CN115242188A - 耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法 - Google Patents

耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法 Download PDF

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CN115242188A CN202210962132.7A CN202210962132A CN115242188A CN 115242188 A CN115242188 A CN 115242188A CN 202210962132 A CN202210962132 A CN 202210962132A CN 115242188 A CN115242188 A CN 115242188A
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张妍
王永真
孙皓然
张琰
杨子骞
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Abstract

本申请提供耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法。该建筑供暖系统，包括：光伏阵列、低温辐射电热膜、蓄电池、控制器；光伏阵列用于光伏发电，设置在待供暖建筑的室外；低温辐射电热膜用于辐射制热，设置在待供暖建筑的室内；控制器与蓄电池连接，用于控制蓄电池为低温辐射电热膜提供电能、或控制蓄电池储存光伏阵列产生的电能；控制器还与光伏阵列连接，用于控制光伏阵列将吸收的太阳辐射热量转换为电能，并将电能提供给蓄电池或市电电网；控制器还与低温辐射电热膜连接，控制低温辐射电热膜开闭，及在低温辐射电热膜开启时，控制低温辐射电热膜从蓄电池或市电电网获取电能。如此，提高采暖舒适性，降低和控制供暖产生的污染。

Description

耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法
技术领域
本发明涉及节能建筑技术领域，具体涉及耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法。
背景技术
随着长江中下游地区经济飞速发展，人民生活水平大幅提升，该地区居民对于提升冬季室内舒适水平的需求日益强烈。伴随着供暖需求的不断增加，长江中下游地区供暖能耗也逐年增长，因此长江中下游地区的供暖问题是建筑节能领域的热点之一。
目前中国夏热冬冷地区，如长江中下游地区冬季采暖方式主要包括以下五种：电热膜采暖、燃煤锅炉采暖、天然气或燃气壁挂炉采暖、空气源热泵采暖、地源/水源热泵。电热膜供暖，舒适性较高，但是现有的网电供能导致一次能源利用率低，经济性较差。燃煤锅炉采暖导致的环境污染较为严重。天然气或燃气壁挂炉的供暖方式虽然污染物少，但燃气价格昂贵、对外依存度较高，只适合在天然气供应充足的地区使用。空气源热泵应用较为广泛，适用于室外空气参数稳定且围护热工性能良好的建筑。地源/水源热泵的一次投资和运行耗能均较小，适用于水源充足或地热源充足的地区。
长江中下游城市的冬季气温低于6℃的天数小于90天，因此不适宜进行集中供暖。在能源转型与低碳发展的大背景下，长江中下游地区更适合因地制宜采用分散及局部集中的供暖方式，这种方式可以减轻市民的供暖负担，有利于最大限度地降低和控制供暖产生的污染。
发明内容
有鉴于此，本发明提供耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法，以在夏热冬冷地区以分散及局部集中供暖的方式，提高采暖舒适性，降低和控制供暖产生的污染。
第一方面，本申请提供一种耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统，包括：
光伏阵列、低温辐射电热膜、蓄电池、控制器；
光伏阵列用于光伏发电，设置在待供暖建筑的室外；
低温辐射电热膜用于辐射制热，设置在待供暖建筑的室内；
控制器与蓄电池连接，用于控制蓄电池为低温辐射电热膜提供电能、或控制蓄电池储存光伏阵列产生的电能；
控制器还与光伏阵列连接，用于控制光伏阵列将吸收的太阳辐射热量转换为电能，并将电能提供给蓄电池或市电电网；
控制器还与低温辐射电热膜连接，控制低温辐射电热膜开闭，及在低温辐射电热膜开启时，控制低温辐射电热膜从蓄电池或市电电网获取电能。
如此，该耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统，通过电能直供实现辐射制热，能够与原有地板结合一体而不占用室内外空间，构成简单，安装简单易维护。
进一步地，控制器控制蓄电池、光伏阵列，具体包括：
当检测到太阳辐射强度大于预设强度值时，控制光伏阵列开启，以产生电能；
在检测到光伏阵列开启及判断蓄电池处于正向低温辐射电热膜供电的状态时，控制将光伏阵列产生的电能传输至市电电网；
在检测到光伏阵列开启及判断蓄电池处于未向低温辐射电热膜供电的状态、且判断蓄电池的荷电状态小于预设上限荷电值时，控制将光伏阵列产生的电能向蓄电池充电；
在检测到光伏阵列开启及判断蓄电池的荷电状态不小于预设上限荷电值时，控制将光伏阵列产生的电能传输至市电电网。
以上，光伏阵列不直接为低温辐射电热膜供电，而是使用蓄电池先充电后再放电，如此，蓄电池可以解决因为光伏发电量与供暖建筑的供暖需求分别存在不确定性的双侧不确定性的问题。
进一步地，控制器控制蓄电池、低温辐射电热膜，具体包括：
在检测到室内人员的人数大于预设人数时，检测室内温度；
在检测到室内温度不低于预设温度值时，控制低温辐射电热膜处于关闭状态；
在检测到室内温度低于预设温度值时，控制低温辐射电热膜处于开启状态；
在检测到低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于谷电时段时，控制由市电电网为低温辐射电热膜供电；
在检测到低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于非谷电时段、且判断蓄电池的荷电状态不小于预设下限荷电值时，控制由蓄电池为低温辐射电热膜供电；
在检测到低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于非谷电时段、且判断蓄电池的荷电状态小于预设下限荷电值时，控制由市电电网为低温辐射电热膜供电。
如此，该耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统，升温快速、低温运行，热舒适性好。
进一步地，光伏阵列包括阵列设置的太阳能电池组件；
低温辐射电热膜包括新型金属氧化物半导体制热材料层；
蓄电池为以下至少一项：储能电池、电动汽车内设置的动力电池；
控制器包括供电控制装置、供暖热膜控制装置。
第二方面，本申请提供建筑供暖系统的仿真方法，用于第一方面说明的建筑供暖系统，包括：建立低温辐射供暖子系统的仿真模型、供暖控制装置的仿真模型，所述低温辐射供暖子系统的仿真模型设置温度控制量输入端、电量输入端、温度输出端，所述供暖控制装置的仿真模型设置温度控制量输出端、电量需求反馈端；将所述温度控制量输入端与所述温度控制量输出端连接；
建立供电子系统的仿真模型、供电控制装置的仿真模型，所述供电子系统的仿真模型设置电量控制量输入端、电量输出端；所述供电控制装置的仿真模型设置电量控制量输出端；将所述电量控制量输入端与所述电量控制量输出端连接；
将所述供电子系统的仿真模型的电量输出端连接至所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的电量输入端；将所述电量需求反馈端连接至所述电量控制量输入端；
建立环境参数输入单元并设置环境参数输出端，以获取并输出环境参数，其中，所述环境参数包括室外温度、光照强度；建立分时电价输入单元并设置电价参数输出端，以获取及输出分时电价参数；
将所述环境参数输入单元、所述分时电价输入单元，分别与所述供电子系统的仿真模型、所述低温辐射供暖子系统的仿真模型、所述供暖控制装置的仿真模型、所述供电控制装置的仿真模型连接；
建立图形输出与数据输出单元，将所述低温辐射供暖子系统的仿真模型、所述供电子系统的仿真模型、所述环境参数输入单元、所述分时电价单元分别与所述图形输出与数据输出单元连接。
进一步地，还包括：建立经济性计算及低碳性计算单元；
将所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的温度输出端、所述供电子系统的仿真模型的电量输出端、所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价单元的电价参数输出端分别与所述经济性计算及低碳性计算单元的数据输入端连接；
将所述经济性计算及低碳性计算单元的数据输出端与所述图形输出与数据输出单元连接。
