建筑物復合能量系統(tǒng)集成建模的策略研究及在設計層面的實現(xiàn) - 沒有幻燈.ppt

建筑物復合能量系統(tǒng)集成建模的策略研究及在設計層面的實現(xiàn) 答辯人胡文斌指導教師華賁教授二 二年六月 華南理工大學工學博士學位論文 本課題是國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目高效節(jié)能的關鍵科學問題針對節(jié)能技術的重大需求領域建筑物中的研究屬于能量利用系統(tǒng)的研究范疇 1 我國建筑能耗現(xiàn)狀 1 我國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)達國家相比 我國單位建筑面積的采暖能耗為他們的3倍左右 3 空調住宅能耗約為一般住宅能耗的6 7倍 住宅面積迅速增長 年增長率10億m2 九五期間增加55億m2 2020年將達500億m2 能耗需求劇增 一 我國建筑能耗現(xiàn)狀與研究現(xiàn)狀 建筑節(jié)能是國民經濟發(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)能加強圍護結構的隔熱保溫性能 2 設備系統(tǒng)的節(jié)能提高設備系統(tǒng)的效率 大力挖掘可再生能源 3 物業(yè)設施管理新興的物業(yè)管理公司 物業(yè)管理法規(guī)的不斷完善 4 投資核算與技術經濟比較概預算與技術經濟核算 一 我國建筑能耗現(xiàn)狀與研究現(xiàn)狀 帆船運輸 人工運輸 臨時架橋 AllRightsReserved 2002 帆船運輸 帆船運輸 建筑節(jié)能中的 孤島 效應 1 給定有用能單價下 圍護結構的優(yōu)化設計2 考慮多能源構成和熱電冷聯(lián)產技術 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 有用能單價與圍護結構用能優(yōu)化權衡的多次迭代 二 本論文的對策 整體優(yōu)化 三 本論文研究技術路線 整體策略 框圖與模型 設計層面實施 1 建筑物復合能量系統(tǒng)多層次集成建模的內涵 1 系統(tǒng)多層次建模是基于設計 運行 控制三層次和技術與管理兩個方面的集成建模 2 三層次的劃分基于時間角度 設計貫穿系統(tǒng)的壽命周期 運行是針對季節(jié) 晝夜天候變化而采取優(yōu)化用能措施 控制則是實時變化條件下的優(yōu)化操作 它涉及到系統(tǒng)在時 分 秒時間尺度上的運行和管理 3 集成建模研究工作的關鍵是三個層次模型之間集成關系的揭示和描述 四 總體策略 2 集成建模策略實施的四個模型 1 組元的物理模型描述組元靜 動態(tài)運行特性 是建筑物復合能量系統(tǒng)集成建模的基礎 2 流結構模型描述組元在不同時間尺度上的聯(lián)結關系 3 功能層次模型建立在組元與流結構定量描述的基礎上對系統(tǒng)不同層次聯(lián)結關系的描述 4 軟件開發(fā)模型集成策略的軟件開發(fā)模式 四 總體策略 3 集成建模策略的層次結構描述 四 總體策略 五 模型描述 組元的物理模型 如何描述 紛繁復雜的建筑物能量系統(tǒng) 共同的組元結構 提煉 具體的系統(tǒng) 抽象的組元 物質 能量 資金 信息 備件 人件 組元面向對象描述 組元OMT描述 描述方法 描述 五 模型描述 組元的物理模型 實例解釋 ENTITY Buildingiscomposedof SETOFEnvelopecontains SETOFSpaceENDENTITY ENTITY Spaceiscomposedof SETOFSurfaceENDENTITY ENTITY Surfacehasareaof REALiscomposedof SETOFLineissurfaceof Envelopeisfaceof SpaceENDENTITY 實例解釋 實例解釋 流是指在組元之間發(fā)生 并把組元聯(lián)結起來 構成有一定功能 一定目標 一定結構的 具有流動和傳遞特性的客體 1 物流能流的載體 2 能流描述能量轉換 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 運行能耗 4 信息流貫穿于三層次 設計層為信息交換 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 流結構模型 組元1 組元2 組元n 設計層次的流聯(lián)結 組元1 組元2 組元n 運行層次的流聯(lián)結 組元1 組元2 組元n 控制層次的流聯(lián)結 設定的外界條件 實時的外界條件季節(jié)晝夜 實時的外界條件時分秒 科學決策 優(yōu)化運營 快速反應 六 模型描述 流結構模型 建筑物復合能量系統(tǒng)的能流網絡圖 1 能源層常規(guī)能源和可再生能源 2 能源轉換層實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換系統(tǒng) 3 用戶層圍護結構用能子系統(tǒng) 消耗能源 獲取有用能 包括電能 空調冷量 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 流結構模型 夜間通風與機械混合通風Cambridge UK 墻體蓄冷與蒸發(fā)冷卻California USA 太陽能吸附除濕制冷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)能流網絡圖的重要意義 1 供各種終端用能選擇最優(yōu) 