（化学工程专业论文）建筑物能量系统集成优化运行研究.pdf

摘要 摘要 建筑物能量系统是包括了室外环境与能源体系、建筑围护结构、能源转换系 统、能源利用系统以及控制与管理系统在内的所有与建筑用能过程相关的系统构 成的总称。建筑物能量系统通过消耗能源为用户提供舒适的室内环境与电、热、 冷等能源需求，总的发展趋势是集成优化的多联供系统。建筑物能量系统运行优 化的复杂性体现在两个方面：一是不断变化的外部条件与用户需求，使得建筑物 对舒适室内环境以及电、热、冷负荷的需求处于动态变化之中；二是建筑物能量 系统的各种优化运行调节手段和方法多种多样。因此不同于给定负荷需求条件下 的优化运行，如何根据建筑用能负荷需求的动态变化，综合运恩各种优化运行调 节方法，实现建筑物能量系统运行能耗费用的最低就是本文研究的关键问题。为 此本文首先运用系统和集成优化的思想，提出了建筑物能量系统集成优化运行的 方法，从功能集成与信息集成的角度建立了集成优化运行的模型；针对集成优化 运行对决策支持的需求，提出了集成优化运行的决策支持系统。其次，本文对建 筑物能量系统集成优化运行的实施模式与技术解决方案进行了研究，从基于智能 建筑系统集成的软硬件平台，到基于i n t e r n e t 的建筑物能量系统集成优化运行模 式，再到相关软件工程技术的解决方案，都进行了较为深入的研究。最后结合案 例，对本文所提出的方法、实施模式与技术解决方案进行了进一步的描述。 借鉴企业建模中关于过程建模的理论与方法，并考虑到建筑行业的背景特点， 本文提出了建筑物能量系统集成优化运行的建模方法。应用该建模方法，本文采 用i d e f o 方法建立了建筑物能量系统集成优化运行的功能模型，将集成优化运行 主要分解成了建筑能源管理、运行计划优化、实时运行优化以及运行监测四个主 要活动，实现了对各优化功能层次结构的合理划分与活动单元的分解：在此基础 上，应用面向对象的建模工具u m l 建立了建筑物系统、外部条件、运行状态以 及能耗性能指标的数据模型，找出了代表集成优化运行各功能活动所处理数据的 对象，揭示了这些对象之间的关联。模型的建立明确了集成优化运行的内涵与功 能层次结构，各功能活动之间的关系，以及支持功能实现所必须的信息资源。 建筑物能量系统集成优化运行各功能活动的具体实现与信息的加工处理，离 不开优化模型与其他工具的支持。针对建筑物能量系统集成优化运行决策支持存 在多样性、动态性以及复合性的特点，本文提出应用决策支持系统的理论与方法 来实现对集成优化运行功能活动的支持，以及优化模型等工具的管理与维护，并 对基于类的模型表示、基于专家知识的模型选择与自动建模进行了研究。 对建筑物能量系统集成优化运行所必然依托的智能建筑系统集成平台及其主 要系统集成方式进行了介绍与分析，并结合o p c 技术与w 曲s e r v i c e 技术提出了 华南理工大学搏士学位论文 跨越i n t e r n e t 的建筑物能量系统集成优化运行平台解决方案。在集成优化运行平 台解决方案的基础上，进一步提出了基于i n t e r n e t 的集成优化运行模式，并对模 式实现的关键技术进行了研究。包括物业管理与建筑物能量系统运行服务之间基 于x m l 的信息表达与交换过程，基于w c bs e r v i c e s 的集成优化运行平台体系架 构及其相关内容。 本文的研究成果体现在理论与实际两个层面。在理论层面，为建筑物能量系 统的运行管理提供了整体优化的指导方法：在工程实际应用层面，提供了可操作 的实施模式与技术解决方案。 关键诃建筑物能量系统；集成优化运行；决策支持；平台： w e b 服务 i i a b s t r a c t a b s t r a c t b u i l d i n ge n e r g ys y s t e m ( b e s ) i ss u c hac o m p l e xl a r g es y s t e mt h a ti n c l u d i n g o u t d o o r e n v i r o n m e n t ， e n e r g ys u p p l y ，b u i l d i n ge n v e l o p e ，e n e r g yc o n v e r s i o na n d u t i l i z a t i o ns y s t e m s ，c o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m sa n da l l t h es y s t e mt h a ti sr e l a t e d w i t hb u i l d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n b e sp r o v i d e sc o m f o r t i n d o o r e n v i r o n m e n t ， e l e c t r i c i t y ，h e a t i n ga n dc o o l i n ge ta 1 f b ro c c u p a n t st h r o u g ht h ec o n s u m