进一步地，所述建立低温辐射供暖子系统的仿真模型，包括：
将铺装后的待供暖建筑等效为单一房间，所述单一房间包括：四面墙体、上楼板、下楼板、外窗、外门、室内空气；
分别确定所述四面墙体、上楼板、下楼板各自的热平衡微分方程、所述外窗的热平衡微分方程、所述外门的热平衡微分方程、所述室内空气的热平衡微分方程、所述下楼板设置的电热膜及地板辐射的净辐射热量方程；
将各所述热平衡微分方程、所述净辐射热量方程分别转换为对应的仿真模型，设置所述温度控制量输入端、所述电量输入端、所述温度输出端。
进一步地，所述建立供电子系统的仿真模型，包括：
建立光伏阵列对应的输出电压及输出电流数学方程；
建立为低温辐射电热膜供电的光伏阵列、蓄电池、市电电网的多个电量平衡方程；
将所述光伏阵列、所述蓄电池、所述市电电网、所述低温辐射电热膜的所述多个电量平衡方程分别转换为对应的仿真模型；
根据所述输出电压及输出电流数学方程，建立光伏阵列设置的功率跟踪单元的仿真模型，以跟踪所述光伏阵列的最大功率点；
设置所述电量控制量输入端、所述电量输出端。
本发明提供的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统，在待供暖建筑室内设置金属氧化物半导体低温辐射制热材料，通过辐射制热实现室内供暖，并采用设置在室外的光伏为低温辐射制热材料提供电能；将光伏发电与半导体电热膜辐射制热相结合，实现半导体辐射及光伏低碳的供暖建筑；并对供暖控制策略及供电控制策略进行智能调控，采用间歇供暖和峰谷电价优化调控的运行策略，以实现低碳、节能、环保、高效的采暖方式。
本发明提供的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的仿真方法，针对低温辐射供暖子系统建立热平衡微分方程，针对供电子系统建立电量平衡方程，并将这两者通过电量需求(也即能源输入)-电量供给(也即电能输出)进行耦合；采用MATLAB 中Simulink模块分别实现低温辐射供暖子系统对应的仿真模型、供电子系统对应的仿真模型、环境参数输入单元、供暖控制装置的仿真模型、供电控制装置的仿真模型、功率跟踪单元的仿真模型，由此建立起建筑供暖系统对应的整体仿真模型，并建立经济性计算及低碳性计算单元，以分析该建筑供暖系统的运行经济性和低碳性。该仿真方法，有利于提高分散式、低碳供暖建筑的设计效率、优化运行策略时的效率，有利于方便、可靠、高效地设计及分析建筑供暖系统。
附图说明
下面参照附图来进一步说明本申请的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的，一些技术特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征，或是额外示出了对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征，也就是说，附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本申请。另外，在本申请全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1A为本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的组成及运行示意图；
图1B为本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的控制器的组成示意图；
图2为本发明实施例的低温辐射电热膜的铺装示意图；
图3为本发明实施例的低温辐射供暖子系统的供暖控制策略及运行流程示意图；
图4为本发明实施例的供电子系统的供电控制策略或光电分配策略示意图；
图5A为本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的仿真方法的流程示意图；
图5B为本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的仿真模型的组成示意图；
图6为本发明实施例的单一围护结构的离散温度节点示意图；
图7为本发明实施例的设置有太阳能电池组件的光伏阵列的等效电路；
图8为武汉市供暖典型日光伏发电变化规律；
图9为武汉市供暖季热负荷变化曲线；
图10为武汉市供暖典型周热负荷变化曲线；
图11为武汉市供暖典型工作日主要温度变化曲线；
图12为武汉市供暖典型周主要温度变化曲线；
图13为武汉市典型日光电相关参数变化曲线；
图14为武汉市典型日供暖相关参数变化曲线；
图15为武汉市供暖侧电量相关参数变化曲线。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
除非另有定义，本申请全文所使用的所有技术和科学术语与本申请所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本申请全文中所说明的含义或者根据本申请全文中记载的内容得出的含义为准。另外，本说明中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本申请，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义。
新型金属氧化物半导体制热材料，Metal-Oxide-Semiconductor-Heating，MOSH。
荷电状态，State of Charge，SOC。
最大功率点跟踪，Maximum Power Point Tracking，MPPT。
光储直柔是在建筑领域应用太阳能光伏(Photovoltaic)、储能(EnergyStorage)、直流配电(Direct Current)和柔性交互(Flexibility)四项技术的简称。光储直柔是发展零碳能源的重要支柱，有利于直接消纳风电光电。
分时电价(Time-of-Use Pricing，TOU)大致划分为4类，包括：尖峰电价(CriticalPeak Pricing，CPP)、高峰电价(Peak Pricing，PP)、平段电价(Flat Pricing，FP)、谷段电价(ValleyPricing，VP)，且各电价依次降低。
近年来，中国在风电、光伏等新能源领域发展迅速，新能源装机总量和发电量已经连续多年稳居世界首位。同时，风光发电的不稳定性决定了很难实现风光发电全部并网，也形成了新能源消纳不足、弃风弃光等现象，面临着新能源消纳难题。
在冬季不适宜采用集中供暖的地区，本发明实施例的建筑供暖系统在待供暖建筑室内设置金属氧化物半导体低温辐射制热材料，通过辐射制热实现室内供暖，并采用设置在室外的光伏为低温辐射制热材料提供电能；将光伏发电与半导体电热膜辐射制热相结合，实现半导体辐射及光伏低碳的供暖建筑，对供暖控制策略及供电控制策略进行智能调控，采用间歇供暖和峰谷电价优化调控的运行策略，以实现低碳、节能、环保、高效的采暖方式。
以上，本发明实施例的建筑供暖系统，作为分散式供暖、低碳供暖的优选方案，可以在夏热冬冷地区广泛推广。
考虑到中国长江中下游地区冬季太阳能资源充足，采用耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统，一方面有利于发挥电采暖技术具有的便捷、绿色、高效的优势，另一方面可以解决弃光问题，减少碳排放，甚至实现碳排放为零。在气候过渡带及南方地区广泛推广，有利于提高节能化、智能化的电采暖技术的普及。设置有该建筑供暖系统的建筑可以实现光储直柔转化，实现低碳、节能、环保、高效的采暖目的。如此，本发明实施例的建筑供暖系统解决了长江中下游地区的建筑供暖问题，有利于提高长江中下游地区冬季室内温度的适宜性，减少以碳排放，节约供暖成本，从供暖方面实现目标。
本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的仿真方法，针对低温辐射供暖子系统建立热平衡微分方程，针对供电子系统建立电量平衡方程，并将这两者通过电量需求(也即能源输入)-电量供给(也即电能输出)进行耦合；采用MATLAB 中Simulink模块分别实现低温辐射供暖子系统对应的仿真模型、供电子系统对应的仿真模型、环境参数输入单元、供暖控制装置的仿真模型、供电控制装置的仿真模型、功率跟踪单元的仿真模型，由此建立起建筑供暖系统对应的整体仿真模型，并建立经济性计算及低碳性计算单元，以分析该建筑供暖系统的运行经济性和低碳性。
以上，本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的仿真方法，有利于提高分散式、低碳供暖建筑的设计效率、优化运行策略时的效率，有利于方便、可靠、高效地设计及分析建筑供暖系统。
以下参照附图，对本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统及其仿真方法进行详细的说明。
