（控制理论与控制工程专业论文）面向能源管理的大型公共建筑节能监测系统.pdf

川u lt iii i i iii i ii i i iiii y 17 616 0 3 e n e r g yc o n s e r 、後t i o ns u p e r v i s i o n syst e mfo r e n e r g ym a n a g e m e n t i nl a r g ep u bl i cb u i l d i n gs at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y c r a n s u p e r v i s e db y p r o f m ax u - d o n g s c h o o lo f a u t o m a t i o n so u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 研究生签名：事丝l 日期： 的研究成 经发表或 用过的材 并表示了 护c p 够。6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包 括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 系统 测为目的的 筑节能发展 计量的楼宇 为实现大型公共建筑的节能监测，设计并实现了基于无线传感器网络的能效监测系统 和基于a r m 嵌入式平台的能耗计量系统。能效监测系统采用c r o s s b o w 的m i c a z 节点作为 硬件平台，使用u cb e r k e l e y 的t i n y o s 微操作系统进行节点程序开发，实现了对温度、湿 度和光亮度等环境变量的监测。能耗计量系统采用基于$ 3 c 2 4 1 0 的信息集中器和基于 l p c 2 1 3 1 的电量采集终端对能耗设备的用电量进行分项计量。通过对环境量和用电量的综 合监测，分析建筑的用能效果和能耗特点，优化能耗系统的运行，降低建筑的能耗水平并 提高系统能效。 论文首先论述了建筑节能研究的现状以及大型公共建筑的能耗特点，然后根据建筑能 源管理的需要，以空调系统和照明系统这两个主要的建筑能耗系统为监测对象，在能效监 测和能耗计量的基础上形成了整个建筑的楼宇能源管理系统。详细论述了楼宇能源管理系 统的整体设计方案和各个子系统软硬件开发过程中涉及到的t m y o s 组件编程、无线传感器 网络通信、a r m 嵌入式系统设计等关键技术的原理和开发方法，并给出n e t 架构下使用 w p f 和l i n q 实现能源管理软件开发的过程。 关键词：楼宇能源管理系统；无线传感器网络；嵌入式系统；t m y o s ；n e t b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , e s p e c i a l l yt h el a r g ep u b l i cb u i l d i n g s ，h a sa r o u s e dw i d e s p e a d c o n c e r n b u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m 、 ，i t l lt h ep u r p o s eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n s u p e r v i s i o nh a sb e e nan e w t r e n do fg r e e nb u i l d i n ga n di n t e l l i g e n tb u i l d i n g w i mt h ea p p l i c a t i o n b a c k g r o u n do fl a r g ep u b l i cb u i l d i n g s ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb u i l d i n ge n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ne n e r g ye f f i c i e n c ym o m i t o r i n ga n de n e r g yc o m s u p t i o nm e a s u r e m e n t i sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t op e r f o r me n e r g yc o n s e r v a t i o ns u p e r v i