建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)集成建模的策略研究及在設(shè)計(jì)層面的實(shí)現(xiàn) - 沒(méi)有幻燈.ppt

建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)集成建模的策略研究及在設(shè)計(jì)層面的實(shí)現(xiàn) 答辯人胡文斌指導(dǎo)教師華賁教授二 二年六月 華南理工大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文 本課題是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目高效節(jié)能的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題針對(duì)節(jié)能技術(shù)的重大需求領(lǐng)域建筑物中的研究屬于能量利用系統(tǒng)的研究范疇 1 我國(guó)建筑能耗現(xiàn)狀 1 我國(guó)建筑物耗能約占總能耗的10 左右 右圖反映了各部分能耗所占比重 2 與同氣候條件的發(fā)達(dá)國(guó)家相比 我國(guó)單位建筑面積的采暖能耗為他們的3倍左右 3 空調(diào)住宅能耗約為一般住宅能耗的6 7倍 住宅面積迅速增長(zhǎng) 年增長(zhǎng)率10億m2 九五期間增加55億m2 2020年將達(dá)500億m2 能耗需求劇增 一 我國(guó)建筑能耗現(xiàn)狀與研究現(xiàn)狀 建筑節(jié)能是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求 2 建筑節(jié)能的研究現(xiàn)狀 1 建筑主體節(jié)能加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能 2 設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能提高設(shè)備系統(tǒng)的效率 大力挖掘可再生能源 3 物業(yè)設(shè)施管理新興的物業(yè)管理公司 物業(yè)管理法規(guī)的不斷完善 4 投資核算與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較概預(yù)算與技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算 一 我國(guó)建筑能耗現(xiàn)狀與研究現(xiàn)狀 帆船運(yùn)輸 人工運(yùn)輸 臨時(shí)架橋 AllRightsReserved 2002 帆船運(yùn)輸 帆船運(yùn)輸 建筑節(jié)能中的 孤島 效應(yīng) 1 給定有用能單價(jià)下 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)2 考慮多能源構(gòu)成和熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù) 降低建筑物用能成本3 可再生能源利用系統(tǒng)的優(yōu)化 降低建筑物用能成本 4 有用能單價(jià)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能優(yōu)化權(quán)衡的多次迭代 二 本論文的對(duì)策 整體優(yōu)化 三 本論文研究技術(shù)路線 整體策略 框圖與模型 設(shè)計(jì)層面實(shí)施 1 建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)多層次集成建模的內(nèi)涵 1 系統(tǒng)多層次建模是基于設(shè)計(jì) 運(yùn)行 控制三層次和技術(shù)與管理兩個(gè)方面的集成建模 2 三層次的劃分基于時(shí)間角度 設(shè)計(jì)貫穿系統(tǒng)的壽命周期 運(yùn)行是針對(duì)季節(jié) 晝夜天候變化而采取優(yōu)化用能措施 控制則是實(shí)時(shí)變化條件下的優(yōu)化操作 它涉及到系統(tǒng)在時(shí) 分 秒時(shí)間尺度上的運(yùn)行和管理 3 集成建模研究工作的關(guān)鍵是三個(gè)層次模型之間集成關(guān)系的揭示和描述 四 總體策略 2 集成建模策略實(shí)施的四個(gè)模型 1 組元的物理模型描述組元靜 動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性 是建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)集成建模的基礎(chǔ) 2 流結(jié)構(gòu)模型描述組元在不同時(shí)間尺度上的聯(lián)結(jié)關(guān)系 3 功能層次模型建立在組元與流結(jié)構(gòu)定量描述的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)不同層次聯(lián)結(jié)關(guān)系的描述 4 軟件開(kāi)發(fā)模型集成策略的軟件開(kāi)發(fā)模式 四 總體策略 3 集成建模策略的層次結(jié)構(gòu)描述 四 總體策略 五 模型描述 組元的物理模型 如何描述 紛繁復(fù)雜的建筑物能量系統(tǒng) 共同的組元結(jié)構(gòu) 提煉 具體的系統(tǒng) 抽象的組元 物質(zhì) 能量 資金 信息 備件 人件 組元面向?qū)ο竺枋?