如图1A所示，本发明实施例的建筑供暖系统，用于待供暖建筑，包括光伏阵列、低温辐射电热膜、蓄电池、控制器，其中，光伏阵列设置在待供暖建筑的室外，如铺装在房顶、屋檐或外墙；低温辐射电热膜设置在待供暖建筑的室内，如房间的下楼板的上方。光伏阵列用于将吸收的太阳辐射热量转换为电能。蓄电池与光伏阵列连接，用于储存光伏阵列产生的电能。光伏阵列还与市电电网连接，以向市电电网提供电能。蓄电池与低温辐射电热膜连接，用于为低温辐射电热膜提供电能。低温辐射电热膜还与市电电网连接，由市电电网为其提供电能。控制器与蓄电池连接，用于控制蓄电池为低温辐射电热膜提供电能或控制蓄电池储存光伏阵列产生的电能；控制器还与光伏阵列连接，用于控制光伏阵列将吸收的太阳辐射热量转换为电能，并将电能提供给蓄电池或市电电网；控制器还与低温辐射电热膜连接，控制低温辐射电热膜开闭，及在低温辐射电热膜开启时，控制低温辐射电热膜从蓄电池或市电电网获取电能。
在一些实施例中，待供暖建筑系统可以是小型别墅，可以是居民建筑、办公楼、工业建筑等固定建筑。
该建筑供暖系统的运行及控制综合考虑供暖时段、供暖需求与电能来源而设定，如图1A、图3及图4所示。考虑到光伏发电功率输出的波动性与供暖需求匹配的不确定性，光伏阵列产生的电能可以先储存在蓄电池，再提供给低温辐射电热膜，光伏阵列产生的多余的光电还可以馈入至市电电网获得售电收益。随着峰谷电价时段划分体系日趋完善，谷电时段的电价相比尖峰时段大幅度降低，因此当光伏可以出力时，优先考虑谷电以进一步降低用电成本。另外，市电电网还可以在光伏阵列产生的电能不足时为低温辐射电热膜提供电能。
以上，控制器调控光伏阵列、低温辐射电热膜、蓄电池等运作。如，光伏阵列产生光电这一清洁电能，蓄电池用于储存光电，蓄电池作为光电中转站还用于为低温辐射电热膜供能。
如图2所示，低温辐射电热膜在建筑供暖时，其铺装结构沿竖直方向由下至上依次包括围护结构、保温层、低温辐射电热膜、木地板或地砖。其中，低温辐射电热膜采用新型金属氧化物半导体制热材料层(以下称半导体电热膜)，该半导体电热膜的温度不均匀性≤5％，50年工作寿命变化率不大于3.3％，表面方阻为0.3-600Ω/方块，额定工作电压为220V，升温速度快且工作温度易调。与传统石墨类或高分子材料类电热膜相比，半导体电热膜不易老化且电-热辐射转换效率更高，最高可达76％。
以下针对前述的光伏阵列、半导体电热膜、蓄电池、控制器等部件分别建立数学模型或工程模型，以利用Matlab的Simulink模块建立对应的仿真模型，建立前述的建筑供暖系统对应的整体仿真模型，以结合制定的供暖控制策略、供电控制策略进行仿真分析，验证各仿真模型及整体仿真模型的正确性，分析待供暖建筑的末端供暖性能和节能性能。
以下分析待供暖建筑的热平衡动态过程，建立多个热平衡微分方程，以构建低温辐射供暖子系统。
如图1A的热量流和冷量流所示，在冬季，建筑内部热负荷来源包括末端供热系统(如电热膜)、太阳辐射热量及室内其他热源产生的热能，室外低温冷空气导致的室内低温为冷负荷的主要来源。待供暖建筑、其冷负荷和热负荷整体上构成低温辐射供暖子系统。
现代建筑中，围护结构大多为分层制作。根据在建筑内的方位及功能，大致可以分为南北外墙、东西外墙、不采暖公共部分隔墙、分户墙、分户楼板、外窗、外门。其中，南北外墙、东西外墙大致包括层厚各异的的抗裂砂浆、挤塑聚苯板、钢筋混凝土剪力墙、水泥石灰砂浆抹面，其内表面或外表面的对流换热系数参考建筑手册可得，不再赘述。不采暖公共部分隔墙大致包括层厚各异的的抗裂砂浆、挤塑聚苯板、钢筋混凝土剪力墙、水泥石灰砂浆抹面、胶粉聚苯颗粒保温材料，其内表面或外表面的对流换热系数参考建筑手册可得，不再赘述。分户墙大致包括层厚各异的的抗裂砂浆、胶粉聚苯颗粒、钢筋混凝土墙、胶粉聚苯颗粒、抗裂砂浆，其内表面或外表面的对流换热系数参考建筑手册可得，不再赘述。分户楼板大致包括层厚各异的的水泥砂浆、豆石混凝土、挤塑聚苯板、钢筋混凝土楼板、水泥石灰砂浆，其内表面或外表面的对流换热系数参考建筑手册可得，不再赘述。
针对前述各围护结构的传热过程做如下假设或简化：各围护结构分别由多层各向均质同性的材料组成；各围护结构与外界环境的传热为稳态传热；因地板辐射供暖受热均匀，假设供暖区域地板表面的温度均匀一致；假设门窗处于常闭状态，不考虑冷风渗透和冷风侵入热负荷；忽略房间内各陈设物体等非围护结构的蓄热量；忽略各面墙体之间的辐射换热；忽略地板表面与室内空气之间的辐射换热；假设房间内部气体温度均匀分布；假设各围护结构的表面的温度均匀分布；半导体电热膜的热阻为0。
在分析待供暖建筑的热负荷、冷负荷及热传递(包括传导、对流和辐射三种类型)动态过程时，经过前述假设或简化，将铺装后的待供暖建筑抽象为图1或图2所示的单一房间，将各围护结构抽象为单一围护结构。这时，不考虑待供暖建筑内部各围护结构、上楼板(包括前述的分户楼板)与下楼板(为前述的铺装结构，包括作为围护结构的分户楼板、木地板、电热膜及保温层)之间的换热情况。单一房间包括分别等效为第一至第四单一围护结构的南北外墙、东西外墙等四面墙体、等效为单一围护结构的上楼板、等效为单一围护结构的下楼板、设置的各陈设物体(例如桌椅、书柜、小家电等非围护结构)及室内空气。
通常，任一墙体上可以设置外门、外窗。经过简化，可以将全部的墙体上设置的外门或外窗分别等效为单一外门或单一外窗。如此，可以认为，单一房间的室内空间由具有单一围护结构的四面墙体、具有单一围护结构的上楼板、具有单一围护结构的下楼板、具有单一围护结构的外窗、具有单一围护结构的外门等共计8个单一围护结构围合而成；而该单一房间内的室内空间被陈设物体和室内空气填充。
以下具体说明确定前述8个单一围护结构各自的热平衡微分方程的方法。
参考前述说明，外墙及分户楼板的传热分别为典型的热传导现象，因此设定单一房间的四面墙体、上楼板、下楼板沿其厚度方向分别为由多层材料组成的单一围护结构。
如图6所示，将单一围护结构等效为具有n节点、n个差分层的热传导对象，n为大于等于1的正整数，其中，内表面所在的差分层为第1节点，第1节点或第1差分层的温度记为t1；外表面所在的差分层为第n节点，第n节点或第n差分层的温度记为tn；中间的n-2个差分层依次为第2节点至第n-1节点。内表面之内的室内温度记为t，外表面之外的室外温度记为tz。
考虑各差分层之间的热传导、内表面与室内空气的对流换热、以及太阳辐射热量(如自屋顶或外墙)与地板辐射热量(如来自半导体电热膜)的热量输入，具有n节点的单一围护结构的各节点的温度以及单一围护结构的热平衡微分方程如下式(1)至(3)：
Figure BDA0003793167730000081
Figure BDA0003793167730000082
Figure BDA0003793167730000083
上式(2)中，1≤i≤n，其中，在i为1时，式(2)改写为式(1)；在i为n时，式 (2)改写为式(3)。
上式(1)至(3)中，Cp,i为第i个差分层的比热容，单位为kJ/(kg·K)；ρi为第i个差分层的密度，单位为kg/m3；Ki为第i个差分层的导热系数，单位为W/(m2·K)；Δxi为第i个差分层的厚度，单位为m；ti为第i个差分层的温度，单位为℃；t为室内空气温度，也即室内气温，单位为℃；tz为室外空气温度，也即室外气温，单位为℃。
上式(1)中，1≤j≤8，其中8表示前述的单一房间的6个正投影视图方向上的四面墙体、上楼板、下楼板、外门、外窗的总数量；hn为墙体或楼板的内表面换热系数，单位为 W/(m2·K)；tinner,j为第j面墙体或楼板的内表面温度，单位为℃；hr,j为其他的第j个单一围护结构的内表面与当前的单一围护结构的内表面之间的辐射换热系数，单位为W/(m2·K)；qrad为该单一围护结构的内表面直接或间接获得的辐射热量，包括太阳辐射热量、照明、人体、设备和地板辐射热量，单位为W；τ为传热时间，单位为s。
在一些实施例中，室外温度可以采用指定地区或城市(如武汉)冬季的室外空气温度的数值，也即，室外温度是可以预先确定的。针对单一房间内的四面墙体、上楼板、下楼板分别应用式(1)至(3)，可以分别得到这6个单一围护结构的内表面的温度。
如图6所示，针对下楼板对应的单一围护结构，设定其内表面，也即木地板为第1节点或第1差分层，电热膜为第2节点或第2差分层，保温层为第3节点或第3差分层，前述的分户楼板对应的围护结构对应为其他的第4至第n节点，也即第4至第n差分层。
以下说明确定外窗与外门的热平衡微分方程的方法。前述的外窗的典型结构，也即双层中空玻璃中的夹层为空气，内层玻璃与外层玻璃之间采用对流进行传热。同时，考虑太阳辐射热量与地板辐射热量的输入，建立双层玻璃窗户的内外层玻璃的热平衡微分方程如式(4)、式(5)：
Figure BDA0003793167730000091
Figure BDA0003793167730000092