s i o ni nl a r g ep u b l i cb u i l d i n g s ，a ne n e r g ye f f i c i e n c y m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n da ne n e r g yc o n s u m p t i o nm e t e r i n gs y s t e m b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d i nt h e e n e r g ye f f i c i e n c y m o n i t o r i n gs y s t e m ，m i c a zm o t ef r o mc r o s s b o wa n dt i n y o sf r o mu cb e r k e l e ya r eu s e dt o d e v e l o pt h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kf o re n v i r o n m e n tp e r c e p t i o n t h ee n e r g yc o n s u m p t i o n m e t e r i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e db yt h ec o n c e n t r a t o rb a s e do ns 3 c 2 4 10a n dt h ec o l l e c t o rb a s e do n l p c 2131f o re n e r g ym e a s u r e m e n t t h r o u g ht h e i n t e g r a t e dm o n i t o r i n go ft h ee n v i r o n m e n t v a r i a b l e sa n dp o w e rc o n s u m p t i o n , t h eb u i l d i n ge n e r g y u s i n ge f f e c t sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e d ，t h eo p e r a t i o no fe n e r g ys y s t e mi so p t i m i z e dt or e d u c eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n d i m p r o v es y s t e me n e r g ye f f i c i e n c y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h er e s e a r c ho f b u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e n e r g yc o n s u m p t i o ni nl a r g ep u b l i cb u i l d i n g sa r ef i r s t l yd i s c u s s e d t h e no nt h en e e do fb u i l d i n g e n e r g ym a n a g e m e n t , t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt h el i g h t i n gs y s t e ma r em o u i t o r e d b a s e do n e n e r g ye f f i c i e n c ym o n i t o r i n ga n de n e r g ye o m s u p t i o nm e a s u r e m e n t ，t h eb u i l d i n ge n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e mi sf o r m e d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fb e m sa n di t ss u b s y s t e m sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ec o m p o n e n t - b a s e dp r o g r a m m i n gi