p t i o no fe n e r g y ， a n dn o w b e si sd e v e l o p i n gt o w a r dt h ei n t e g r a t e da n dc o m b i n e ds y s t e m s t h e r ea r e t w or e a s o n sm a k et h eo p e r a t i o no p t i m i z a t i o no fb e sav e r yd i 蚯c u l tt a s k o n ei st h e v a r i a b l ee x t e r n a lc o n d i t i o n sa n du s e rr e q u i r e m e n t s t h eo t h e ri st h ev a r i e t yo f o p e r a t i o nm e t h o d s s oh o wt oh a n d l et h ed i v e r s i f i e do p e r a t i o nm e t h o d ss y n t h e t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cv a r i a t i o no fb u i l d i n ge n e r g yn e e d st om i n i m i z et h eo v e r a l l e n e r g yc o s ti s t h e k e yp r o b l e mo ft h i s r e s e a r c h t h e r e f o r e ，i n t h i sp a p e rb e s i n t e g r a t e do p t i m a lo p e r a t i o n ( 1 0 0 ) m e t h o dw a sp r o p o s e db ya d o p t i n gt h ei d e ao f s y s t e ma n di n t e g r a t e do p t i m i z a t i o n a n dt h em o d e l sw e r ee s t a b l i s h e df r o mt h ev i e wo f f u n c t i o ni n t e g r a t i o na n di n f o n l l a t i o ni n t e g r a t i o n a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n t so fi o o ， t h et h e o r ya n dm e t h o d so fd i c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ( d s s ) w a sp r o p o s e dt os o v l et h i s p r o b l e m t h e nt h ei m p l e m e m a t i o nm o d ea n dt e c h n o l o g ys o l u t i o nf o rb e si o ow e r e i n v e s t i g a t e d ， r a n g j n gf r o ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do ni n t e 儿i g e n t b u i l d i n gs y s t e mi n t e g r a t i o n ，t ot h eb e s1 0 0m o d eo v e ri n t e r n e t ，a n di a s tt ot h e s o f t w a r e e n g i n e e r i n g s o l u t i o n a t l a s t ， t h em e t h o d ， i m p l e m e n 协t i o nm o d ea n d t e c h n o l o g ys o l u t i o na r ea l ld e s c r i b e da g a i nw i t hac a s es t u d y c o n s i d e r i n gt h eb a c k g r o u n dc h a r a c t e r i s t i c so fb u i l d i n gi n d u s t r y ，a n du s i n gt h e m o d e l i n gm e t h o do fe n t e r p r i s ea b o u tp r o c e s sa sr e f e r e n c e ，m o d e l i n gm e t h o do fb e s 1 0 0w a sp r o p o s e d w i t ht h i sm e t h o d ，t h ep r o c e s sm o d e lo fb e si o ow a se s t a b l i s h e d b yu s i n gi d e f 0m e t h o d a c c o r d i n gt h i sp r o c e s sm o d e l ，b e si o ow a sd e c o m p o s e d i n t o b u 订d i n ge n e r g ym a n a g e m e n t ，o p e r a t i o n s c h e d u l e o p t i m i z a t i o n ， r e a l t i m e o p e r a t i o no p t i m i z a t i o na n do p e r a t i o nm o n i t o r i n gf o u rm a i na c t i v i t i e s f u r t h e r m o r e ， d a t am o d e l0 fb e s1 0 0w a se s t a b l i s h e de i t h e rw i t ht h e o b j e c t o r i e n t e dm o d e it o o lu ml o b j e c t st h a tr e p r e s e n ta n dd e s c r i b et h ed a t ah a n d l e d t h r o u g h o u ti o oa c t i v i t i e sw e r ei d e n t i f i e d ，a n dd e p e n d e n c i e sa m o n gt h ei d e n t i n e d o b j e c t s w e r er e v e a l e d a c c o f d i n g t ot h e m u l t i p l i c i t y ，d y n a m i c sa n dc o m p o u n d c h a r a c t e r i s t i c st h a te x i s ti nt h ed e c i s i o ns u p p o r tf b ri o o ，d s st h e o r ya n dm e t h o d s w e r ea d o p t e dt oa c c o m p l i s ht h es u p p o r tf o rt h eo p e r a t i o no p t i m i z a t i o nf u n c t i o na i l d i i i 塾：2 ：2 坐：! ：垡：竺：兰! 唑望竺竺! 坐：! ! 堡! ! 旦生竺璺婴 t h em a a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fo p t i m i z a t i o nt o o l s m o d e le x p r e s s i o nb a s e do n c l a s s m o d e ls e l e c t i o na n da u t o m a t i cm o d e l i n gb a s e do ne x p e r tk n o w l e d g ew e r ea l s o d i s c u s s e d t h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e lg i v e saf u l ld e s c r i p t i o nf i o rb e si o oa n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni t ss u bf h n c t 主o na c t i v i t i e s ，i d e n t i f i e dt h ei n f o r m a t i o n r e s q u r c e st h a ta r en e c e s s a r yf o rt h ea c c o m p l i s h m e n to f1 0 0 b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so fm a i ns y s t e mi n t e g r a t i o nm e t h o do f i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，c o m b i n e do p ca n dw e bs e r v i c e st e c h n o l o g y ，b e si o op l a t f b r m s o l u t i o nw a sp r o p o s e d m o r e o v e r ，t h ei m p l e m e n t a t i o nm o d ef o r1 0 