建環(huán)概論第6章建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配

1、專(zhuān)業(yè)概論建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程龍 恩 深建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)概論第六章建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配第六章 建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配1 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理3 制冷的原理4 建筑熱能的采集原理5 建筑能源的交換原理6 建筑能源的輸配 以人為本是建筑設(shè)計(jì)建造的基本要求。以人為本是建筑設(shè)計(jì)建造的基本要求。 建筑對(duì)能源的需求，從根本上取決于人對(duì)建筑環(huán)建筑對(duì)能源的需求，從根本上取決于人對(duì)建筑環(huán)境、使用功能、居住行為等的要求。境、使用功能、居住行為等的要求。 設(shè)計(jì)師根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉?、資源現(xiàn)狀，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)師根據(jù)當(dāng)?shù)啬茉?、資源現(xiàn)狀，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)各種能源供

2、應(yīng)系統(tǒng)，為居住者提供安全、健康、舒適、各種能源供應(yīng)系統(tǒng)，為居住者提供安全、健康、舒適、方便等服務(wù)，代價(jià)是能源的消耗。方便等服務(wù)，代價(jià)是能源的消耗。 不同的建筑對(duì)能源的需求是不同的，且隨著社會(huì)經(jīng)不同的建筑對(duì)能源的需求是不同的，且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人們生活水平的提高而不斷變化。濟(jì)發(fā)展、人們生活水平的提高而不斷變化。1 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 1.1 建筑能源需求的種類(lèi)舒適類(lèi)舒適類(lèi) 熱環(huán)境控制（空調(diào)、采暖） 濕環(huán)境控制 聲環(huán)境控制 光環(huán)境控制健康安全類(lèi)健康安全類(lèi) 空氣品質(zhì)保證 衛(wèi)生熱水供應(yīng)生活便利類(lèi)生活便利類(lèi)炊事、設(shè)施、交通1 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 1.1 建筑能源需求的種類(lèi)1

3、 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 1.2 建筑溫控能耗的需求1 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 1.3 建筑冷源與熱源的種類(lèi)（1）建筑冷源的種類(lèi)天然冷源天然冷源有天然冰、深井水、深湖水、水庫(kù)的底層水、溫度較低的空氣等。人工冷源 消耗機(jī)械功實(shí)現(xiàn)制冷的冷源 消耗熱能實(shí)現(xiàn)制冷的冷源1 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 1.3 建筑冷源與熱源的種類(lèi)（2）建筑熱源的種類(lèi) 通過(guò)燃料燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能的熱源 采集太陽(yáng)能 采集余熱 電熱轉(zhuǎn)換1 1 建筑能源的需求建筑能源的需求 1.3 建筑冷源與熱源的種類(lèi)（3）建筑冷熱源一體化利用低位能量的熱源熱泵熱泵是從低位熱源處提取熱量并提高溫度后進(jìn)行供熱的裝置；

4、若向低位熱源排放熱量，則可制冷。直燃型冷熱機(jī)組（4）按冷熱量供應(yīng)的集中程度分類(lèi)集中式分散式第六章 建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配1 建筑能源的需求 2 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理建筑熱能的生產(chǎn)原理3 制冷的原理4 建筑熱能的采集原理5 建筑能源的交換原理6 建筑能源的輸配一般是消耗煤炭、石油、天然氣等化石燃料，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為水或蒸汽的熱能，核心設(shè)備是鍋爐。對(duì)于液體和氣體燃料，碳?xì)浠衔锏娜紵磻?yīng)式為： 對(duì)于固體燃料， C+O2=CO2OHnmCOOnmHCnm2224)4(能量轉(zhuǎn)化滿足：能量守恒定律物質(zhì)轉(zhuǎn)化滿足：質(zhì)量守恒定律2 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理建筑熱能的生產(chǎn)原理2.1 能源轉(zhuǎn)化原理

5、鍋爐是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，又將熱能傳遞給水，從而產(chǎn)生一定溫度和壓力的蒸汽或熱水的設(shè)備。 鍋爐及鍋爐房設(shè)備的任務(wù)，在于安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效地把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而將熱能傳遞給水，以生產(chǎn)熱水或蒸汽。 鍋爐隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明而出現(xiàn)和迅速發(fā)展，迄今已有二百余年的歷史。其間，從低級(jí)到高級(jí)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和對(duì)鍋爐容量、參數(shù)要求的不斷提高，鍋爐型式和鍋爐技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。 對(duì)社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)卓著 2 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理建筑熱能的生產(chǎn)原理2.2 鍋爐工作過(guò)程及原理基本構(gòu)造由“汽鍋”和“爐子”兩大部分。2 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理建筑熱能的生產(chǎn)原理2.2 鍋爐工作過(guò)程及原理 鍋爐的工