n t i n y o s ，c o m m u n i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , d e s i g no fa r me m b e d d e ds y s t e m f i n a l l y , t h ed e v e l o p m e n to f e n e r g ym a n a g e m e n ts o f t w a r eu s i n gw p fa n dl i n qi n n e tf r a m e w o r ki s a l s oi n t r o d u c e d k e y w o r d s ：b u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；e m b e d d e ds y s t e m ； t i n y o s ；n e t n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ：【：【 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 1 1 建筑分类及其能耗1 1 1 2 建筑节能的意义2 1 2 公共建筑节能研究2 1 2 1 国内大型公共建筑能耗状况2 1 2 2 国外建筑节能研究4 1 2 3 国内建筑节能研究5 1 3 楼宇能源管理系统7 1 4 研究内容和论文结构8 第二章楼宇能源管理系统及其方案设计9 2 1 楼宇能源管理系统研究9 2 1 1 楼宇能源管理的发展9 2 1 2 楼宇能源管理系统的特点与功能1 0 2 2 楼宇能源管理系统方案设计1 1 2 2 1 需求分析1 1 2 2 2 系统架构1 2 2 3 能效监测方案1 5 2 3 1 楼宇内信息传输的特殊性1 5 2 3 2 能效监测系统1 5 2 3 3 监测点的选择1 9 2 4 能耗计量方案2 0 2 5 本章小结2 2 第三章基于无线传感器网络的能效监测系统开发2 3 3 1 无线传感器网络及其嵌入式操作系统2 3 3 1 1 无线传感器网络及其发展2 3 3 1 2 无线传感器网络的操作系统2 4 3 2 基于t i n y o s 操作系统的监测网络实现2 5 3 2 1t i n y o s 与n e s c 2 5 3 2 2 节点和网关程序开发2 6 3 2 3 系统事件与能量管理2 8 3 3 网络节点的通信3 0 3 3 1 主动消息概述3 0 3 3 2 主动通信的缓存管理3 0 3 3 3 主动消息的显式确认3 0 3 4 网络接口开发3 1 3 4 1 网关数据包3 l 3 4 2 系统消息解析3 1 3 5 本章小结3 4 第四章能耗计量系统设计与开发3 5 m 目录 4 1 通信方式3 5 4 1 1r s 一4 8 5 总线3 5 4 1 2 以太网通信j 3 5 4 2 能耗信息集中器开发与实现3 6 4 2 1 能耗信息集中器的功能需求3 6 4 2 2 能耗信息集中器硬件设计3 6 4 2 3 能耗信息集中器软件设计3 8 4 3 电量采集终端设计与开发4 1 4 3 1 功能需求及开发平台4 l 4 3 2 电量采集终端整体设计4 2 4 4 本章小结4 3 第五章能源管理软件开发4 4 5 1 n e tf r a m e w o r k 开发平台4 4 5 1 1 开发平台的选择j 4 4 5 1 2 n e tf r a m e w o r k 平台的优势4 4 5 2 能源管理系统软件结构4 6 5 2 1 软件模块和功能4 6 5 2 2 系统开发和实现4 7 5 3 能源数据库及其访问4 9 5 3 1 系统数据流模型4 9 5 3 2 数据库的选择4 9 5 3 3 数据库访问5 0 5 4 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 致谢5 4 参考文献5 5 附录一作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 i v 第一章绪论 第一章绪论 能源历来是可持续发展问题中的一个重要主题。降低能源消耗，创建节约型社会是全世 界的共同课题。建筑能耗在社会总能耗中占很大的比例。建筑能耗特别是大型公共建筑的 能耗问题引起了广泛关注。 1 1 研究背景和意义 能源问题一直世界各国普遍关心的问题。2 0 0 9 年末在丹麦首都哥本哈根召开的世界气 候大会( c o p l 5 ) 上世界各国就节能减排问题进行了新一轮的激烈商讨。节约能源是社会 经济可持续发展战略的需要，是减少污染、保护环境、造福人类、改善人民居住条件的需 要。随着各国工业化进程的发展，地球上可供人类利用的石油、煤炭、天然气等燃料资源 日渐枯竭，能源危机的总趋势不可避免。