上式(4)至(5)中，1≤j≤8，其中8表示前述的单一房间的6个正投影视图方向上的四面墙体、上楼板、下楼板、外门、外窗的总数量。Cpw1、Cpw2分别为窗户内、外层玻璃的比热容，单位为kJ/(kg·K)；ρw1、ρw2分别为窗户内、外层玻璃的密度，单位为kg/m3；△xw,1、△xw,2分别为窗户内、外层玻璃的厚度，单位为m；tw,1、tw,2分别为窗户内、外层玻璃的温度，单位为℃；qw,1、qw,2分别为窗户内、外玻璃对太阳辐射热量的吸收得热，单位为W；hnw为窗户内表面换热系数，单位为W/(m2·K)；hw,21为窗户内外层玻璃之间的表面换热系数，单位为W/(m2·K)；qrad,w是窗户内层的表面获得的室内照明、人体和设备的辐射得热，单位为W。t为室内气温，单位为℃；τ为传热时间，单位为s；hr,j为其他的第 j个单一围护结构(包括四面墙体、上楼板、下楼板(包括分户楼板、半导体加热膜、且用于辐射热量的地板及保温层))的内表面与该外窗的内表面之间的辐射换热系数，单位为W/(m2·K)。
在一些实施例中，室内气温采用温度传感器实时获得的数值。针对单一房间内的外窗，应用式(4)至(5)，可以得到外窗这个单一围护结构的内表面的温度。
单层实体木质门的热平衡微分方程如式(6)：
Figure BDA0003793167730000093
式(6)中，1≤j≤8，其中8表示前述的单一房间的6个正投影视图方向上的四面墙体、上楼板、下楼板、外门、外窗的总数量。td为单层实体木质门的温度，单位为℃；τ为传热时间，单位为s；Cp,d为单层实体木质门的比热容，单位为kJ/(kg·K)；ρd为单层实体木质门的密度，单位为kg/m3；Kd为单层实体木质门的导热系数，单位为W/(m2·K)；Δxd为单层实体木质门的厚度，单位为m；t为室内空气温度，单位为℃；tz为室外空气温度，单位为℃。hn,d为单层实体木质门的内表面换热系数，单位为W/(m2·K)；tinner,j为第j个围护结构(墙体或楼板或外门或外窗)的内表面温度，单位为℃；hr,j为其他的第j个单一围护结构(包括四面墙体、上楼板、下楼板(包括分户楼板、半导体加热膜、且用于辐射热量的地板及保温层))的内表面与该外窗的内表面之间的辐射换热系数，单位为W/(m2·K)； qrad,d为该围护结构内表面获得的辐射热量，包括太阳辐射热量、照明、人体、设备和地板辐射热量，单位为W。
针对单一房间内的外门，应用式(6)，可以得到外门这个单一围护结构的内表面的温度。
以下说明确定室内空气的热平衡微分方程的方法。室内空气与前述的各面墙体、上楼板、下楼板、外门、外窗各自的内表面之间分别通过对流换热进行热量交换，进而影响室内气温。室内空气的热平衡微分方程如式(7)：
Figure BDA0003793167730000101
上式(7)中，t为室内空气温度，单位为℃；τ为传热时间，单位为s；1≤j≤8，其中 8表示前述的单一房间的6个正投影视图方向上的四面墙体、上楼板、下楼板、外门、外窗的总数量。Cp,a为室内空气的比热容，单位为kJ/kg·K；ρa为室内空气的密度，kg/m3； Va为室内空气的体积，单位为m3；Fj为第j个单一围护结构的内表面的面积，单位为m2； hn,j为第j个单一围护结构内表面的对流换热系数，单位为W/(m2·K)；Qs为室内空气获得的太阳辐射热量，单位为W；tinner,j为第j个单一围护结构的内表面的温度，单位为℃。
以下说明确定木地板或地砖(以下称地板)及半导体电热膜的辐射换热量的方法。地板辐射供暖是辐射与对流共同耦合的传热过程，室内空气与各表面之间的对流换热情况直接影响室内温度，地板表面的辐射传热使房间内其他表面的温度升高，间接影响室内温度变化。该热力过程计算较为复杂，为进一步简化计算过程，减少仿真计算时的不确定性，进行如下假设：地板得到半导体电热膜辐射的全部热量；地板内部在水平方向无热量传递；地板内部各向同性。
在计算地板净辐射热量时，将房间内其余表面，如各非加热面，也即除外前述下楼板之外的其他7个单一围护结构，包括外门或外窗，统一地简化为一个虚构表面，该虚构表面的温度tr可近似地由这些非加热表面的温度值加权平均得到，如下式(8)：
Figure BDA0003793167730000102
上式(8)中，tr为前述虚构表面的温度，单位为℃；1≤j≤8，其中8表示前述的单一房间的6个正投影视图方向上的四面墙体、上楼板、下楼板、外门、外窗的总数量。Aj为房间第j个单一围护结构内表面的面积，单位为m2；εj为房间第j个单一围护结构内表面的发射率，为无量纲值；tj为房间第j个单一围护结构内表面的温度，单位为℃，参考前述说明，可以分别根据前述的式(1)至式(6)确定。
参与辐射传热的两个表面之间的相当辐射角系数
Figure BDA0003793167730000105
如下式(9)：
Figure BDA0003793167730000103
上式(9)中，εf，εr分别为地板表面与虚构表面的发射率，取0.9；
Figure BDA0003793167730000106
为地板表面与前述的虚构表面之间的相当辐射角系数，可以取1；Af、Ar分别为地板表面、虚构表面的面积，单位为m2。
如此，地板的净辐射换热量可以由下式(10)计算：
Figure BDA0003793167730000104
上式(10)中，qr为地板辐射热量，单位为W/m2；σb为黑体辐射常量，也即 Stefan-Boltzmann常数5.67×10-8W/(m2·K4)；
Figure BDA0003793167730000111
为地板表面与虚构表面之间的相当辐射角系数；tfloor为地板表面的温度，单位为℃，参考前述说明，可以参考图6，以下楼板为对象，应用式(1)至(3)确定。
将式(8)、式(9)带入到式(10)，可以确定地板的净辐射热量qr，也即地板表面与前述的其他7个单一围护结构的表面之间的辐射换热量。电热膜使地板温度升高->高温地板将热量辐射至其余围护内表面，使其余表面温度升高->各高温表面与空气对流换热，使室内空气温度升高。也即，地板辐射热量使得其他7个单一围护结构的表面温度升高，并进一步地经其他7个单一围护结构的表面与室内空气通过对流实现换热，进而改变室内温度。
以上，将铺装后的待供暖建筑等效为单一房间，所述单一房间包括：四面墙体、上楼板、下楼板、外窗、外门、室内空气。对应的低温辐射供暖子系统中，四面墙体、上楼板及下楼板分别具有多个差分层，主要实现传导换热；外窗设置有双层中空玻璃，具有3 个差分层，主要实现传导换热。单层实体木质外门主要实现传导换热。室内空气主要与各面墙体内表面之间通过对流实现换热。所述低温辐射电热膜及地板或地砖主要用于辐射制热。
以下，说明针对前述的待供暖建筑采用的供暖控制策略。根据民用建筑热工标准中冬季室内供暖温度范围需要在16～24℃之内，为满足人体舒适要求同时降低系统能耗，设定室内供暖温度为18±0.01℃。半导体电热膜启停时间根据人员活动时间以及生活作息规律进行设置：当室内有人员活动且室内温度低于18℃时，半导体电热膜开启，室内温度上升直至稳定在18℃，其余时间段，半导体电热膜处于关闭状态。
在一些实施例中，确定的建筑供暖系统的供暖控制策略如图3和图1A所示的电量流和信息流所示。检测室内有无人员活动，如果室内人数≥1(即前述的预设人数)，则判断有供暖需求，需要调节室内温度至人体适宜温度(即前述的室内供暖温度18±0.01℃)；检测室内温度，如果室内温度不低于18℃(即前述的预设温度值)，则控制电热膜处于关闭状态；如果室内温度低于18℃，则需要开启电热膜，以加热室内温度至18℃；在判断电热膜开启时，进一步判断是否处于谷电时段，如果处于谷电时段，则使用市电电网为其提供电能，否则进一步判断是否蓄电池的SOC＞20％(即前述的预设下限荷电值，用于判断蓄电池能否具有为电热膜提供电能的能力)。若是，则采用蓄电池为电热膜供能，否则采用电网为电热膜供能。
如图1A和图1B所示，控制器包括供暖控制装置，所述供暖控制装置与所述半导体电热膜、市电电网、蓄电池、光伏阵列连接，用于执行图3所示的供暖控制策略。
在一些实施例中，如图1A和图1B所示，所述供暖控制装置包括电热膜控制单元，所述电热膜控制单元与所述半导体电热膜连接，用于控制半导体电热膜的开闭。在调控室内温度时，半导体电热膜的开闭由当前的室内温度和预设温度范围决定，并采用0-1控制方式。假定室内需求温度范围为a1(如18℃)-b1℃(如18.5℃，或其他适当的温度)，其中，a1＜b1；记当前的室内温度为T℃，采用0-1控制方式时，半导体电热膜的开闭(on/off) 规则如下：当T＜a1时，控制开闭状态为开启on；当T＞b1时，控制为开闭状态为关闭 off。而当a1＜T＜b1时，开闭状态为开启on或关闭off，这时因为，这时，低温辐射供暖子系统处于加热过渡过程或降温过渡过程，半导体电热膜的开闭状态并不固定。如此，可以维持室内温度在需求温度范围内波动。
将以上待供暖建筑的墙体、外窗、外门、上楼板、下楼板、室内空气、地板辐射等各自的热平衡微分方程按照换热关系耦合，就可以建立低温辐射供暖子系统，以构建供暖建筑系统整体上的仿真模型；随后，加入前述的供暖控制装置，就可以模拟待供暖建筑的实际运行过程。
为分析建筑供暖系统的供暖控制策略、供电控制策略以及待供暖建筑的供暖性能，对建筑供暖系统的电能来源及消耗展开分析，以建立多个电量平衡方程。