0o v e ri n t e m e tw a s p f o p o s e d ，t h ek e yt e c h n o l o g i e st h a ts u p p o r tt h i si m p l e m e n t a t i o nm o d ew e r es t u d i e d i n c l u d i n gi n f b r m a t i o nr e p r e s e n t a t i o na n de x c h a n g eb a s e do nx m lb e t w e e nf a c i l i t y m a n a g e m e n ta n db e so p e r a t i o no p t i m i z a t i o ns e r v i c e ，a n i c h i t e c t u r eo f1 0 0p l a t f o r m b a s e do nw r e bs e r v i c e sa i 甜o t h e rr e l a t e dp r o b l e m s t h er e s e a r c hv a l u eo ft h i s p a p e rl i e s i nt w oa s p e c t s f i r s t l y ， a no v e r a l l o p t i m i z a t i o ng u i d a n c em e t h o dw a sp r o v i d e df o rt h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to f b e si nt h et h e o r ya s p e c t s e c o n d l y ，i m p l e m e n t a t i o nm o d ea n dt e c h n o l o g ys o l u t i o n 、e r ep r o v i d e di nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ea s p e c t k e y w o r d s ：b u i l d i n ge n e r g y d e c i s i o ns u p p o r t ；p l a t f b r m s y s t e m ；i n t e g r a t e do p t i m a lo p e r a t i o n ； ：w e bs e r v i c e s i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：叶) 司椭、日期：伽巧年占月仰日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：叶j 司糠 剔磁轹苷有 日期：多多年6 月9 日 日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早 三= 百t 匕 节能和环保是实现可持续发展的关键。从可持续发展理论出发，建筑节能的 关键又在于提高能量利用效率，而在建筑运行使用过程中优化能量的利用正是提 高能量利用效率的具体体现。此外更由于建筑物较长的使用寿命，建筑物运行过 程中的能耗在整个建筑寿命周期的能耗中往往占有相当高的比例。有研究对单栋 住宅建筑5 0 年寿命周期费用的分析表明，供热、生活热水以及电力的能源消耗占 到了总能源消耗的8 5 【lj ，对某大学建筑在预计7 5 年使用寿命的模拟研究表明， 空调与电力消耗将占到整个寿命周期一次能源消耗的9 4 4 ，而建筑材料的生产 运输以及修建过程的能耗仅占2 2 【2 】。因此，建筑运行节能就是建筑节能中非常 重要的一个环节。一方面科学优化的运行管理是建筑节能设计成果得以体现的保 障，因为即便是一个节能设计非常优化与完善的建筑物及其能源系统如果没有科 学合理的运行管理也将达不到预期的节能效果；另一方面设计不尽合理的建筑与 能源系统却能通过科学优化的运行管理来弥补设计的不足，并对以后的设计提供 有价值的经验指导。 由于建筑用能的过程非常复杂，是一个涉及到围护结构、空调、照明、动力 等多个系统，受到外部输入能源价格、气候与使用特点等多个因素影响的复杂大 系统。因此要实现建筑运行过程能量利用效率的优化仅仅对局部或者单个子系统 的运行过程进行优化是远远不够的。只有从能量利用系统工程学的观点出发1 3 1 ， 运用系统集成的思想，充分考虑到建筑耗能过程相关的各个子系统之间的关联并 建立模型，才能科学地指导建筑物运行过程中能量利用的优化。本文是在建筑物 复合能量系统集成建模研究成果的基础上【4 】，基于对建筑节能全面与科学的认识， 对如何实现建筑物运行过程能量利用的优化进行的有益探索。 1 1 研究背景 1 1 1 我国的能源形势与建筑节能 就当前的现状而言，中国的能源面临严峻的形势和挑战。资源紧缺，不敷需 要，能源利用效率低下是当前我国能源状况的主要特点。此外能源问题还使得原 本严重的环境问题日益恶化，以高能耗高污染为代价的粗放型经济发展模式必然 不可持续。 