随着世界经济的飞速发展，人类活动所需的各种 能源消耗也迅速增长。其中，作为人类活动基本场所的建筑，在使用过程中所消耗的能量 占了很大的比例。在西方发达国家，建筑能耗占社会能耗的3 0 - - 4 0 。在我国，2 0 0 3 年建 筑能耗占当年社会终端能源消费量的比重为2 7 4 7 ，这才仅仅指建筑物使用期间的能耗即 运行能耗，尚未包括建筑材料与设备的生产能耗以及建筑物建造过程中的能耗【l 】。同时，由 于我国既有建筑物绝大部分保温隔热性能差，供热空调系统效率低，运行管理方式落后， 加之相应政策不能及时有效的推动，造成我国单位建筑面积能耗是同等气候条件发达国家 的2 3 倍【2 j 。近几年，随着人民生活水平的提高，建筑耗能量及其所占全国总能耗的比例还 在不断增加。 在建筑能源消耗中，国家机关办公建筑和大型公共建筑的高耗能问题日益突出，该类 建筑的节能改革成为当前建筑节能工作的重点。目前我国国家机关办公建筑和大型公共建 筑面积约5 亿平米，尽管不足城镇建筑总面积的4 ，可每年近1 0 0 0 亿度耗电量却占全国 城镇总耗电量的2 2 例。因此，做好国家机关办公建筑和大型公共建筑的节能管理工作，对 实现“十一五 中该类建筑节约1 1 0 0 万吨标准煤的建筑节能目标具有重要意义。 按目前规划，到2 0 2 0 年我国城镇建筑还将新增1 0 0 亿平米至1 5 0 亿平米，增加量为目 前城市建筑面积的6 5 , - - 9 0 。这将导致建筑用能的不断增长。根据发达国家经验，随着城 市化进程的不断推进和人民生活水平的提高，建筑能耗的比例将继续增加并最终达到3 3 左右1 4 j 。建筑将超越工业、交通等行业而成为能耗的首位。根据近3 0 年来能源界的研究和 实践，目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解 社会经济发展与能源供应不足这对矛盾最有效的措施之一，也将成为提高社会能源使用效 率的首要方面。 1 1 1 建筑分类及其能耗 通常情况下，建筑依照其使用功能和服务对象的不同分为工业建筑和民用建筑两大类。 工业建筑指厂房和仓库；民用建筑则包括民用居住建筑( 住宅) 、公共建筑( 或称为商业建 筑，主要包括商业用房、服务业用房、办公用房、教育用房、科研用房、文化体育场馆等) 。 公共建筑按规模可以分为大型公共建筑和一般公共建筑。大型公共建筑是指建筑面积超过2 万平米且采用集中空调系统的各类星级酒店、大中型商场、高级写字楼、车站机场及体育 场馆等。一般公共建筑则是指建筑面积在2 万平米以下或建筑面积超过2 万平米但未采用 集中空调的各类办公建筑、科研教学以及医疗建筑等【5 j 。 对于建筑能耗的范围，存在着不同的看法。目前较为一致的看法是将建筑能耗划分为建 东南大学硕士学位论文 造过程中的能耗和使用过程中的能耗。建造过程的能耗包括建筑材料、建筑构配件、建筑 设备的生产和运输以及建筑施工和安装中的能耗。使用过程中的能耗包括建筑使用期间采 暖、通风、空调、照明、家用电器和炊事热水供应等所使用的能量。一般情况下，建造能 耗与日常使用能耗之比约为1 ：9 2 ：8 ，建筑运行能耗占全国总发电量2 2 艺4 ，所以建筑能 耗的重点是使用能耗1 6 j 。各国建筑能耗往往是指使用过程的能耗，特别是以其中采暖、通风 和空调能耗为主，约占建筑运行能耗的6 0 以上，并且随着新建建筑逐年增多，而我国采 暖空调标准远远低于国际水平，随着生活水平的提高，建筑能耗，特别是空调系统的能耗 呈增长趋势。 1 1 2 建筑节能的意义 能源为经济发展提供动力，经济发展又依赖于能源发展。现代社会能源的发展进程直接 制约着经济发展速度和发展规模。我国能源资源虽较丰富，但后备储量不足，人均资源量 非常有限。煤炭人均储量占世界人均储量的二分之一，石油人均可采储量仅为世界平均值 的1 1 6 ，而我国的能源利用率低，在3 0 左右。因此，经济发展与能源需求的矛盾、能源 的短缺与能源利用率低的现实对节能工作提出了迫切的要求。随着经济的发展，建筑能耗 增长的速度将远远高于能源生产增长的速度，从而成为制约国家经济发展的一个重要因素。 同时，推广建筑节能降低能源消耗，也减少了对环境的污染。据统计，大气环境中7 6 的s 0 2 、8 8 的氮氧化物和6 6 的c o 以及各类粉尘、废弃物、温室效应、酸雨及臭氧层破 坏都来自于能源的开发与利用过程。而燃烧矿物燃料所产生的排放物为大气的重要污染源。 一次能源消费的构成是以煤为主建筑供暖用煤是造成大气污染的一个重要因素。 另一方面，随着现代化建设的发展和人们生活水平的日益提高，人们对室内环境舒适性 的要求也越来越高。空调、照明设备的广泛应用在提高室内舒适性的同时，也产生的巨大 的能源消耗。能耗设备的不当使用还将产生能源的极大浪费。