1).建立硅型太阳能电池组件、光伏阵列的输出电压及输出电流数学方程
硅型太阳能电池组件的输出电压及输出电流的数学模型如下式(11)至(13)：
Figure BDA0003793167730000121
Figure BDA0003793167730000122
Figure BDA0003793167730000123
上式(11)至(13)中，Vm是参考光照强度和参考电池温度下太阳能电池组件的最大工作电压，单位为V；Im是参考光照强度和参考电池温度下太阳能电池组件的最大工作电流，单位为A；Isc是参考光照强度和参考电池温度下太阳能电池组件的短路电流，单位为A；Voc是参考光照强度和参考电池温度下太阳能电池组件的开路电压，单位为V；C1和C2分别为中间变量。
当光照强度和太阳能电池温度与参考光照强度和参考电池温度不同时，可通过下式 (14)至(20)来计算Vm、Im、Isc、Voc在不同光强和电池温度下对应的值：Vm’、Im’、Isc’、Voc’：
T＝Tair+KS (14)
ΔT＝T-Tref (15)
Figure BDA0003793167730000124
Voc'＝Voc(1-cΔT)(1+bΔS) (17)
Vm'＝Vm(1-cΔT)(1+bΔS) (18)
Figure BDA0003793167730000125
Figure BDA0003793167730000126
上式(14)至(20)中，记T为实际光照强度下太阳能电池组件的温度，单位为℃； S为实际光照强度，单位为W/m2；Sref为参考条件下光照强度，单位为W/m2；Tair为环境温度，单位为℃；Tref为参考条件下太阳能电池组件的温度，单位为℃；K为光照强度变化时太阳电池温度系数，单位为℃·m2/W，典型值为0.03℃·m2/W；a、b、c为常数，其中，温度补偿系数a的取值可以为0.0025/℃、光强补偿系数b的取值可以为0.5/℃、温度补偿系数c的取值可以为0.00288/℃。以上，参考条件是指参考光照强度和参考电池温度。
忽略线路连接损耗和组件间差异，将M*N太阳能电池组件经过N次串联和M次并联构成光伏阵列，其等效电路图如图7所示。
该光伏阵列的总电压及总电流的数学模型如下式(21)至(24)：
Varray＝V·N (21)
Vm,array＝Vm·N (22)
Iarray＝I·M (23)
Im,array＝Im·M (24)
上式(21)至(24)中，Varray为光伏阵列的总电压，单位为V；Iarray为光伏阵列的总电流，单位为A。
2).采用扰动观察法实现光伏阵列最大功率点跟踪
在一些实施例中，供电控制装置设置有功率跟踪单元，功率跟踪单元利用MPPT通过调节各光太阳能电池组件的工作状态，使光伏阵列能够输出更多电能，并将发出的直流电储存在蓄电池中。通常，MPPT动态调整太阳能电池组件的等效阻抗，进而使得在不同环境条件(光照、温度)下光伏阵列均能够以峰值功率点，也即最大功率点运行。
MPPT算法包括多种类型，如扰动观察法、恒压跟踪法以及电导增量法。本发明实施例的功率跟踪单元使用扰动观察法建立光伏阵列的控制策略模型或仿真模型。扰动观察法结构简单，需要测量的参数较少，有利于提高供电控制装置及功率跟踪单元的求解效率和仿真效率。
扰动观察法实现最大功率点跟踪的工作原理如下。参考上式(11)至(13)，光伏阵列在任意太阳辐射强度及环境温度下的功率如下式(25)：
Figure BDA0003793167730000131
由式(25)的极值条件dP/dV＝0，得：
Figure BDA0003793167730000132
上式(26)是超越方程，可参考下式(27)由牛顿法进行迭代，以求解对应于最大功率点的电压Vmax，如，当|Vk+1－Vk|<ε1时，Vmax＝Vk+1。
Figure BDA0003793167730000133
上式(27)中，Vk+1和Vk分别为V的第k+1次和第k次迭代值；ε1为迭代精度；P'(Vk) 和P"(Vk)分别是第k次迭代下功率P对电压V的一阶导数和二阶导数。
将求解得到的最大功率点的电压Vmax代入式(11)或式(25)，则可以得到最大功率点的电流Imax，从而可由下式(28)求得最大功率Pmax：
Pmax＝VmaxImax (28)
3).建立电量平衡方程
如图1所示，半导体电热膜的电能来源包括光伏阵列出力、蓄电池、且市电电网这三部分。参考前述说明，当待供暖建筑内有采暖需求时，半导体电热膜将来自蓄电池或市电电网的电能转化为辐射热能为室内供暖。市电电网在谷电时段或光伏阵列产生的电能不足以维持蓄电池的预设下限荷电值时为半导体电热膜提供电能。市电电网还可以接收光伏阵列产生的电能多于蓄电池的预设上限荷电值时多余的光电。
这时，这三者各自的电量平衡方程分别如下：
EPV.out＝Ebattery.in+Enet,in (29)
Ebattery+Ebattery.in+Ebattery.out (30)
Erad.in+Ebattery.out+Enet.out (31)
上式(29)至式(31)中，EPV.out为光伏阵列输出总电量，单位为kW·h；Enet,.in为光伏出力传输至电网的电量，单位为kW·h；Ebattery，Ebattery.in，Ebattery.out分别为蓄电池储存电量、蓄电池获得总电量以及供给电热膜的电量，单位为kW·h；Erad.in，Enet.out分别为电热膜总耗电量以及电网供给电量，单位为kW·h。
如此，式(29)为光伏阵列电量平衡方程，也即，光伏阵列输出总电量EPV.out为蓄电池获得总电量Ebattery.in与光伏出力中传输至电网的电量Enet,.in之和。式(30)为蓄电池电量平衡方程，也即，蓄电池储存电量Ebattery为蓄电池获得总电量Ebattery.in与蓄电池供给电热膜的电量Ebattery.out之差。式(31)为电热膜的电量平衡方程，也即，半导体电热膜总耗电量Erad.in为蓄电池供给电热膜的电量Ebattery.out与电网供给电热膜的电量Enet.out之和。
如此，所述供电子系统包括：光伏阵列、蓄电池、用于执行最大功率点跟踪的功率跟踪单元；所述蓄电池还与所述低温辐射电热膜、市电电网连接。
一些实施例中，供电控制装置根据分时电价和光伏发电规律，采用分时控制方式为半导体电热膜提供电能。当室内有供暖需求时，根据当前供暖时刻的电网电价调整电能来源，如处于低谷电价时段时，采用市电电网为半导体电热膜供电；如处于非低谷电价时段(包括：尖峰、高峰、平峰)，采用光伏发电产生的电能为电热膜供电；如，处于非低谷时段但光伏发电量不足以满足低温辐射供暖子系统消耗时，采用电网供电，可以避免产生因电能不足而引起的停止供暖、供暖力度不足、或供暖暂停的现象。采用以上分时控制的供电控制策略，一方面可减小光伏阵列的负荷压力，另一方面可有效避免供暖暂停现象的发生。
以上，光伏阵列发电产生的电能优先储存至蓄电池，蓄电池充电(也即吸收电能)完成后，给半导体电热膜供电。蓄电池可以为储能电池，也可以为电动汽车的动力电池。当使用电动汽车的动力电池作为该建筑供暖系统中的蓄电池使用时，该供暖建筑系统可以用于光储直柔建筑。以及，储能电池或动力电池可以为三元锂电池或磷酸铁锂电芯，不再赘述。
以下，说明针对前述的待供暖建筑采用的供电控制策略。在一些实施例中，确定的建筑供暖系统的供电控制策略如图4所示。当检测到太阳辐射强度＞0(为前述的预设强度值)时，控制光伏阵列开启，产生电能，也即光电。随后，判断蓄电池是否处于为电热膜供电的状态，若是，则控制将光伏阵列发电产生的电能传输至电网，以获得售电收益，若否，则进入下一步。随后，在下一步，判断是否蓄电池的SOC＜80％(也即前述的预设上限荷电值，用于判断蓄电池是否能够继续储存电能)，若是，则利用光伏阵列产生的电能向蓄电池充电，若否，则将光伏阵列产生的电能传输至电网。
如图1A和图1B所示，控制器包括供电控制装置，所述供电控制装置与所述半导体电热膜、市电电网、蓄电池、光伏阵列连接，用于执行图4所示的供电控制策略。
将以上光伏阵列的输出电压及输出电流数学方程、功率跟踪单元、由半导体电热膜耦合的光伏板、蓄电池、市电电网的电量平衡方程组合后，就可以建立供电子系统，随后加入前述的供电控制装置，就可以构建供暖建筑系统整体上的仿真模型，模拟待供暖建筑的实际运行过程。
为分析建筑供暖系统的供暖控制策略、供电控制策略以及末端供暖性能，对建筑供暖系统的运行费用及二氧化碳(CO2)排放进行分析，建立经济性计算及低碳性计算模型。
参考图1所示，该建筑供暖系统的运行费用包括光伏阵列的维护费用和电网电能的消耗费用。运行费用根据下式(32)至(34)计算：
MoneyPV＝moneyPVSPVτyear (32)
Moneynet＝∑moneyp,netEp,net.out (33)
Moneytotal＝MoneyPV+Moneynet (34)