建筑节能的形势也同样丝毫不容乐观。按照国际通行的分类，建筑能耗是指 华南理工大学博士学位论文 民甩建筑( 包括居住建筑和公共建筑以及服务业) 使用过程中的能耗，主要包括采 暖、空调、通风、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗。其中 采暖空调的能耗约占6 5 。当前我国建筑能耗占总能耗的比例已从1 9 7 8 年的约 1 0 上升到目前的2 6 5 ，而且根据发达国家的经验，随着人民生活质量的改善， 这个比例还将上升，以至达到3 5 4 0 【”。 我国的建筑能耗具有三个显著特点：一是建筑能耗占总能耗的比例增加迅速： 二是单位建筑面积建筑能耗高；三是能源结构不合理。目前我国每年建成的房屋 达1 6 2 0 亿m 2 ，超过发达国家年建成建筑面积的总和。本世纪的头2 0 年是我国 建筑业的鼎盛期，2 0 2 0 年全国建筑面积将接近2 0 0 0 年的2 倍。可是不仅既有的 近4 0 0 亿时建筑中9 9 为高能耗建筑，新建建筑中9 5 以上仍属与高能耗建筑， 单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3 倍以上。能源结构的不合理主要 体现在空调制冷与采暖需求的季节变化所引起的电力与天然气利用的季节性峰谷 差。全国空调高峰负荷已达4 5 0 0 万k w h ，相当于2 5 个三峡电站满负荷出力。2 0 0 3 年北京冬夏用气峰谷差将近1 0 倍。 可以说当前中国建筑节能问题相当严重，情况十分紧迫，建筑节能已是国家 重大战略问题1 6 j 。 1 1 2 建筑节能的集成分析框架 近年来，建筑节能逐渐在我国受到重视，新技术、新观念层出不穷，但是对 于建筑节能的认识还不尽科学与全面，系统节能的观念还有待进一步树立。作为 耗能终端，建筑物耗能是一个相当复杂的过程。首先，在时间坐标上，它贯穿于 建筑物整个寿命周期，即在建设、管理和拆建三个阶段都存在不同比例的能耗， 而且这三个阶段的能耗是相互制约的。其次，影响建筑物耗能的因素比较复杂， 在工程技术的设计、运行、控制三层面和物业管理中都存在影响能耗的环节。因 此科学地认识建筑节能，全面揭示建筑耗能过程的内在本质规律对于建筑节能的 发展就尤为重要。借鉴华贲等提出的过程系统功能层次结构模型【7 1 ，胡文斌提出 了建筑物复合能量系统的功能层次结构模型【4 1 ，如图1 1 所示。 建筑物复合能量系统的功能层次结构是从宏观上、总体上和全过程上，按照 时间尺度和管理层次，体现全局优化的目标而提出的战略性结构模型。它涵盖了 建筑物复合能量系统优化的三个不同层次，展示了三者之间的区别和联系。建筑 物复合能量系统的功能层次结构模型具备以下几个特点： ( 1 ) 建筑物复合能量系统功能层次结构模型是基于系统设计、运行、控制三 层次和技术管理两个方面的集成模型： ( 2 ) 三层次的划分基于时间角度，设计贯穿系统的寿命周期，包括新建工程 2 第一章绪论 的设计和老系统改造的投资决策；运行是针对季节、昼夜、气候变化而采取优化 的用能措施；控制则是实时条件变化下的优化操作，它涉及到时、分、秒时间尺 度上系统的运行和管理： ( 3 ) 建筑物复合能量系统功能层次结构模型实现的关键是三个层次模型之间 集成关系的揭示和描述。 图1 1 建筑物复合能量系统功能层次结构模型 f i g 1 一lf u n c t i o nh i e r a r c h yo f b c e s 1 2 建筑物能量系统的运行问题 1 2 1 建筑物能量系统的基本概念 一直以来对建筑物能量系统并没有一个明确和完整的描述，因此为了对建筑 运行过程节能优化技术进行研究，首先要明确研究的对象。建筑物处于变化的外 部环境之中，用户对建筑的需求也在随时发生变化。建筑物能量系统运行的目的 就是要为用户提供服务，这个服务体现在两个方面：一是舒适的室内环境，包括 了光、热以及室内空气品质三个方面。光主要反映了照明系统在室内产生的照度； 热反映了环境的热舒适性，与空调系统相关；室内空气品质体现在新风量的大小 以及室内污染物的浓度，也与空调通风系统相关。二是用户的能源需求，如电力、 热水、蒸汽等。 因此所有与提供这种服务的过程相关的内容都是建筑物能量系统的一部分， 所以对建筑物能量系统的完整描述应包括：室外环境与能源体系、建筑围护结构、 能源转换系统、能源利用系统以及控制与管理系统【4 】。 3 华南理工大学博士学位论文 1 2 2 建筑物能量系统的优化运行 建筑物能量系统跟过程工业的能量系统具有相似性，都是以消耗能源而获取 产品，只不过建筑物能量系统的产品表现为提供舒适室内环境和满足用户需要的 电、生活热水等。以下几个因素决定了实现建筑物能量系统优化运行的复杂性： 首先建筑物处于变化的环境中，在提供同样舒适环境的条件下，随季节气候 的变化，每一天当中时间的变化，对冷、热、照明等能源的需求也随之发生变化， 并存在极大差异。其次，建筑物能量系统自身也表现为明显的非稳态与非线性， 例如建筑围护结构的传热过程，室内得热形成空调负荷的过程，系统设备的性能 特性等。此外，建筑物能量系统的各个主要构成子系统之间，子系统内部也都存 在紧密的关联。