因此，改善建筑质量、节约 建筑能耗、改善居住热环境、提高住宅舒适度，已成为建筑业关注的热点。 我国能源的增长速度，长期滞后于国内生产总值的增长速度，而建筑能耗的增长远高于 能源增长速度，能源短缺是制约国民经济发展的根本性因素，因此节约能源也是发展国民 经济的客观因素。建筑节能不仅是改善空间环境重要因素，也是发展国民经济的需要。节 约能源，保护环境已成为我国面临的一个重大课题，建筑节能已成为我国可持续发展战略 的重要组成部分。 1 2 公共建筑节能研究 公共建筑，尤其是大型公共建筑的能耗问题日益突出，对公共建筑的节能研究已成为 国内外建筑节能研究的重点课题。国外对公共建筑能耗的研究在上世纪八十年代就已开始， 我国在这方面起步较晚，而且全国各地区的发展水平差距很大，上海、北京等经济发达地 区的公共建筑节能研究走在全国的前列，其他城市则相对进展较慢。 1 2 1 国内大型公共建筑能耗状况 不同规模的公共建筑，其全年的用能特点和能源消耗总量不同。大型公共建筑单位建筑 面积耗能高，是一般公共建筑的十倍以上，节能潜力大。因此，我国各地的研究者对某些 城市的大型公共建筑的能耗进行了深入的调查和分析，得到表1 1 的结果。 2 第一章绪论 表1 1 各大城市公共建筑的能耗调查结剁7 】 对9 幢写字楼的调查表明，办公楼的最大平均能耗与最小平均能耗相差2 2 1 倍，平均能 上海耗量为1 8 g j m 2 a 。另外对上海9 家星级宾馆的单位面积年一次能耗量的调查结果表 明，其平均耗能量为2 6 9 8 g j m 2 a 。 对1 5 幢高层办公建筑的抽样调查结果，写字楼的单位面积能耗最小为4 5 k w h m 2a ，最 深圳 大的为1 5 0 k w h m 2 a ，平均值为9 6 k w h m 2 a 。其中空调、照明、办公设备大约各占3 0 对公共建筑的能耗采用访问方式进行调查，按照一次能耗来计算，单位建筑面积能耗最 天津 大的为5 7 g t m2 。a ，最小的为0 8 6 j m 2a ，平均值为2 8 6 g j m 2 a 。 对9 幢大楼的全年能耗进行了调查和现场测试，建筑能耗为o 3 8 6 - - - , 2 5 7 9 g j m 2 a ，空 武汉 调能耗为o 1 3 7 - - 0 8 6 8 g j m 2 a ，最大的建筑能耗与最小的建筑能耗相差6 6 8 倍，最大 空调能耗与最小空调能耗相差4 4 1 倍。商场、办公楼、酒店的平均能耗为0 4 8 5 g j m 2 a 。空调能耗占总能耗的2 2 3 3 - - - , 7 9 4 1 。 总计1 6 0 0 0 幢大型商业建筑的能耗要占总能耗的3 0 。其中空调系统的电耗为4 3 、办公 设备1 7 、电梯扶梯7 、照明3 4 。对1 6 家星级宾馆的调查结果表明，宾馆的平均能耗高 香港 达5 6 4 k i h m 2 a 。部分商场的调查数据为电耗3 9 1 - - 一4 5 4 w h m 2 a ，平均4 3 0 k w h m 2 a ， 其中照明和空调系统占了8 5 以上。 对2 4 家县政府机关、3 3 家“中央”政府机关、9 2 9 幢中低层办公建筑、8 幢高层办公建筑 、3 幢智能型办公建筑的电耗进行调查，其用量指标依次为1 3 6 、1 7 1 、1 4 9 、1 9 4 、 台湾 2 1 9 k w h m2 。a 。商业性写字楼的能耗高于政府办公建筑，建筑规模越大、智能化程度越 高的办公楼能耗越高。 大型公共建筑所消耗的能源种类根据建筑物内用能系统的不同会有所差别，但一般以电 为主，辅以天然气、煤、蒸汽和市政热水等。由于电制冷是目前大型公共建筑的制冷主要 形式，清华大学节能研究中心选取了北京市6 4 座电制冷形式的大型公共建筑进行了电耗统 计，统计结果如表1 2 。 表1 2电制冷形式各类建筑年单位面积平均电耗1 7 1 平均电耗抽样极限误差置信区间 建筑类型样本数量 ( k w h m 2 年)( k w h m 2 年)( k w h m 2 年) 商场 1 22 1 62 41 9 22 4 0 宾馆饭店 2 51 2 181 1 31 2 9 办公楼 1 81 1181 0 31 1 9 综合性商务楼 91 2 52 11 0 41 4 6 根据数据可以看出，商场类建筑较其他类型相比全年耗电量较大，大部分在2 0 0 k w h m 2 a 至3 0 0 k w h m 2 a 之间。商场耗电设备较多，照明数量多，空调系统容量大且运行时间长， 营业时间每天长达1 2 小时以上且全年营业，单位面积的电耗在大型公共建筑中最高。宾馆 饭店和办公楼类建筑耗电量相当，基本在2 0 0 k w h m 2 a 以下，但二者又有所不同。宾馆饭 店类建筑虽然营业时间长，但由于受到旅游季节变化和入住率波动的影响，多数时间是在 部分负荷下工作。