上式(32)至(34)中，MoneyPV为光伏阵列的维护费用，单位为元；Moneynet为电网电能的消耗费用，单位为元；Moneytotal为总运行费用，单位为元。moneyPV为光伏阵列单位面积的年维护费用，单位为元/(年·m2)；SPV为光伏阵列的铺装面积，单位为m2；τyear为光伏阵列的使用时长，单位为年；moneyp,net为时段p每度电的价格，单位为元/(kW·h)； Ep,net.out为时段p消耗的电量，单位为kW·h。
光伏发电的电能来源为太阳能，可认为其CO2排放量为0。设定市电电网的电能来源为火力发电，则该建筑供暖系统的CO2排放主要来自于电网。该建筑供暖系统的CO2排放量根据式(35)计算：
Figure BDA0003793167730000151
上式(35)中，MCO2为CO2总排放量，单位为kg；mC为每度电所需燃煤质量，单位为kg/(kW·h)；u为煤燃烧发电释放的CO2的质量与相应的耗煤质量之比。Enet.out为式(31) 中的电网供给电量，单位为kW·h。
如此，本发明实施例的建筑供暖系统耦合有光伏发电与辐射制热，针对光伏发电不确定性与供暖需求不确定性，对半导体电热膜辐射换热及房间内传热过程建立对应的低温辐射供暖子系统；对光伏阵列及电热膜的蓄电池及电网供电建立对应的供电子系统；对低温辐射供暖子系统与供电子系统进行了耦合，提出了考虑双侧不确定性的供暖侧优先的供暖方式和供暖控制策略以及供电侧的供电方式和供电控制策略。
如此，采取本发明实施例的供暖建筑系统，针对铺装后的待供暖建筑，采用前述的供暖方式、供暖控制策略、供电控制策略，可在满足室内供暖需求的前提下，减少供暖建筑的碳排放，并获得较好的经济效益。
以下说明根据前述的铺装后的待供暖建筑、光伏阵列、半导体电热膜、蓄电池、控制器等各部件分别建立对应的数学模型或工程模型，利用Simulink模块建立对应的仿真模型，建立建筑供暖系统对应的整体仿真模型的方法，以对前述的供暖建筑系统的运行过程进行仿真分析，验证该建筑供暖系统的供暖控制策略、供电控制策略的合理性，以及验证供暖建筑系统的经济性和低碳性。
如图5A所示，本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的仿真方法，包括：
S10：建立低温辐射供暖子系统的仿真模型(如图5B的Building System模块)、供暖控制装置的仿真模型(如，嵌入在图5B中的Control System模块)，所述低温辐射供暖的仿真模型设置第一环境参数输入端、第一电价输入端、电量输入端、温度输出端温度控制量输入端；所述供暖控制装置的仿真模型设置第三环境参数输入端、第三电价输入端、温度控制量输出端、电量需求反馈端；将所述温度控制量输入端与所述温度控制量输出端连接；
S20：建立供电子系统的仿真模型(图5中PV System模块)、供电控制装置的仿真模型(如，已嵌入在图5B中的Control System模块)；所述供电子系统的仿真模型设置第二环境参数输入端、第二电价输入端、电量输出端、电量控制量输入端；所述供电控制装置的仿真模型设置第四环境参数输入端、第四电价输入端、电量控制量输出端；将所述电量控制量输入端与所述电量控制量输出端连接；
将所述供电子系统的仿真模型的电量输出端连接至所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的电量输入端；将所述电量需求反馈端连接至所述电量控制量输入端，以形成电量供需闭环；
S30：建立环境参数输入单元(如图5B的Solar and Temperature模块)并设置环境参数输出端，以获取并输出环境参数，其中，所述环境参数包括室外温度、光照强度；
建立分时电价输入单元(如图5B的Time ofUse模块)并设置电价参数输出端，以获取及输出分时电价参数；
将所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价输入单元的电价参数输出端，分别与所述供电子系统的仿真模型的第二环境参数输入端、第二电价输入端连接、且与所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的第一环境参数输入端、第一电价输入端连接；
将所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价输入单元的电价参数输出端，分别与所述供暖控制装置的仿真模型的第三环境参数输入端和第三电价输入端连接；
将所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价输入单元的电价参数输出端，分别与所述供电控制装置的仿真模型的第四环境参数输入端和第四电价输入端连接；
S40：建立图形输出与数据输出单元(如图5B的SimulationResult模块)；
将所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的温度输出端、电量需求反馈端、所述供电子系统的仿真模型的电量输出端、所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价单元的电价参数输出端分别与所述图形输出与数据输出单元连接，以展示室外温度曲线 (如图9所示)、室内温度曲线(如图11或12所示)、电量消耗曲线(如图13、14或 15所示)。
以上，采用MATLAB软件中的Simulink模块对该建筑供暖系统建立整体仿真模型。该整体仿真模型中，铺装后的待供暖建筑对应的低温辐射供暖子系统的仿真模型BuildingSystem模块用于进行热辐射、热传导、热对流等传热过程的仿真计算，并可以对室内热负荷和供暖效果进行仿真分析；供电子系统的仿真模型PV System模块包含了光伏阵列、蓄电池、电网和逆变器等的仿真模型，用于对电力性能进行仿真分析。控制器Control system模块用于协同地执行如图3所示的供暖控制策略和图4所示的供电控制策略。分时电价输入单元Time ofUse模块，用于设定分时电价时段及对应的分时电价。
由于低温辐射供暖子系统和供电子系统之间的直接联系为半导体电热膜，因此以半导体电热膜的功率作为两个子系统的耦合桥梁，将两个子系统进行耦合，以传输用电需求和供电供能效果。因此，以上仿真模型运行时，也即数值仿真过程中，Building System模块将低温辐射供暖子系统的电能需求传送至PV System模块，同时PV System模块实时将供电情况传输至Building System模块作为供电效果的反馈，最终形成闭环运算。
该整体仿真模型设置的图形输出与数据输出单元Simulation Result模块，可以用于获取并输出多个参数的仿真结果并分析各参数仿真结果，可以输出图形、输出数据，还可以设定输出参数，输出参数包括温度、热负荷、能耗等。
如此，分别采用MATLAB软件中的Simulink模块对该建筑供暖系统进行整体建模，仿真模型包括针对建筑供暖系统的低温辐射供暖子系统、供电子系统、经济性计算及低碳性计算单元、供暖控制装置、供电控制装置、功率跟踪单元，仿真运行，就可以获得该建筑供暖系统的供能效果和供暖效果。
在一些实施例中，还包括：S50：建立经济性计算及低碳性计算单元(如，嵌入如图5B的Simulation Result模块)；
将所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的温度输出端、将供电控制装置的仿真模型的电量输出端、所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价单元的电价参数输出端分别与所述经济性计算及低碳性计算单元的数据输入端连接；
将所述经济性计算及低碳性计算单元的数据输出端与所述图形输出与数据输出单元连接，以展示供暖费用、能量消耗、及碳排放。
如此，该整体仿真模型设置的图形输出与数据输出单元Simulation Result模块，可以用于计算系统运行费用和CO2排放，如设置经济性及低碳性计算单元，可以输出费用和碳排放的图形、数据，还可以用于设定输出参数，输出参数还可以包括运行费用和碳排放等。
在一些实施例中，步骤S10中，所述建立低温辐射供暖子系统的仿真模型，包括：
将铺装后的待供暖建筑等效为单一房间，所述单一房间包括：四面墙体、上楼板、下楼板、外窗、外门、室内空气；
分别确定所述四面墙体、上楼板、下楼板各自的热平衡微分方程、所述外窗的热平衡微分方程、所述外门的热平衡微分方程、所述室内空气的热平衡微分方程、所述下楼板设置的电热膜及地板辐射的净辐射热量方程；
将各所述热平衡微分方程、所述净辐射热量方程分别转换为对应的Simulink仿真模型，设置所述第一环境参数输入端、第一电价输入端、电量输入端、温度输出端、电量需求反馈端、所述温度控制量输入端。
如图5B的右侧所示，低温辐射供暖子系统的仿真模型对应于Building System，其输出包括：实时测量、实时变化的室内温度，根据该室内温度与供暖需求，可以进一步调节室内温度；实时测量、实时变化的其他各围护结构的内表面的温度，用于展示供暖性能或供暖效果。