例如空调系统的末端、输送系统以及主机之间的运行需要统一优 化，室内人工照明照度的设定需要考虑到自然采光对空调负荷的影响等。最后， 随着能源供给的多样化与市场化，如可再生能源的利用与分时电价，建筑物能量 系统的运行需要考虑更多的影响因素。 目前，建筑物能量系统本身也正处于一个不断发展与变化的过程当中，并朝 着包括可再生能源技术在内的，多种输入能源与技术集成的复合能量系统方向发 展【引。比如自然采光技术、自然通风、以及新型空调技术在内的建筑物能量利用 技术的发展与应用，以分布式建筑物热电冷联产为代表的新型建筑物能源系统的 推广，就为建筑物能量系统的优化运行问题带来了更大的挑战。 关于建筑物能量系统优化运行问题的本质可以以数学规划问题的形式来给出 一般性的描述： 目标函数= m i n ( 建筑物总能耗费用) ： 约束条件：建筑物的各种用能需求、外部供入能源的市场价格以及环境气 象条件； 决策变量：外部供入能源的选择、设备的运行状态( 包括开停与负荷率) ， 关键参数的设定值( 包括室内环境参数，设备运行参数等) 以及其他影响到系统 能耗的因素。 但是对于建筑物能量系统这样的一个复杂大系统而言，其优化运行问题存在 于不同的时间尺度与功能层次，不可能采用单一的数学规划得以解决，其整体优 化的实现必须通过分层、分步、分级与并行优化才能实现。这也是本文研究的出 发点和意义所在。 4 第一章绪论 1 3 文献综述 1 3 1 建筑物能量系统的研究进展 建筑物能量系统的运行不能脱离建筑物能量系统这一具体对象，近年来建筑 物能量系统中出现了许多新技术、新应用和新发展，因此首先对建筑物能量系统 的研究进展进行介绍。 1 3 1 1 能量转换系统 在传统的建筑物能量供给模式中，电、热冷等的供给是由单独的系统分开提 供的，其特点是能量利用效率低，对电网依赖性强、冲击大，在燃气和电使用峰 谷期上无互补性。针对这一缺陷，在空调方面相继出现了燃气空调【9 】，蓄冷空调 0 j 【l l j 的建筑物能源系统解决方案，并能在一定程度上弥补了传统建筑物能量系统 的不足。但就目前的发展趋势来看，以热电冷联产为代表的分布式能源技术在建 筑物中具有良好的应用前景。n o b u o 在对未来高层建筑中的能量系统进行展望时 认为，热电冷联产结合区域供冷供热以及蓄冷将成为未来高层建筑中具有良好前 景的能源系统解决方案i i “。作为一种能源集成系统，建筑物热电冷联产系统将能 量梯级利用，可向建筑物同时供电、供冷、供暖、提供卫生热水或其它用途的热 能，具有能源利用效率高和环保的特点，其总的能源利用效率可达8 5 9 0 【1 3 】。 传统 方式 联产 方式 燃气系统 图1 2 传统建筑物能量供给模式与热电冷联产的比较 f i g 1 - 2c o n l p a r i s o no ft r a d i t i o n a le n e r g ys u p p l ya n dc h pi nb u i l d i n g s 图1 2 是传统建筑物能量供给模式与热电联产模式的比较。建筑物热电冷联 产系统系统形式多样，在建筑物中的应用对象可以包括区域能源系统、大型商业 5 _ 制冷，热水系统 一 tli燃气系统i-i供热系统 ti辅助供电系统 卜 制冷，热水系统 _卜主供电系统 华南理工大学搏士学位论文 建筑以及公共事业建筑【l4 1 。目前全世界都很重视建筑热电冷联产系统的发展，在 欧美、日本和美国都已经有比较广泛和成熟的应用【l ”。以美国为例，美国工业界 已经提出了非常具体的“b c h p ”创意和“b c h p 2 0 2 0 年纲领”以支持美国能源部 总体商用建筑规划及b c h p 规划i l ”。 建筑物热电冷联产系统是以下系统的集成：电力系统( 燃气涡轮发电机、微 型涡轮机、内燃机及燃料电池) ；供热系统( 供暖、生活热水等) ；空调系统( 制 冷、除湿等) 。目前，国际上的燃气涡轮机、内燃发动机、制冷机、除湿系统等多 方面技术已经比较成熟，所欠缺的是对这些技术进行通盘的考虑，以最佳的方法 将所有这些技术引入建筑物。对于这种新型的建筑物能源系统，正确地处理电与 冷、热各部分之问的能量匹配关系非常重要l l ”。美国目前对楼宇热电冷联产系统 ( b c h p ) 投入了大量的研究，其研究重心就是系统集成技术，包括了系统的设 计与运行两个方面。比如美国橡树岭国家实验室正在开展的关于b c h p 系统的研 究工作，就是要通过建立b c h p 系统的整体优化模型来指导b c h p 系统的设计与 运行【1 讣。 与传统大区域热电，冷联产系统不同，建筑物热电冷联产系统的构成更为复 杂。例如r e n a t o 等提出了余热利用与蒸发冷却与化学除湿相结合的建筑物热电冷 联产系统【l 坩【2 ，在美国马里兰大学一个已经投入使用的建筑物热电冷联产系统就 将除湿装置、屋顶空调器以及整个空调系统都集成了进来 2 ”。由此可见建筑物能 源系统的发展为能量系统的运行管理提出了更高的要求，我国目前已经建成的建 筑物热电冷联产系统就已经开始面临如何实现优化运行的问题【2 2 】。 1 3 1 2 能量利用系统 建筑物能量系统中，能量利用系统的发展也同样增加了建筑物能量系统优化 运行的难度。