办公楼类建筑全年使用时间约2 5 0 天，每天工作8 小时，设备全年运行 时间为2 0 0 0 小时左右。由于人员数量决定电脑等设备的开启数量，室内照明相对固定，故 办公楼建筑室内热扰与人员数量密切相关。综合性商务楼由于其建筑功能分散，基本是建 筑群，所以单位面积年电耗量参考性不强，需要对不同功能建筑的用电量进行拆分才能反 映耗电量情况。清华大学节能研究中心对6 4 座建筑按照各自的类型对每月单位面积电耗进 行平均后发现，夏季由于空调系统的使用，电耗显著上升。在大型公共建筑全年能耗中， 东南大学硕士学位论文 照明、动力等电耗是基本稳定的，而供冷、供暖能耗是随季节而波动的。因此，供冷季节 的电耗高于过度季节，空调制冷系统的能耗在建筑能耗中占有相当大的比例，约占夏季总 用电量的3 0 左右。所以空调系统的高效运行是大型公共建筑节能的关键。 随着我国城市化进程的加速，预计到2 0 2 0 年，全国5 6 以上的人口将生活在城市里， 第三产业在全国g d p 中的比例将超过4 0 ，相应的建筑物和设计也将成倍增加，建筑能耗 不可避免的会大幅增加。在2 0 2 0 年前我国每年城镇竣工建筑面积的总量将持续保持在1 0 亿平米年左右，在今后1 5 年间新增城镇民用建筑面积总量将为1 5 0 亿平米，其中将新增约 l o 亿平米的大型公共建筑i s 儿9 1 。长江中下游流域是我国经济和社会发展及建筑发展最活跃的 地区之一，人口密集，城市化进程快速，建筑总量和每年新增的建筑面积都非常巨大，这 将导致建筑用电量的急剧增加。因此，在满足建筑数量和质量不断增长的需求的同时，减 慢建筑能耗的增长速度，发掘大型公共建筑的节能潜力，将对经济和社会的长期可持续发 展有重要意义。 1 2 - 2 国外建筑节能研究 各国的建筑节能工作大体经历了四个阶段：一是能源的节约，即尽量少用能源；二是能 源守恒，即尽可能不增加能源消耗，保持经济增长；三是能源效率，即提高能源的利用效 率；四是减少温室气体排放。相应的建筑节能技术已从最早的节能建筑，低能耗建筑，零 能耗建筑，生态建筑，可持续发展建筑发展到当今的绿色建筑。各国政府部门也都编制了 各种建筑节能规范来降低建筑能耗。 美国的建筑节能标准是目前世界上公认最详细的，目前美国有4 0 个州制订了本州的公 共建筑节能标准，其中有6 个经济比较发达的州( 如纽约州和加利福尼亚州等) 的建筑节 能标准比国家标准更为严格。上世纪7 0 年代的能源危机，导致了美国节能政策的出台和建 筑节能标准的制订。1 9 7 4 年美国国家标准局( n b s ) 锘f j 定了新建建筑物的节能设计及评价标 准。1 9 7 5 年，美国a s h r a e 编制了新建建筑物节能规范。1 9 9 5 年又编制了专门针对 已有旧建筑的既有建筑物节能规范( a s h r a e l 0 0 ) 。而于1 9 8 9 年出版的 a s h r a e 标 准6 2 1 9 8 9 ) ) 则是目前世界上应用最广的标准范本之一。针对公共建筑的a s h r a e 标准 9 0 1 1 9 8 9 ) ) 也于1 9 8 9 年1 2 月出版。1 9 9 9 年2 月出版的 a s h r a e 标准9 0 1 1 9 9 9 ) ) 则对 a s h 凡址标准9 0 1 1 9 8 9 ) ) 版本做了全新的调整。主要调整的内容包括围护结构、设备、 照明等，而且新标准要求既有建筑通过改造后达到标准。 英国于1 9 8 5 年编制了英国建筑能效实施标准，1 9 9 4 年进行了修订。它包含设计方 法、经济分析、能量管理等内容。设计方法解决了如何从建筑设计方面去减少能耗，通过 检查列表详尽规定了建筑的选型和布局、建筑围护结构、供热通风、内外照明、冷热水供 应、动力用能等设计过程中对节能的考虑，使设计人员在进行设计的各个阶段最大限度的 减少能源的使用。经济分析主要从经济的角度分析评价节能方法是否可行，是否最优，常 用的经济分析方法及其使用情况。能量管理则是在建筑物交付后，通过对运行管理上的一 些细节的规定，把建筑节能贯彻到建筑的整个生命周期。 加拿大沿用美国的概念去发展其节能标准，强调“p e r f o r m a n c e 的标准可以更有效的推 行节能措施，鼓励节能建筑设计。在1 9 7 8 年由国家研究院编制了新建建筑物的节能措施， 1 9 8 3 年对其进行了修订，1 9 9 5 年改写为国家建筑节能规范，同时出版了国家住宅节 能规范。国家建筑节能规范分为强制性条款和指导性条款两个部分，分别对建筑物的 围护结构、供热、通风、空调系统、照明系统、生活热水系统、供电系统等的节能做了规 定。该规范在对各种系统设计作出了种种限制的同时，也允许设计人员在特殊情况下有所 变化，但建筑总能耗不能超过指导性条款下建筑物的能耗，否则建筑节能设计就必须采取 其他的补偿措施。