如图5B的右侧待供暖建筑Building System模块的展开图所示，待供暖建筑Building system模块中，热传导Heat conduction单元用于设置传热数学模型、围护结构的多种物性参数，进而实现利用前述的式(1)至式(6)计算各围护结构的温度；热对流Heatconvection 单元用于设置对流换热数学模型、围护结构的多种物性参数，进而实现利用前述的式(7) 计算室内空气的温度；热辐射Heat radiation单元用于设置辐射换热数学模型、围护结构的多种物性参数，进而实现利用前述的式(8)至式(10)计算地板辐射热量。前述的围护结构的多种物性参数参考建筑手册确定，不再赘述。
在一些实施例中，步骤S20中，所述建立供电子系统的仿真模型，包括：
建立所述光伏阵列对应的输出电压及输出电流数学方程(如图5B中PV System模块展开后的光伏阵列子模块)；
建立为所述电热膜供电的光伏阵列、蓄电池、市电电网的多个电量平衡方程；
将所述光伏阵列、所述蓄电池、所述市电电网、所述低温辐射电热膜的所述多个电量平衡方程分别转换为对应的Simulink仿真模型(分别对应于图5B中PV System模块展开后的的光伏阵列子模块、蓄电池子模块、电网Grid子模块、负载电阻Load也即低温辐射电热膜子模块之间的能量关系)；
根据所述输出电压及输出电流数学方程，建立光伏阵列设置的功率跟踪单元的仿真模型(如，已嵌入图5B中PV System模块展开后的光伏阵列子模块)，以跟踪所述光伏阵列的最大功率点；
设置所述第二环境参数输入端、第二电价输入端、电量输出端、电量控制量输入端、连接所述市电分时电价划分单元的电价参数输出端。
如此，本发明实施例的仿真方法，建立设置半导体电热膜的供暖房间的数学模型、光伏发电数学模型，供暖控制策略对应的供暖控制装置、供电控制策略对应的供电控制装置、最大功率点跟踪的功率跟踪单元，并构建对应的Matlab/Simulink仿真模型，在对其进行了系统耦合后，进行数值仿真。
在一些实施例中，所述供电控制装置的仿真模型用于执行前述的图4所示的步骤，不再赘述。在一些实施例中，所述供暖控制装置的仿真模型用于执行前述的图3所示的步骤，不再赘述。
在一些实施例中，为实现前述的建筑供暖系统，针对铺装后的待供暖建筑首先确定对室内温度产生影响的环境参数。通常，供暖地区室外典型气象参数中，光照强度和室外温度对光伏供电的光伏发电量和发电效率具有决定性的影响。其次，确定待供暖建筑的类型及建筑标准、室内扰动冷热源，以确定待供暖建筑的热负荷或冷负荷，以确定室内的供暖需求。
随后，将铺装后的待供暖建筑等效为单一房间，并建立对应的低温辐射供暖子系统，以建立其仿真模型或与后续实施供暖控制策略的供暖控制装置连接。其中，需要针对选定地区的气象条件、供暖需求标准和特异性供暖需求，确定供暖方式、供暖控制策略和供电控制策略。
在一些实施例中，选取中国南方典型城市武汉市的某小型别墅建筑作为铺装后的待供暖建筑，为其配置供暖建筑系统；并根据武汉室外环境温度、人员作息规律、分时电价制定供暖控制策略和供电控制策略；对该供暖建筑系统实际运行过程中末端供暖以及能耗特性展开动态分析，以确定该供暖建筑系统在满足冬季室内供暖需求的基础上，可以实现节能减排并实现较好的经济性。
该别墅建筑的供暖总面积为100m2，尺寸为10m×10m×2.5m(长×宽×高)，半导体电热膜铺装率为70％，建筑主要围护结构参数查询建筑手册确定，不再赘述。设定每周工作日晚六点至次日早八点以及非工作日全天室内有人员活动(即室内人员数≥1)。为充分利用供暖建筑的屋顶面积进行光伏发电，屋顶全部铺装光伏阵列，如此，确定该待供暖建筑的光伏铺装面积为供暖面积，也即100m2。所选光伏阵列的单板额定功率为213.15W，铺装数量为99块。配置的蓄电池的额定电压为205V，容量为300Ah。
采用对公众公开的武汉市24小时的分时电价。按照武汉市电价划分时段，23:00至次日7:00共8小时为市网谷电时间段，电价为0.426元/(kW·h)，仅为尖峰时段的28.0％。武汉地区地处中国南部，冬季供暖时频相较北方而言比较短，设定武汉市供暖时段为12 月1日至次年2月28日(共90天)，并选取武汉市供暖的第35天为典型日，第35-42 天为典型周进行详细分析。根据以上需求，建立对应的仿真模型，运行模型，并分析仿真结果。
针对该建筑供暖系统的光伏发电规律与热负荷变化规律如下。如图8的武汉市供暖典型日内的光伏发电变化规律曲线所示，光伏阵列发电功率与太阳辐射强度成正相关，太阳辐射强度越高，光伏阵列发电功率越高，但光伏阵列发电功率变化与室外温度变化相关性较小。如图9的整个供暖季建筑热负荷变化曲线所示，当室内温度稳定在为18℃时，武汉市建筑热负荷在10-35W/m2范围内波动，符合建筑标准要求。如图10的武汉市供暖典型周内的建筑热负荷变化曲线所示，热负荷的大小受到环境温度和太阳辐射强度共同作用的影响，当环境温度较高或太阳辐射强度较高时，室内热负荷较低，反之亦然。
针对该建筑供暖系统的升温特性分析如下。如图11的武汉市供暖典型日主要温度变化曲线所示，一天之内电热膜按照分时段运行策略依次处于开启-关闭-开启状态，当环境温度在-0.88℃至6.07℃范围内时，地板温度和室内温度分别保持在15.94-22.43℃和15.8-18.6℃范围内。其中，在8:00-18:00时间段内，电热膜处于关闭状态，外界温度低于室内温度，地板温度/室内温度分别由20.55/18℃缓慢下降至15.94/15.8℃。18:00电热膜开启后地板温度在27.18min内由15.94℃上升至21.75℃，同时室内温度迅速从15.8℃升至18℃，温升速度较快，表明人员回到室内后，该供暖建筑系统可快速调节室内温度至人体舒适温度。另外，由于传热过程中围护结构具有热惰性，在18:00～20:00之间温度出现超调现象，地板温度/室内温度首先升至22.43/18.6℃，之后随供暖过程的进行，两者逐渐回落并最终稳定在20.6/18℃直至次日8:00。
如图12的武汉市供暖典型周温度变化曲线所示，典型周内的前五天由于处于工作日，根据室内人员活动情况，采取分时段供暖控制策略，典型周内的后两天为休息日，采用全天持续供暖控制策略，使室内在有人员分布的情况下满足18℃温度要求，供暖时段地板温度维持在18-25℃范围内波动，符合地暖供暖标准要求。可以看出太阳辐射强度和环境温度较高时，地板温度较低，这是由于当太阳辐射强度或环境温度较高时，室内供暖热负荷需求较小，反之亦然。
针对该建筑供暖系统的供能特性分析如下。如图13所示为武汉市典型日光电相关参数变化曲线，可以看出，7:00-8:00、18:00-23:00等非谷电时段，蓄电池为半导体电热膜供电，蓄电池输出功率为14kW，蓄电池的SOC逐渐降低；8:00时太阳升起，光伏阵列开始发电，同时供暖建筑由于室内无人而关闭，蓄电池开始充电且充电功率与光伏阵列发电功率大小相等，蓄电池的SOC逐渐升高；13:00左右蓄电池的SOC升至80％停止充电； 13:00-18:00光伏发电产生的电能传输至电网，光电上网功率与光伏发电功率大小相等； 18:00太阳下山光伏阵列停止发电。
如图14的武汉市典型日供暖参数变化曲线所示，谷电时段采用电网为半导体电热膜供电，电网功率为0/14kW切换，谷电时段采用光电为半导体电热膜供电，蓄电池输出功率为0/14kW切换，其中18:00时由于蓄电池SOC较大，初始放电功率较大，随着放电过程的进行，蓄电池的输出功率逐渐降低。
针对该建筑供暖系统的能耗及碳排放分析如下。如图15的武汉市供暖季供暖侧电量参数变化曲线所示，整个供暖季供暖总耗电量为1146kW·h，其中628.2kW·h来自电网，约占总耗电量的54.8％，522.3kW·h来自蓄电池，约占总耗电量的45.2％。如此，采用前述的控制策略，整个采暖季低碳供暖运行费用为498元，CO2排放量为452.3kg。与传统电采暖系统相比，运行费用降低42.15％，CO2排放量降低45.18％。
以上分别针对该实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的光伏发电规律、热负荷变化规律、升温特性、供能特性、能耗及碳排放的具体分析，展示了图5B对应的该建筑供暖系统的运行结果符合实际情况，可以确定图5B所示的仿真模型可较好模拟实际运行状态；并且，图1A所示的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统具有良好的经济性和低碳性。
如此，本发明实施例的耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统为低碳供暖提出了更优化的技术途径；其供暖控制策略、供电控制策略、建模方法及仿真方法为耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统的设计、优化及评估提供了可靠、便利、高效的仿真工具，为进一步设计和发展光储直柔建筑提供了参考。