近年来随着人们对健康、节能与生态认识的逐渐深入，以自然通风 技术、新型建筑围护结构和自然采光技术为代表的建筑物能量乖j 用技术，开始受 到越来越多研究者的关注。关于自然通风技术目前的研究重点多集中于自然通风 的节能潜力分析【2 3 1 以及自然通风如何与建筑设计相结合的问题 2 4 】【25 1 。但在实际 运行过程中，自然通风的应用必须要能够“可控”【2 “，并且自然通风模式的确定 要综合室外气象条件与建筑物自身围护结构的热工特性来考虑【2 7 1 。建筑物新型围 护结构与自然采光技术是紧密结合的两种能量利用技术，两种技术的应用要在人 工照明系统的能耗与空调系统的能耗之间寻求平衡。目前关于这两种技术已经有 多种类型的系统和产品可供选择【28 1 ，大量的研究集中于如何在使用过程中对这些 系统进行合理的运行调节【2 9 3 0 j 。空调系统技术方面，继9 1 1 事件与s a r s 疫情 之后，舒适、安全、健康与节能成为了发展的主题，于是结合辐射空调技术 ”】、 全热交换技术 32 l 的独立新风系统的空调系统技术迅速成为了研究热点。尽管大量 的研究已经表明，这种系统能明显提高室内空气品质、人体舒适感，减少空调系 6 第一章绪论 统一次投资和运行费用1 3 3 1 【3 甜。但在实际应用过程当中，运行效果在很大程度上影 响着新技术的推广与优越性的体现。 1 3 2 建筑物能量系统优化运行的研究进展 关于建筑能源管理的内容与重要性已有相当多的文献进行了阐述口5 】【36 1 ，但这 些研究的重点大都是放在系统设备的维护管理【3 ”，再或者就是建筑物能源管理系 统的软硬件技术与底层控制、监测与故障诊断3 9 儿4 0 j 【4 1 1 ，中间所欠缺的就是对建 筑物能量系统总体优化运行软技术环节的研究，以下分别对建筑物能量系统不同 功能层次的主要优化运行问题的研究进展进行介绍。 1 3 2 1 室内环境参数优化 室内环境参数首先决定着用户对室内环境舒适性程度的评价，与此同时室内 环境参数设定值的选取与建筑物的能耗密切相关f 4 2 1 ，比如有研究就表明对空调系 统而言，在加热工况下，室内温度每降低1 可节能5 1 0 ；在冷却工况下，每 升高l 可节能l o 2 0 4 3 1 。但是室内环境参数的优化不是以牺牲用户的舒适为 代价，而是在满足甚至提高环境舒适性的条件下，以减少能量系统能耗为目标的 室内环境参数设定值的动态优化。 最基本的室内环境参数标准是建立在f a n g e r 提出的p m v - p p d 热舒适指标基 础上的国际标准( i s 0 7 7 3 0 ) 【4 ”。但是由于这个标准仅仅对舒适条件下空气温度 和风速的取值作了规定，并没有完全反映室内环境参数、人体感觉与能耗三者之 间的关系 45 。于是有大量的研究提出以热舒适指标为目标的室内环境参数设定优 化方法，通过选择最佳的室内环境参数组合，既使得热舒适指标位于满足人体舒 适的区域，同时又可以降低能耗【4 6 ”。m u r a k a m i 等利用模拟技术对这一方法的 研究也表明，基于热舒适指标的室内环境参数优化具有一定的节能效果4 8 【4 叭。由 于f a n g e r 提出的稳态热舒适理论在评价环境热舒适性方面的不足【5 0 】，有研究人员 提出了自适应的人体热舒适理论【5 1 】【52 1 ，并在此基础上提出了自适应舒适温度模 型，欧洲与香港的研究也都证明了基于自适应舒适温度模型的节能性【5 3 】【5 4 1 。 目前室内环境参数优化运行的发展已经朝着以室内环境质量为目标的方向发 展【5 “，例如研究如何在运行过程中优化热舒适指标、c 0 2 浓度甚至视觉参数的设 定值，以同时实现提供满足用户需求的室内环境质量和能量系统能耗的最低 1 5 6 【57 1 。 1 3 2 2 能量和用系统参数优化 建筑物能量系统的设备与各个子系统分散在建筑物内部，各自的运行由其自 动控制系统控制与调节。由于任何设备与子系统的控制系统设定参数的选取不是 孤立的优化问题，需要从系统和整体优化的角度来考虑，这样就形成了建筑物能 7 华南理工大学博士学位论文 量系统关键参数的优化问题。目前这方面的研究，主要集中于建筑物能量系统 的空调子系统。 变风量空调系统的控制是一个涉及到多个局部控制系统的控制过程，包括室 温控制、变风量静压控制、空调器送风温度控制、以及新风量控制等。这些局部 控制系统参数设定值的最佳组合随负荷率与外界条件的不同而不同。这方面的研 究包括了从多区域变风量空调系统送风温度的优化 5 引，到变风量空调系统的协调 控制策略研究5 9 1 ，最后到整个变风量系统的实时优化与监控 6 0 】【6 1 】。 冷热源系统的控制与变风量空调系统的控制相类似，也是涉及到多个局部控 制系统的控制过程，包括冷冻水供水温度控制、供回水压力控制、冷却水回水温 度控制，冷却塔风机转速的控制，其最优参数设定值的组合也要随负荷与气象条 件变化而变化。这方面的研究也是从局部到整体，有只是对供水温度和供水压力 进行优化的研究1 6 2 1 ，也有对整个水系统进行优化的研究【63 1 ，当然也包括对整个冷 热源系统的优化研究【“l 。 从整个空调系统优化的角度，空调系统与冷热源系统的设定参数也必然存在 协调优化的问题，为此有研究者提出了楼宇空调能量管理与控制系统的实时优化 ”。