它的节能要求的建立是运用寿命周期费用分析法对全国各省和地区的围 护结构进行了经济分析，考虑了气候、能源种类、价格、利率、通货膨胀、建筑物使用寿 4 第一章绪论 命、材料价格、空调和供热设备效率等多种因素。另外，规范中的节能措施还考虑了不同 区域的人力、建材、能源等价格的不同把全国划分为3 4 个区域，寿命周期费用分析也是建 立在各区域的相应参数基础上进行的，由此得出的建筑物围护结构的传热系数更加合理， 节能规范应用于不同的区域时，采用不同的设计参数，确保了节能措施的经济性。 德国于2 0 世纪7 0 年代颁布了建筑节能法、保温法规、采暖设备规范等，并按 建筑物的形体大小划分建筑物的级别，规定各类建筑物的单位体积冷热损失不得超过一定 标准。美国和加拿大等国家则是根据室外温度，直接规定建筑物各部位的最大传热系数。 日本能源贫瘠，9 0 以上依靠进口，因此特别重视节能工作。在1 9 9 7 年1 1 月就提出了 2 0 1 0 年的建筑节能目标，其中要求民用部门节能3 l ，它们被细分为：建筑节能1 1 ，家 电效率的提高节能8 ，生活习惯的改善节能6 ，住宅节能5 ，照明效率的提高和高效率 化液晶显示的采用等节能2 【l o j 。显然，其中以建筑节能的幅度最大，占l 3 强。日本的节 能标准有明确的节能目标，而且其节能标准是将公共建筑和住宅建筑分开制定的，公共建 筑还按其使用功能不同而划分为宾馆，医院，百货商场，办公建筑，学校等五个类型，并 分别给出了相应的节能标准。 表1 3 列出了一些国家的公共建筑节能标准，通过该表可以看出，这些国家对公共建筑 的节能非常重视，不仅对建筑的围护结构设计做了要求，而且对动力、通风和照明的设计 也同样做了要求。 表1 3 部分国家公共建筑节能标准 国家名称标准名称适用建筑类型适用对象 美国 a s h r a e 9 0 1公共与商业楼墙、窗、动力、通风 法国 c s t b - 8 8公共与商业楼 墙、窗、太阳能利用、通风 澳大利亚 a s a 办公楼顶、墙、窗 韩国 b c - 1 9 9 2公共与商业楼顶、墙、窗、动力、照明 新西兰b i a h i公共与商业楼顶、墙、窗、动力、通风 1 2 3 国内建筑节能研究 相对于西方发达国家，我国的建筑节能工作起步较晚。从上世纪八十年代中期开始，建 筑节能工作逐渐被重视和发展起来，各种建筑节能标准和法规也相应出台。1 9 9 3 年9 月， 国家技术监督局与建设部联合发布旅游旅馆建筑热工与空调调节节能设计标准 ( g b 5 0 1 8 9 9 3 ) ，这是最早的公共建筑的节能设计标准和建筑节能评价标准。1 9 9 5 年建设部 颁布了采暖居住建筑的民用建筑节能设计标准( j g j 2 6 9 5 ) 。2 0 0 0 年以后，我国建筑节能 规范和标准日益完善，相继出台了夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准( j g j l 3 4 2 0 0 1 ) 、 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准( j g j 7 5 2 0 0 3 ) 、采暖通风和空气调节设计规范 ( g b 5 0 0 3 4 2 0 0 4 ) 、建筑照明设计标准( g b 5 0 0 3 4 2 0 0 4 ) 、公共建筑节能设计标准 ( g b 5 0 1 8 9 2 0 0 5 ) 、建筑节能工程施工验收规范( g b 5 0 4 1 1 - 2 0 0 7 ) 等标准推进我国的建筑节 能工作。另外，自2 0 0 8 年4 月1 日中华人民共和国节约能源法正式公布施行以来，建 筑节能相关的法律法规也正在起草和修订中。在这些标准中，于2 0 0 5 年7 月1 日开始实施 的公共建筑节能设计标准是我国最新的公共建筑节能设计标准。此标准从建筑、建筑 热工和暖通空调设计方面提出控制指标和节能措施。标准强调了建筑室内热环境和设计计 算参数的综合优化，从建筑围护结构节能设计、采暖、通风、空调系统节能等方面实现对 能源的优化利用，并对建筑节能监测和控制提出具体要求。标准同时使用权衡判断法来判 定围护结构的总体热工性能是否符合节能要求，这样给建筑设计师较大的灵活性，使设计 的建筑不局限于强制条文，但又总体符合节能设计标准的要求。 香港在九十年代初期开始对旅馆类建筑的耗电情况进行调研。香港理工大学在1 9 9 8 年 东南大学硕士学位论文 对香港的1 6 家酒店在1 9 9 5 年的能耗费用进行了统计，对调研建筑的基本情况和空调系统 信息采取直接访问的调查方式，得到了酒店类建筑各部分用能情况( 如图1 1 ) i l l l ，并对酒 店建筑的能耗和酒店建成年份、室外温度变化、酒店等级、建筑面积以及入住率之间的关 系进行了分析。