最有競爭力的技術方案和相應的輔助方案 2 能流網絡圖是對建筑物復合能量系統(tǒng)能流結構的一種宏觀描述 六 模型描述 流結構模型 宏觀 子系統(tǒng) 七 集成建模策略在設計層面的實施 圍護結構的并行優(yōu)化設計 傳統(tǒng)圍護結構設計模式 弊端總結 用戶需求 建筑設計 結構設計 設備設計 概預算 圖傳統(tǒng)的壘墻式 Overthewall 圍護結構設計模式 圍護結構用能子系統(tǒng)的并行設計矩陣表 七 集成建模策略在設計層面的實施 圍護結構的并行優(yōu)化設計 集成建模策略在設計層面的實施 圍護結構的并行優(yōu)化設計 圍護結構并行設計的集成策略 圍護結構用能子系統(tǒng)的并行設計協(xié)調方式 1 圍護結構自身的協(xié)同優(yōu)化定義各元活動公共的元對象為全局設計變量 元活動的協(xié)同就是調整全局設計變量 2 圍護結構用能子系統(tǒng)與分布式熱電冷聯(lián)產子系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化圍護結構與能源轉換系統(tǒng)的優(yōu)化之間存在多次迭代 即協(xié)同優(yōu)化 七 集成建模策略在設計層面的實施 圍護結構的并行優(yōu)化設計 七 集成建模策略在設計層面的實施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設計 傳統(tǒng)方式 聯(lián)產方式 七 集成建模策略在設計層面的實施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設計 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 設備的小型 微型化 3 熱電冷聯(lián)產化 全能量系統(tǒng) 4 網絡化 低壓聯(lián)網 就近支援 實現(xiàn)能源互聯(lián) 6 智能化控制和信息化管理 7 電力 熱力 燃氣和環(huán)境的整體優(yōu)化 七 集成建模策略在設計層面的實施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設計 互聯(lián)的分布式建筑物能量系統(tǒng) 并網 燃料電池 風力發(fā)電 光伏發(fā)電 小型燃機 小型燃機 主電廠 調峰電廠 微型燃機 逆變器 分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化設計1 系統(tǒng)結構的選擇單獨的三聯(lián)產 聯(lián)產 蓄冷 2 設備容量的確定燃機容量 全蓄冷 部分蓄冷 3 系統(tǒng)的運行策略 1 燃機的運行策略 以熱定電 以電定熱 補燃以及上網競價 2 蓄冷系統(tǒng)的運行策略 主機優(yōu)先 蓄冷優(yōu)先以及優(yōu)化控制 七 集成建模策略在設計層面的實施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設計 各運行策略的技術經濟模型 1 初投資 2 運行費用 3 環(huán)境治理費用其火用經濟平衡關系式為 七 集成建模策略在設計層面的實施 分布式建筑物能量系統(tǒng)及其優(yōu)化設計 原型軟件開發(fā)流程1 能量需求系統(tǒng)的優(yōu)化設計2 分布式熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化設計3 可再生能源利用系統(tǒng)的優(yōu)化4 圍護結構用能子系統(tǒng)與能源轉換子系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化5 投資核算與能量需求供應匯總 七 集成建模策略在設計層面的實施 軟件開發(fā)流程與構件化開發(fā)模式 圖DeST與BCESO之間基于STEP數據庫的信息交換 注冊ODBC數據源 SQL數據庫查詢 Access數據庫STEP結構 DeST部分界面 BCESO部分界面 實例解釋 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 實例解釋 七 集成建模策略在設計層面的實施 軟件開發(fā)流程與構件化開發(fā)模式 1 工程概況地點 廣州幾何參數信息 2 優(yōu)化目的在圍護結構和能源轉換系統(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 集成建模策略在設計層面的實施 案例分析 七 集成建模策略在設計層面的實施 案例分析 結論分析 1 對建筑物復合能量系統(tǒng)的優(yōu)化設計 當能源供給方案改變后 圍護結構的設計方案需要重新考慮 2 在較低的能源價格下 適當降低圍護結構的隔熱保溫性能仍可能取得較好的經濟效益 當能源價格提高后 加強圍護結構的隔熱保溫性能無疑可以提高經濟效益 3 在聯(lián)產模式下 由于各種圍護結構方案會產生不同的建筑物用能需求 聯(lián)產方案存在優(yōu)化必要 八 工作創(chuàng)新點總結 1 從總體高度 總結了建筑物復合能量系統(tǒng)集成建模的策略基于四種結構 組元物理結構 流結構 功能層次結構和軟件開發(fā)結構 2 結合能流三環(huán)節(jié)方法和建筑物復合能量系統(tǒng)的能流網絡圖 闡述了設計層面的集成建?？蚣?三個子系統(tǒng)的權衡迭代 3 給出設計層面軟件流程圖 并開發(fā)出相應的原型軟件 九 研究展望 1 深化集成策略 實現(xiàn)圍護結構用能優(yōu)化 熱