在本申请的全文中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的结构要素或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述技术特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它技术特征、整体、步骤或部件及其组群。
可以理解，本领域技术人员可以将本申请全文中提到的一个或多个实施例中提到的特征，以任何适当的方式与其他实施例中的特征进行组合来实施本申请。
注意，前述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (10)

1.一种耦合光伏发电与辐射制热的建筑供暖系统，其特征在于，包括：
光伏阵列、低温辐射电热膜、蓄电池、控制器；
所述光伏阵列用于光伏发电，设置在待供暖建筑的室外；
所述低温辐射电热膜用于辐射制热，设置在待供暖建筑的室内；
所述控制器与所述蓄电池连接，用于控制所述蓄电池为所述低温辐射电热膜提供电能、或控制所述蓄电池储存所述光伏阵列产生的电能；
所述控制器还与所述光伏阵列连接，用于控制所述光伏阵列将吸收的太阳辐射热量转换为电能，并将电能提供给所述蓄电池或市电电网；
所述控制器还与所述低温辐射电热膜连接，控制所述低温辐射电热膜开闭，及在所述低温辐射电热膜开启时，控制所述低温辐射电热膜从所述蓄电池或所述市电电网获取电能。
2.根据权利要求1所述的建筑供暖系统，其特征在于，所述控制器控制所述光伏阵列，具体包括：
当检测到太阳辐射强度大于预设强度值时，控制所述光伏阵列开启，以产生电能；
在检测到所述光伏阵列开启及判断所述蓄电池处于正向所述低温辐射电热膜供电的状态时，控制将所述光伏阵列产生的电能传输至市电电网；
在检测到所述光伏阵列开启及判断所述蓄电池处于未向所述低温辐射电热膜供电的状态、且判断所述蓄电池的荷电状态小于预设上限荷电值时，控制将所述光伏阵列产生的电能向所述蓄电池充电；
在检测到所述光伏阵列开启及判断所述蓄电池的荷电状态不小于预设上限荷电值时，控制将所述光伏阵列产生的电能传输至市电电网。
3.根据权利要求1所述的建筑供暖系统，其特征在于，所述控制器控制所述低温辐射电热膜，具体包括：
在检测到室内人员的人数大于预设人数时，检测室内温度；
在检测到所述室内温度不低于预设温度值时，控制所述低温辐射电热膜处于关闭状态；
在检测到所述室内温度低于所述预设温度值时，控制所述低温辐射电热膜处于开启状态；
在检测到所述低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于谷电时段时，控制由所述市电电网为所述低温辐射电热膜供电；
在检测到所述低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于非谷电时段、且判断所述蓄电池的荷电状态不小于预设下限荷电值时，控制由所述蓄电池为所述低温辐射电热膜供电；
在检测到所述低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于非谷电时段、且判断所述蓄电池的荷电状态小于预设下限荷电值时，控制由所述市电电网为所述低温辐射电热膜供电。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的建筑供暖系统，其特征在于，
所述光伏阵列包括阵列设置的太阳能电池组件；
所述低温辐射电热膜包括新型金属氧化物半导体制热材料层；
所述蓄电池为以下至少一项：储能电池、电动汽车内设置的动力电池；
所述控制器包括供电控制装置、和供暖控制装置，所述供电控制装置用于控制所述光伏阵列，所述供暖控制装置用于控制所述低温辐射电热膜。
5.一种建筑供暖系统的仿真方法，其特征在于，用于如权利要求1至4任一项所述的建筑供暖系统，所述方法包括：
建立低温辐射供暖子系统的仿真模型、供暖控制装置的仿真模型，所述低温辐射供暖子系统的仿真模型设置温度控制量输入端、电量输入端、温度输出端，所述供暖控制装置的仿真模型设置温度控制量输出端、电量需求反馈端；将所述温度控制量输入端与所述温度控制量输出端连接；
建立供电子系统的仿真模型、供电控制装置的仿真模型，所述供电子系统的仿真模型设置电量控制量输入端、电量输出端；所述供电控制装置的仿真模型设置电量控制量输出端；将所述电量控制量输入端与所述电量控制量输出端连接；
将所述供电子系统的仿真模型的电量输出端连接至所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的电量输入端；将所述电量需求反馈端连接至所述电量控制量输入端；
建立环境参数输入单元并设置环境参数输出端，以获取并输出环境参数，其中，所述环境参数包括室外温度、光照强度；建立分时电价输入单元并设置电价参数输出端，以获取及输出分时电价参数；
将所述环境参数输入单元、所述分时电价输入单元，分别与所述供电子系统的仿真模型、所述低温辐射供暖子系统的仿真模型、所述供暖控制装置的仿真模型、所述供电控制装置的仿真模型连接；
建立图形输出与数据输出单元，将所述低温辐射供暖子系统的仿真模型、所述供电子系统的仿真模型、所述环境参数输入单元、所述分时电价单元分别与所述图形输出与数据输出单元连接。
6.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，还包括：
建立经济性计算及低碳性计算单元；
将所述低温辐射供暖子系统的仿真模型的温度输出端、所述供电子系统的仿真模型的电量输出端、所述环境参数输入单元的环境参数输出端、所述分时电价单元的电价参数输出端分别与所述经济性计算及低碳性计算单元的数据输入端连接；
将所述经济性计算及低碳性计算单元的数据输出端与所述图形输出与数据输出单元连接。
7.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述建立低温辐射供暖子系统的仿真模型，包括：
将铺装后的待供暖建筑等效为单一房间，所述单一房间包括：四面墙体、上楼板、下楼板、外窗、外门、室内空气；
分别确定所述四面墙体、上楼板、下楼板各自的热平衡微分方程、所述外窗的热平衡微分方程、所述外门的热平衡微分方程、所述室内空气的热平衡微分方程、所述下楼板设置的电热膜及地板辐射的净辐射热量方程；
将各所述热平衡微分方程、所述净辐射热量方程分别转换为对应的仿真模型，设置所述温度控制量输入端、所述电量输入端、所述温度输出端。
8.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述建立供电子系统的仿真模型，包括：
建立光伏阵列对应的输出电压及输出电流数学方程；
建立为低温辐射电热膜供电的光伏阵列、蓄电池、市电电网的多个电量平衡方程；
将所述光伏阵列、所述蓄电池、所述市电电网、所述低温辐射电热膜的所述多个电量平衡方程分别转换为对应的仿真模型；
根据所述输出电压及输出电流数学方程，建立光伏阵列设置的功率跟踪单元的仿真模型，以跟踪所述光伏阵列的最大功率点；
设置所述电量控制量输入端、所述电量输出端。
9.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述供电控制装置的仿真模型用于执行以下步骤：
当检测到太阳辐射强度大于预设强度值时，控制光伏阵列开启，以产生电能；
在检测到所述光伏阵列开启及判断蓄电池处于正向所述低温辐射电热膜供电的状态时，控制将所述光伏阵列产生的电能传输至市电电网；
在检测到所述光伏阵列开启及判断所述蓄电池处于未向所述低温辐射电热膜供电的状态、且判断所述蓄电池的荷电状态小于预设上限荷电值时，控制将所述光伏阵列产生的电能向所述蓄电池充电；
在检测到所述光伏阵列开启及判断所述蓄电池的荷电状态不小于预设上限荷电值时，控制将所述光伏阵列产生的电能传输至市电电网。
10.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述供电控制装置的仿真模型用于执行以下步骤：
在检测到室内人员的人数大于预设人数时，检测室内温度；
在检测到所述室内温度不低于预设温度值时，控制所述低温辐射电热膜处于关闭状态；
在检测到所述室内温度低于所述预设温度值时，控制所述低温辐射电热膜处于开启状态；
在检测到所述低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于谷电时段时，控制由市电电网为所述低温辐射电热膜供电；
在检测到所述低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于非谷电时段、且判断蓄电池的荷电状态不小于预设下限荷电值时，控制由所述蓄电池为所述低温辐射电热膜供电；
在检测到所述低温辐射电热膜处于开启状态、且检测到当前时间处于非谷电时段、且判断所述蓄电池的荷电状态小于预设下限荷电值时，控制由所述市电电网为所述低温辐射电热膜供电。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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