6、作包括3個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的過(guò)程： 燃料的燃燒過(guò)程 煙氣向水的傳熱過(guò)程 水的受熱升溫（汽化）過(guò)程2 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理建筑熱能的生產(chǎn)原理2.2 鍋爐工作過(guò)程及原理鍋爐熱平衡的公式可寫(xiě)為：鍋爐熱平衡的公式可寫(xiě)為：式中 QrlNm3燃料帶入鍋爐的熱量，kJ/Nm3； Ql鍋爐有效利用熱量，kJ/Nm3； Q2排煙熱損失，kJ/Nm3； Q3化學(xué)不完全燃燒熱損失(或氣體不完全燃燒熱損失)，kJ/Nm3； Q4機(jī)械不完全燃燒熱損失(或固體不完全燃燒熱損失)，kJ/Nm3； Q5散熱損失，kJ/Nm3； Q6灰渣物理熱損失及其他熱損失，kJ/Nm3；2 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理建筑熱能的生產(chǎn)原理2.3 鍋爐

7、的熱效率與熱平衡654321QQQQQQQr第六章 建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配1 建筑能源的需求 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理3 3 制冷制冷的原理的原理4 建筑熱能的采集原理5 建筑能源的交換原理6 建筑能源的輸配日常生活中，衡量冷與熱是以人的體溫及感覺(jué)細(xì)胞為參照。在熱科學(xué)領(lǐng)域，冷與熱是一樣的。3 3 制冷的原理制冷的原理3.1 制冷的理論構(gòu)想熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律開(kāi)爾文表述對(duì)任意之循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)裝置，在只與單一熱庫(kù)交換熱量之情形下，而產(chǎn)生對(duì)外作功之效應(yīng)是不可能的。此為熱機(jī)之觀點(diǎn)，即熱無(wú)法百分之百轉(zhuǎn)為功。可見(jiàn)：鍋爐將高品位化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能直接使用，存在品質(zhì)浪費(fèi)3 3 制冷的原理制冷的原理3.

8、1 制冷的理論構(gòu)想熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律克勞修斯表述對(duì)于任意之循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)裝置，在不輸入功的情形下而自發(fā)性的產(chǎn)生使熱由冷體傳向熱體之效應(yīng)是不可能的，此為冷機(jī)之觀點(diǎn)。T2為制冷對(duì)象3 3 制冷的原理制冷的原理3.1 制冷的理論構(gòu)想41表示制冷劑在蒸發(fā)器中的恒溫吸熱過(guò)程（恒溫冷源）;12表示制冷劑在壓縮機(jī)中的絕熱壓縮升溫過(guò)程;23表示制冷劑在冷凝器中的恒溫放熱過(guò)程（恒溫?zé)嵩矗?34表示制冷劑在膨脹機(jī)中的絕熱膨脹降溫過(guò)程。3 3 制冷的原理制冷的原理3.2 制冷的原理蒸 發(fā) 器被 冷 卻 介 質(zhì)壓 縮 機(jī)膨 脹 機(jī)冷 凝 器冷 卻 介 質(zhì)s(a)(b)q0wcweTk0wcweqkTkq0T034

9、12TT123456逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)在制冷循環(huán)中，制冷劑從被冷卻物體中吸取的熱量（即制冷量）與所消耗的機(jī)械功之比稱(chēng)為制冷系數(shù)制冷系數(shù)，用表示。它是評(píng)價(jià)制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)之一。逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅取決于熱源溫度Tk 和冷源溫度To 。000000TTTqqqwqkkc3 3 制冷的原理制冷的原理3.3 制冷的效率（制冷系數(shù)）第六章 建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配1 建筑能源的需求 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理3 制冷的原理4 4 建筑熱能的采集原理建筑熱能的采集原理5 建筑能源的交換原理6 建筑能源的輸配逆卡諾循環(huán)也可用來(lái)獲得供熱效果，例如冬季將大氣環(huán)境作為低溫?zé)嵩矗瑢⒐岱块g作為高溫?zé)嵩催M(jìn)