2 0 0 3 年香港城市大学对香港的2 0 座办公楼从1 9 9 6 年至2 0 0 0 年之间的用电 量进行了统计分析，得到了香港办公楼类建筑各设备系统耗电比例( 如图1 2 ) i l l 】。 图1 1 香港酒店类建筑能耗组成 空调 4 8 图1 2 香港办公类建筑耗电比例 北京清华大学自1 9 9 8 年以来对北京市1 0 个大型商场，6 家甲级写字楼，1 5 家三星级以 上酒店做了调研和现场测试，得到了北京市这三类建筑的用能特点以及这三类建筑的照明、 空调、动力等各部分的用电比例( 图1 3 、图1 4 、图1 5 ) 【7 儿引，提出了大型公共建筑的节 能潜力分析。当在建筑、空调、照明等方面采用先进技术，产生创新性突破时，对于新建 大型公共建筑可使电耗降到目前水平的4 0 以下，而如对空调系统、照明等采取全面的改 进措施，现有建筑的电耗也有可能降低3 0 - - 4 0 。 电梯 1 0 鬈 其他 1 0 给捧水紫 器韶一圆1 7 9 慧 图1 3 商场建筑耗电比例图1 4 写字楼建筑耗电比例图1 5 酒店建筑耗电比例 上海同济大学在1 9 9 6 、1 9 9 7 、1 9 9 9 年对上海地区典型的写字楼、酒店等高层建筑空调 系统夏季的实时运行能耗进行了测试，比较了各项设计值和实测值，如：制冷设备的性能 系数，空调系统的综合性能系数、冷水系统的输配系数、单位面积供冷量、单位空调面积 能耗等，并针对空调系统的节能运行提出了一些建议。1 9 9 5 年和1 9 9 7 年同济大学还对上海 2 0 0 幢高层建筑空调系统进行了调研，表1 4 是上海地区商业建筑能耗比例【1 2 1 。同时同济大 学对上海市9 幢办公楼和商办楼、9 幢星级宾馆全年的能耗现状做了调查并做了节能潜力分 析，调查分析表明这9 幢办公楼和商办楼的平均能耗值以及9 家宾馆的平均能耗都超过了 日本相应的标准，节能潜力很大。在此基础上，上海市于2 0 0 4 年颁布了上海市的公共建 筑节能设计标准。该标准对建筑物的围护结构、通风与空调调节方式、室内设计参数、负 荷计算、设备配置等方面进行了规定，同时它又给出了建筑物能耗费用的评估方法，对设 计建筑监理相应的标准建筑来评价建筑能耗费用的优劣，给设计师一定的灵活性。 6 第一章绪论 表1 4 上海地区商业建筑能耗比例 建筑类型空调照明给排水动力设备及其他 饭店 4 6 1 1 3 5 3 1 0 9 4 商场 4 0 5 3 3 7 1 0 7 1 5 2 写字楼 4 9 7 3 3 3 2 7 1 7 0 医院 3 0 3 1 3 9 4 1 8 1 4 o 1 3 楼宇能源管理系统 楼宇能源管理系统( b u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，b e m s ) 是智能建筑( i b ) 和 绿色建筑( g b ) 相结合的产物，如图1 6 。智能建筑是通过优化结构、系统、服务和管理 四个要素来提供有效和舒适的环境。在要求建筑智能化的同时，要求建筑对环境不产生影 响并实现对能源的充分利用。因此，绿色建筑的概念应运而生。绿色建筑是通过科学的整 体设计，集成绿色配置、自然通风、自然采光、低能耗围护结构、新能源利用、中水回用、 绿色建材和智能控制等高新技术，具有选址规划合理、资源利用高效循环、节能措施综合 有效、建筑环境健康舒适、废物排放减量无害、建筑功能灵活适宜等六大特点。不仅可以 满足人们的生理和心理需求，而且能源和资源的消耗最为经济合理，对环境的影响最小。 为了实现建筑智能、节能、绿色、环保的目标，需要对建筑的用能( 主要是电能) 进行统 一管理，提高建筑内各能耗系统的运行效率，以降低对能源的消耗。 图1 6b e m s 是i b 与g b 的结合 建筑物内的能源系统由很多能源单元组成，如空调暖通系统、照明系统、电梯及办公 设备等。在运行中，这些设备受到人、环境、工作方式等多种因素的交叉影响，同时设备 本身也会产生损耗或老化。因此需要在建筑中设置各种测量、控制、管理单元，使系统在 偏离正常运行状态时能得到纠正，回到理想的运行状态。楼宇能源管理系统就是将楼宇内 的空调、照明、电梯等设施的能源使用状况进行集中监视管理和分散控制的现代管理与控 制系统。通过楼字能源管理系统实现能耗的实时在线监控和分析管理达到以下效果：1 ) 对 设备能耗情况进行监测，提高整体管理水平；2 ) 找出低效率运转的设备；3 ) 找出能耗异 常；4 ) 降低峰值用电水平。楼宇能源管理系统的最终目的是在满足建筑功能需求的基础上 使建筑物的能源得到最优化的利用，发挥最佳的能源利用效益，达到绿色节能的目的。 7 东南大学硕士学位论文 1 4 研究内容和论文结构 长江中下游流域历来是我国的富饶之地，是目前我国经济最发达也是经济和社会发展 最活跃的地区之一，人口密集，城市化进程快速，建筑总量和每年新增的建筑面积都非常 巨大，对建筑的要求也比较高。另外，长江中下游流域属于最典型的夏热冬冷