組元OMT描述 描述方法 描述 五 模型描述 組元的物理模型 實(shí)例解釋 ENTITY Buildingiscomposedof SETOFEnvelopecontains SETOFSpaceENDENTITY ENTITY Spaceiscomposedof SETOFSurfaceENDENTITY ENTITY Surfacehasareaof REALiscomposedof SETOFLineissurfaceof Envelopeisfaceof SpaceENDENTITY 實(shí)例解釋 實(shí)例解釋 流是指在組元之間發(fā)生 并把組元聯(lián)結(jié)起來(lái) 構(gòu)成有一定功能 一定目標(biāo) 一定結(jié)構(gòu)的 具有流動(dòng)和傳遞特性的客體 1 物流能流的載體 2 能流描述能量轉(zhuǎn)換 利用和回收中的普遍規(guī)律 3 資金流依附于前兩者 如資金投入 運(yùn)行能耗 4 信息流貫穿于三層次 設(shè)計(jì)層為信息交換 5 人件流涉及控制管理層次 6 備件流涉及控制管理層次 六 模型描述 流結(jié)構(gòu)模型 組元1 組元2 組元n 設(shè)計(jì)層次的流聯(lián)結(jié) 組元1 組元2 組元n 運(yùn)行層次的流聯(lián)結(jié) 組元1 組元2 組元n 控制層次的流聯(lián)結(jié) 設(shè)定的外界條件 實(shí)時(shí)的外界條件季節(jié)晝夜 實(shí)時(shí)的外界條件時(shí)分秒 科學(xué)決策 優(yōu)化運(yùn)營(yíng) 快速反應(yīng) 六 模型描述 流結(jié)構(gòu)模型 建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)的能流網(wǎng)絡(luò)圖 1 能源層常規(guī)能源和可再生能源 2 能源轉(zhuǎn)換層實(shí)線所示的為分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng) 虛線所示的為可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 3 用戶層圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能子系統(tǒng) 消耗能源 獲取有用能 包括電能 空調(diào)冷量 采暖熱量 生活用熱等 4 約束層約束層研究影響各種有用能需求量的因素 六 模型描述 流結(jié)構(gòu)模型 夜間通風(fēng)與機(jī)械混合通風(fēng)Cambridge UK 墻體蓄冷與蒸發(fā)冷卻California USA 太陽(yáng)能吸附除濕制冷Stockholm Sweden 地源熱泵Schwerzenbach Switzerland 可再生能源利用示范工程 摘自IEAAnnex 分布式建筑物能量系統(tǒng)能流網(wǎng)絡(luò)圖的重要意義 1 供各種終端用能選擇最優(yōu) 最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)方案和相應(yīng)的輔助方案 2 能流網(wǎng)絡(luò)圖是對(duì)建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)能流結(jié)構(gòu)的一種宏觀描述 六 模型描述 流結(jié)構(gòu)模型 宏觀 子系統(tǒng) 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式 弊端總結(jié) 用戶需求 建筑設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)備設(shè)計(jì) 概預(yù)算 圖傳統(tǒng)的壘墻式 Overthewall 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式 圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能子系統(tǒng)的并行設(shè)計(jì)矩陣表 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化設(shè)計(jì) 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化設(shè)計(jì) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)的集成策略 圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能子系統(tǒng)的并行設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)方式 1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的協(xié)同優(yōu)化定義各元活動(dòng)公共的元對(duì)象為全局設(shè)計(jì)變量 元活動(dòng)的協(xié)同就是調(diào)整全局設(shè)計(jì)變量 2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能子系統(tǒng)與分布式熱電冷聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)與能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)化之間存在多次迭代 即協(xié)同優(yōu)化 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化設(shè)計(jì) 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)方式 聯(lián)產(chǎn)方式 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì) 分布式建筑物能量系統(tǒng)的特征 1 能源多元化 氣態(tài)燃料為主 可再生能源為輔 2 設(shè)備的小型 微型化 3 熱電冷聯(lián)產(chǎn)化 全能量系統(tǒng) 4 網(wǎng)絡(luò)化 低壓聯(lián)網(wǎng) 就近支援 實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián) 6 智能化控制和信息化管理 7 電力 熱力 燃?xì)夂铜h(huán)境的整體優(yōu)化 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì) 