10、行供熱。這樣工作的裝置稱(chēng)為熱泵熱泵，也就是向泵那樣把低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移至高位熱源。熱泵的供熱量永遠(yuǎn)大于所消耗的功量，但它是符合能量守恒定律的；熱泵所消耗的功轉(zhuǎn)化為熱并與從低位熱源提取的熱能一起用于供熱了，是綜合利用能源的一種很有價(jià)值的措施。10000ckcwwqwq4 4 建筑熱能的采集原理建筑熱能的采集原理第六章 建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配1 建筑能源的需求 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理3 制冷的原理4 建筑熱能的采集原理5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理6 建筑能源的輸配 生產(chǎn)或采集的冷熱源并非都能直接供給建筑使用，需要轉(zhuǎn)換調(diào)質(zhì)。 在夏季工況和冬季工況下，實(shí)現(xiàn)不同的空氣處理過(guò)程需

11、要不同的空氣處理設(shè)備，如空氣的加熱、冷卻、加濕、減濕設(shè)備等。 根據(jù)各種熱質(zhì)交換設(shè)備的特點(diǎn)不同可將它們分成兩大類(lèi)：混合式熱質(zhì)交換設(shè)備和間壁式熱質(zhì)變換設(shè)備。前者包括噴淋室、蒸汽加濕器、局部補(bǔ)充加濕裝置以及使用液體吸濕劑的裝置等；后者包括各種形式的空氣加熱器及空氣冷卻器等。5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.1 能源交換的必要性與必然性5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.2 接觸式能量交換原理自制干濕球溫度計(jì)用濕毛巾搽臉后，夏天感到?jīng)鏊?、而冬天感到更冷。水膜表層的水蒸氣的分壓力等于大氣壓力（相?duì)濕度100%），它就具有向周?chē)魵鉂舛鹊偷目諝鈹U(kuò)散的動(dòng)力（質(zhì)擴(kuò)散），導(dǎo)致水膜表面

12、的水源源不斷相變蒸發(fā)。5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.2 接觸式能量交換原理h2-h1 = (d2-d1)hw/1000式中 hw液態(tài)水的焓，KJ/kg，hw=4.19tw空氣焓的增量就等于蒸發(fā)的水量所具有的焓。(h2-h1)/(d2-d1)/1000 = hw = 4.19tw時(shí)間足夠長(zhǎng)，出口空氣可達(dá)到飽和狀態(tài)，相對(duì)濕度達(dá)100%，溫度即可認(rèn)為是進(jìn)口狀態(tài)空氣的濕球溫度。 5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.3 間壁式熱交換原理)(2f1fttFK21111hhK傳熱系數(shù)5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.3 間壁式熱交換原理過(guò) 程K/W/(m2K)建筑

13、屋頂0.21建筑外墻0.51.5建筑外窗1.04.0內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)1.53.0從氣體到氣體（常壓）1030從氣體到高壓水蒸氣或水10100從油到水100600從凝結(jié)有機(jī)物蒸氣到水5001000從水到水10002500從凝結(jié)水蒸氣到水20006000傳熱系數(shù)的大致數(shù)值范圍5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.4 建筑節(jié)能與傳熱強(qiáng)化（1）被動(dòng)式建筑節(jié)能原理遏止和盡量弱化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的熱量交換。 降低室內(nèi)外的溫差T 降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積F 降低傳熱系數(shù)K減弱內(nèi)外側(cè)換熱不是主要矛盾。增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度。減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)熱系數(shù)。)(2f1fttFK21111hhK5 5 建筑能源的交換原理建筑能

14、源的交換原理5.4 建筑節(jié)能與傳熱強(qiáng)化（2）主動(dòng)式建筑節(jié)能原理（傳熱強(qiáng)化） 增大 增大壁面材料 減小壁面厚度通過(guò)上述分析，不難引申出以下三點(diǎn)：K提高了就意味著換熱器效率大大提高；K提高就意味著換熱器的材料減少，空間體積更小；K值提高意味著需要的兩側(cè)流體的溫差T可以大大降低。5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.4 建筑節(jié)能與傳熱強(qiáng)化（2）被動(dòng)式與主動(dòng)式建筑節(jié)能的外延所謂的被動(dòng)式建筑節(jié)能，我們?cè)趲讉€(gè)方面處于被動(dòng)：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積取決于建筑設(shè)計(jì)本身，不能隨心所欲地進(jìn)行減??；對(duì)于室外氣溫主要取決于室外氣象，室內(nèi)溫度則由人的舒適性決定，冷熱兩側(cè)的溫差T也不能隨心所欲地減?。ㄖ辽偈芟藓艽螅?；圍護(hù)

