使用模式。例如，近几十年来引进的节能洗碗机和洗衣机消耗的家用生活热水显著减少(Bansal等，2011)。此外，市场力量和能源效率标准和法规自贝克尔和斯托格斯迪尔(1990)研究以来，(如kooomey等人，1999年)一直鼓励这些设备的更新。

Becker和Stogsdill(1990)发现，他们数据库中包含的几百套房屋和公寓的平均日家用生活热水消费量为238升/天。Thomas et al.(2011)最近的实地研究收集了加拿大安大略省74所房屋的数据。发现家用生活热水摄入明显减少。这74所房子的平均日平均家用生活热水消耗量为186 L/天。这一发现表明，Becker和Stogsdill(1990)提供的数据对于当前的使用模式不再具有代表性，从而证明了开发新的家用生活热水绘图配置文件的合理性。

尽管Thomas等人(2011)提供了最近的家用生活热水测量数据，对大量的房屋样本进行了测量。数据在每家只收集了很短的一段时间（最多几周）。因此，仍然需要开发基于测量数据的家用生活热水配置文件，以代表当前的使用模式。

1.1目标和大纲

本研究的目的是开发一系列具有代表性的高时间分辨率的家用生活热水图，用于基于模拟的太阳能家用生活热水、太阳能复合系统和微热电联产系统的研究。考虑到这种预期用途，对家用生活热水曲线来说，跨越一个完整的年度周期是很重要的。

为了实现这些目标，在Queacute;bec(加拿大)(Laperriegrave;re和Brassard, 2008)的73所房子中测量了家用生活热水绘制模式。在进行统计分析后，从其中12家公司中挑选数据，用于编制具有代表性的年度概况。下一节将描述用于收集和分析数据的方法。本节还讨论了在抽样期间收集的数据基础上建立年画曲线的方法。在此之后，对结果的12个代表性的绘制用水量随时间变化曲线图的特征进行了检查，并与以前的工作进行了对比。然后利用新数据进行模拟，以演示它们的用途以及家用生活热水绘制模式对太阳能热系统模拟的影响。

2、测量家用生活热水吸引

本节介绍了本研究采用的测量方法。它提供了使用的仪器的详细信息，仪器的物理位置，以及测量中不确定度的来源。然后显示测量数据，并将它们与以前的家用生活热水消费数据进行对比。

2.1测量方法

本研究将仪器安装在Queacute;bec(加拿大)73“家庭的热水箱上。除五名业主外，所有业主均提供有关居住水平的资料;表1总结了这些信息。

表1

研究中测量的房屋占用水平

在2006年11月初至2007年4月中旬的深秋、冬季和早春季节，研究人员在每户人家连续测量了60-165天的家用生活热水消费模式。

所有73栋房屋都配备了从浸入式电阻加热器水箱中获得的家用生活热水。这些加热器控制箱的温度维持在一个名义值60℃。由于这类容器中使用的控制器通常采用较宽的温度差异，以及精度较低的恒温器,因此实际从容器中抽取的水的温度可能相差几度。不幸的是，在本研究中并没有测量从水箱中抽取的水的温度。因此,对于这个分析，假设家用生活热水吸引发生在55℃和60 ℃区间。该范围的下限是基于Evarts和Swan(2013)所提供的指导研究中收集的数据,而上限对应于名义设定值。

振动活塞式容积流量计安装在每个热水器上游的冷水补给管线上。由于由水箱供应的热水的体积被冷补充水取代，这些仪表通过这种方式测量家用生活热水的体积。

每消耗1升水，流量计就产生一个脉冲信号。每隔5分钟，由数据采集系统(DAO)对仪表产生的脉冲信号进行计数和记录。流量计每5分钟可以测量375 L的流量，这远远高于研究中观察到的最大流量(5分钟125 L)。

流量计和DAQ都有测量不确定度。在前者的情况下，在测量范围的低端分辨流动的偏差是最大的(相对而言)。DAQ的偏置误差为plusmn;1脉冲每5分钟的测井间隔。当使用Moffat(1988)建议的方法传播这些个体偏差时,发现家用生活热水消费可以解决plusmn;1 L / 5分钟记录间隔以最低的消费水平(零消费,这是记录测量超过300万分)的90%。研究中观察到的最高消费水平(5分钟测井间隔125升)的综合不确定性在5分钟测井间隔内为plusmn;2升。

2.2实测数据分析

首先计算了73套房屋中每一套的日平均家用生活热水消费量。这显示了广泛的消费水平:从70升到438升/天。消费水平的分布如图1所示，而平均值，中位数，标准差以及第20和第80个百分位汇总在表2中。

房屋数量

日均消费量（L/天）

图1所示 73栋房屋的日平均家用生活热水消费量分布

表2

73所房屋测量数据的统计摘要

将这些数据集与一些较早和最近发表的数据进行比较是很有趣的。如前所述，Becker和Stogsdill(1990)对家用生活热水消费量的实地研究进行了回顾，并建立了20世纪70年代末至80年代中期在加拿大和美国进行的五项研究的测量数据数据库。他们发现，在他们的数据库中包括的几百所房子和公寓的平均每天的家用生活热水消费量为238升/天，比当前研究发现的数值高出26%。考虑到第1节中概述的家用生活热水摄入减少的趋势，这一发现并不令人惊讶。

在最近的一项研究中，Evarts和Swan(2013)估计了新斯科舍省(加拿大)大量住宅的家用生活热水使用情况。他们对比了两组房屋的水电费信息:一组使用燃油进行空间供暖和家用生活热水供暖，另一组只使用燃油进行空间供暖。通过减去两组的年平均燃料油消耗量。他们能够估计在房屋样本中加热家用生活热水所需的燃料油数量(假设两组之间的唯一差异是由于家用生活热水加热)。然后，通过为家用生活热水加热器选择一个固定的能量转换效率，他们能够估计出绘制的平均日平均家用生活热水量。该平均值为209升/天，比本研究测量的平均值高出约10%。考虑到Evarts和Swan(2013)采用的方法所基于的假设数量，这一水平的一致性相当接近。

Thomas et al.(2011)最近的实地研究测量了加拿大安大略省74所住宅的数据，为当前的研究提供了另一个同时代的参考点。他们发现，他们样本房屋的平均日平均家用生活热水消耗量为186升/天，中位数为174升/天，数值在当前研究结果的2%以内(见表2)。

图1显示，在73个房子的样本中，每天的平均家用生活热水消耗量有显著的变化。住房之间消费模式的时间分布也有差异。这在图2中得到了说明，图2对比了四所测量房屋的消费模式。这个数字的每个象限都是通过对给定房屋在一天中每小时的家用生活热水消耗量进行积分得到的，然后将这些每小时的积分量在监测期间的每一天中求平均值。这表明，如图2a所示的房屋在监测期间，从7h00到8h00的家用生活热水值明显高于一天中的任何其他时间。同样，图2b所示的房子在19h00到20h00之间经历了最大的家用生活热水 吸引。

在他们的研究中，Perlman和Mills(1985)观察到，大多数

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