互聯(lián)的分布式建筑物能量系統(tǒng) 并網(wǎng) 燃料電池 風(fēng)力發(fā)電 光伏發(fā)電 小型燃機(jī) 小型燃機(jī) 主電廠 調(diào)峰電廠 微型燃機(jī) 逆變器 分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇單獨(dú)的三聯(lián)產(chǎn) 聯(lián)產(chǎn) 蓄冷 2 設(shè)備容量的確定燃機(jī)容量 全蓄冷 部分蓄冷 3 系統(tǒng)的運(yùn)行策略 1 燃機(jī)的運(yùn)行策略 以熱定電 以電定熱 補(bǔ)燃以及上網(wǎng)競(jìng)價(jià) 2 蓄冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略 主機(jī)優(yōu)先 蓄冷優(yōu)先以及優(yōu)化控制 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì) 各運(yùn)行策略的技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型 1 初投資 2 運(yùn)行費(fèi)用 3 環(huán)境治理費(fèi)用其火用經(jīng)濟(jì)平衡關(guān)系式為 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設(shè)計(jì) 原型軟件開(kāi)發(fā)流程1 能量需求系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)2 分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)3 可再生能源利用系統(tǒng)的優(yōu)化4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能子系統(tǒng)與能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化5 投資核算與能量需求供應(yīng)匯總 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 軟件開(kāi)發(fā)流程與構(gòu)件化開(kāi)發(fā)模式 圖DeST與BCESO之間基于STEP數(shù)據(jù)庫(kù)的信息交換 注冊(cè)O(shè)DBC數(shù)據(jù)源 SQL數(shù)據(jù)庫(kù)查詢 Access數(shù)據(jù)庫(kù)STEP結(jié)構(gòu) DeST部分界面 BCESO部分界面 實(shí)例解釋 圖建筑能量系統(tǒng)優(yōu)化軟件包界面示例 圖分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化界面示例 實(shí)例解釋 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 軟件開(kāi)發(fā)流程與構(gòu)件化開(kāi)發(fā)模式 1 工程概況地點(diǎn) 廣州幾何參數(shù)信息 2 優(yōu)化目的在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化下尋找最佳的幕墻材料方案五種幕墻材料方案 1 單片白玻 A 2 白玻中空玻璃 B 3 單片熱反射鍍膜玻璃 C 4 熱反射鍍膜中空玻璃 D 5 LOW E中空玻璃 E 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 案例分析 七 集成建模策略在設(shè)計(jì)層面的實(shí)施 案例分析 結(jié)論分析 1 對(duì)建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 當(dāng)能源供給方案改變后 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案需要重新考慮 2 在較低的能源價(jià)格下 適當(dāng)降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能仍可能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益 當(dāng)能源價(jià)格提高后 加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能無(wú)疑可以提高經(jīng)濟(jì)效益 3 在聯(lián)產(chǎn)模式下 由于各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案會(huì)產(chǎn)生不同的建筑物用能需求 聯(lián)產(chǎn)方案存在優(yōu)化必要 八 工作創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié) 1 從總體高度 總結(jié)了建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)集成建模的策略基于四種結(jié)構(gòu) 組元物理結(jié)構(gòu) 流結(jié)構(gòu) 功能層次結(jié)構(gòu)和軟件開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu) 2 結(jié)合能流三環(huán)節(jié)方法和建筑物復(fù)合能量系統(tǒng)的能流網(wǎng)絡(luò)圖 闡述了設(shè)計(jì)層面的集成建?？蚣?三個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)衡迭代 3 給出設(shè)計(jì)層面軟件流程圖 并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的原型軟件 九 研究展望 1 深化集成策略 實(shí)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)用能優(yōu)化 熱