15、結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的換熱系數(shù)（空氣流速）也主要取決于室內(nèi)外氣象條件，通過(guò)主動(dòng)干預(yù)使其有利于降低K值的可能性小；被動(dòng)式建筑節(jié)能很大程度上只能依靠減小建材導(dǎo)熱系數(shù)、增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度等措施弱化傳熱過(guò)程，達(dá)到建筑節(jié)能的目的，并受制于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間布局。5 5 建筑能源的交換原理建筑能源的交換原理5.4 建筑節(jié)能與傳熱強(qiáng)化（2）被動(dòng)式與主動(dòng)式建筑節(jié)能的外延所謂的主動(dòng)式建筑節(jié)能，我們?cè)趲讉€(gè)方面處于主動(dòng)：根據(jù)設(shè)計(jì)和工程的需要，換熱器的面積F可以隨心所欲地進(jìn)行增減；冷熱流體兩側(cè)的溫差T大多可根據(jù)需要隨心所欲地增加；為強(qiáng)化傳熱表面兩側(cè)的換熱系數(shù)（介質(zhì)流速）可以通過(guò)主動(dòng)干預(yù)使其有利于增大K值的方向優(yōu)化；可以隨意增大壁面導(dǎo)

16、熱系數(shù)、減小壁面厚度等措施強(qiáng)化傳熱過(guò)程，達(dá)到建筑節(jié)能及提高效率等目的，不受制于換熱器的空間布局。第六章 建筑能源的需求、生產(chǎn)、調(diào)質(zhì)與輸配1 建筑能源的需求 2 建筑熱能的生產(chǎn)原理3 制冷的原理4 建筑熱能的采集原理5 建筑能源的交換原理6 6 建筑能源的輸配建筑能源的輸配（1）建筑電氣的分類(lèi)1）強(qiáng)電系統(tǒng)強(qiáng)電系統(tǒng)主要包括建筑電工電氣和建筑照明產(chǎn)品。建筑電工電氣包括供配變電設(shè)備、高低壓電源電器開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)柜電箱，插座、斷路器、接觸器、電容器、啟動(dòng)器、室內(nèi)外配電器、電流電壓互感器、電氣節(jié)能改造裝置、電氣防火，變換器、各類(lèi)儀器儀表、建筑電氣系統(tǒng)集成；建筑照明產(chǎn)品包括指示燈、光源、燈具燈飾、照明配件、照明

17、電工產(chǎn)品、照明器材、調(diào)光設(shè)備、智能照明控制系統(tǒng)。2）弱電系統(tǒng)弱電系統(tǒng)主要包括建筑綜合布線系統(tǒng)、建筑安防與消防系統(tǒng)、建筑通信自動(dòng)化系統(tǒng)、公用設(shè)施的自控系統(tǒng)等。6 6 建筑能源的輸配建筑能源的輸配6.1 電能輸配（2）供配電方式 供配電方式是指電源與電力用戶之間的接線方式。具體有以下幾種方式：(1)放射式 (2)樹(shù)干式(3)環(huán)式 (4)格網(wǎng)式格網(wǎng)式6 6 建筑能源的輸配建筑能源的輸配6.1 電能輸配（3）低壓系統(tǒng)的配電電壓及供電線路交流電壓交流電壓的的選擇選擇交流動(dòng)力電源電壓一般選用380V220 V；交流控制回路電源電壓一般選用380 V220 V直流電壓直流電壓的的選擇選擇直流動(dòng)力電源電壓一般

18、選用220 V。直流系統(tǒng)控制電源電壓一般選用12220 V低壓低壓供電線路供電線路低壓供電線路包括低壓電源引入及電源主接線等。6 6 建筑能源的輸配建筑能源的輸配6.1 電能輸配（4）建筑供配電系統(tǒng)的構(gòu)成建筑供配電系統(tǒng)由配電線路、配（變）電室和用電設(shè)備組成。系統(tǒng)可分為一次部分（變換和傳輸電能）和二次部分（用于監(jiān)測(cè)、保護(hù)、計(jì)量及控制）。一次部分又稱(chēng)一次回路，其設(shè)備叫做一次設(shè)備（如變壓器、發(fā)電機(jī)、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、熔斷器、電力線路、互感器、避雷器、無(wú)功補(bǔ)償裝置等）。二次部分又稱(chēng)二次回路，其設(shè)備叫做二次設(shè)備（如測(cè)量?jī)x表、保護(hù)裝置、繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置、開(kāi)關(guān)控制裝置、操作電源、控制電源等）。6 6 建筑能源的輸配建筑能源的輸配6.1 電能輸配這里的冷熱源，是攜指帶冷量或熱量的流體，所以也可泛指流體輸