这一优化的内涵是将从围护结构、室内环境、空调系统到冷热源系统作为一 个整体来研究其参数的优化问题，采用的求解方法有基于模型的优化方法【6 7 】【68 1 ， 也有基于系统辨识的优化方法1 6 9 l f 6 5 1 。 1 3 2 3 能源转换系统优化运行 能源转换系统的优化运行的研究，根据对象的不同可以分为三大类型。对于 对常规空调冷热源系统而言，优化运行的问题主要是要解决主机运行的启停以及 负荷在相同类型设备之间的比钳分配问题，其对象可以是一栋建筑【加】，也可以是 一个区域供冷供热系统7 1 】【7 2 1 。根据被考虑的影响因素的多少，问题的复杂程度 也有所不同，比如是否考虑主机的启停运行费用，电网电价构成是否两部制等。 蓄能技术( 包括蓄冷，蓄热) 由于其对电网具有“移峰填谷”的特性，近年来 受到广泛的关注。关于蓄能系统的优化运行方法，国内外都已经有比较多的研究 【7 3 】【7 4 儿75 1 。当前的研究重点，主要是解决如何结合空调负荷的预测方法应用于蓄 冷系统的实际运行【7 q 77 1 。 随着分布式能源在建筑物中应用的发展，建筑物热电冷联产系统的优化运行 问题开始受到关注。对这一类型问题的研究，由于联产系统的系统形式多样，复 杂程度不一，模型的复杂程度也不尽相同。有基于非线性规划的优化运行研究 【7 8 】【7 9 1 ，也有基于线性规划的优化运行研究8 0 【8 1 1 。对于系统构成复杂的情况，例 如联产、蓄冷以及电制冷相结合的系统，采用非线性规划求解方法的研究也取得 了较好的效果8 2 l 【8 3 l 【8 4 【85 1 。 8 第一章绪论 1 3 2 4 集成优化 上世纪9 0 年代来，国外已有学者在建筑物能量系统运行中的集成优化方面作 了探索性研究。但是这些研究也只是针对特定问题的集成优化，并且研究的重点 仍放在h v a c 系统节能控制硬技术环节，缺乏建筑物能量系统整体优化的观点和 考虑。 例如b r a u n 利用建筑物自身的蓄能特性对削减空调系统峰值负荷作了优化分 析和运行控制的研究【8 6 】。h e n s e n 描述了建筑物、h v a c 系统和环境之间相互关系 的通用结构副87 1 。b e n a r d 提出了在供暖系统中进行最优能量管理的建模和控制8 8 】 【89 1 。m a t h e w s 指出，集成建筑( i n t e g r a t e db u i l d i n g ) 应包括建筑围护结构、h v a c 系统和控制三大系统，提出了相应的分析方法【9 0 儿9 1 1 ，并在蒸发冷却中应用f 9 2 1 。 a t h i e n m s 在对建筑物集成分析的基础上，提出了供热系统的最优化预测控制方案 【93 1 。c h e n 应用动态规划与在线模拟相结合的优化方法，对具有热惰性的建筑热 系统的实时动态优化运行进行了研究，并应用于被动太阳房的地板供暖系统【9 “。 1 3 3 建筑物能量系统建模的研究进展 1 3 3 1 能耗模拟软件的研究进展 建筑物能量系统建模的研究首先体现在建筑能耗模拟软件的研究进展上。建 筑能耗的分析方法可以分为两大类【95 l ：简化计算方法和详细模拟方法。简化计算 方法包括度日法( d e g r e e d a ym e t h o d ) 、温湿频数法( b i n ) 和改进的b i n 法；而 详细的模拟方法则是通过对负荷形成以及系统运行过程列复杂的数学方程，逐时 计算建筑能耗，其工作是依靠计算机模拟来完成的。典型的能耗模拟软件有 d o e 2 、b l a s t 、e n e r g y p l u s 以及d e s t 。随着计算机技术的飞速发展，详细模拟 已经逐渐成为建筑能耗分析的主流。建筑物能量系统的详细模拟一般分为四个部 分【9 6 】：( 1 ) 基于动态负荷计算的负荷分析；( 2 ) 基于系统运行策略的系统分析； ( 3 ) 基于设备特性的机组分析：( 4 ) 基于寿命周期费用的技术经济分析。传统的 详细模拟方法在建模顺序上将四部分串联安排，称为序贯模式。针对序贯模拟方 法的缺陷，又出现了分阶段建模方法1 9 ”。 目前建筑物能耗模拟软件的发展趋势体现在两个方面：一是在纵向上朝着全 能耗分析的方向发展。比如由美国能源部支持开发的e n e r g y p l u s 能够实现对负荷、 系统设备与经济的同时模拟与分析1 9 8 】；有的软件甚至已经能够同时实现对控制过 程的模拟 9 9 l 【m 0 1 。二就是在横向上实现与其他专业软件的集成，包括建筑热过程 与采光过程、气体流动过程以及传湿过程的集成等【10 1 】。目前已经有软件能够实 现对能耗，照明，噪音与热舒适的同时模拟【l ”】。 9 华南理工大学博士学位论文 1 3 3 2 信息建模的研究进展 建筑行业信息建模的研究一直以来都是以生命周期的信息集成与信息共享为 中心，因此建筑物能量系统也不例外，其核心就是建立关于建筑产品模型的标准。 早期的建筑产品模型的标准是建立在s t e p 数据交换技术基础之上的f 1 0 3 】【1 0 4 1 ，其 中在建筑行业定义了四个方面的数据标准。然而由于s t e p 标准对