建筑电气节能-1绪论.ppt

建筑电气节能杨本强yangb参考书：1.建筑节能技术及应用.刘伟庆主编.中国电力出版社;2.建筑电气节能技术以设计原则.李炳华,宋镇江主编.中国建筑工业出版社;3.节能技术应用与评价.方利国主编.化学工业出版社,1绪论（4学时）1.1能源概论1.2节能的概念1.3节能基本原理1.4节能技术评价1.5我国建筑能耗概况注：建筑电气节能技术与设计指南第1章；节能技术应用评价第1、2章,能源：能量的源泉，就是能量的来源或载体，要么来自物质，要么来自物质的运动。前者如天然气、煤炭、等矿物燃料，后者如风流、水流、海浪、潮汐等。到目前为止，人类认识的能量主要有机械能、热能、电能、辐射能、化学能、核能。到目前为止，按热力学，能量的主要形式有内能、动能、势能、热、功。,1绪论1.1能源概论1.1.1能源定义,4,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,可再生能源,能否再生,非再生能源,太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等,石油、天然气、煤炭等化石能源,特点：连续再生；来自太阳和地球,特点：形成时间长,5,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,一次能源,有无加工转换,终端能源：通过用能设备供消费者使用的,太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、薪柴、原油、原煤、天然气、天然铀矿,经电线输送的电能、经煤气管道输送的煤气,二次能源,电、蒸汽、焦炭、煤气、氢,6,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,常规能源,利用的程度,新能源,7,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,液体燃料,性质,电能,世界能源会议推荐的分类：,固体燃料,气体燃料,水能,核能,太阳能,生物质能,风能,海洋能,地热能,核聚变,8,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,清洁能源,使用过程中对环境是否有污染,非清洁能源,9,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,10,1绪论1.1能源概论1.1.2能源分类,11,（1）薪柴时期人类从远古的钻木取火之后，学会使用火，人类能源使用就进入薪柴时期，一直延续到18世纪的产业革命之前。（2）煤炭时期18世纪的产业革命，以煤炭为燃料的蒸汽机成为生产的主要动力，人类能源使用进入了煤炭时期。到19世纪末，以煤炭为主要燃料的火力发电厂运转发电，电力开始进入社会各领域，电动机代替了蒸汽机作为生产动力。（3）石油时期在20世纪50年代，美国、中东、北非相继发现了巨大的油田和气田，西方发达国家很快从以煤为主要能源转换到以石油和天然气为主要能源，世界能源使用由煤炭时期进入了石油时期。,1绪论1.1能源概论1.1.3能源发展进程,12,人类依靠煤炭、石油、天然气等矿石资源，创造了人类历史上空前的物质文明，但是也付出了惨重代价。地球的不可再生资源被大量消耗，枯竭之日已将近；开采和消耗矿石能源对环境污染日益加重；人类活动范围的扩展，地球生态系统受到严重破坏。,1绪论1.1能源概论1.1.4能源的危机,石油还可以开采30多年，天然气还可以开采约60年，煤炭还可以开采约150年,如何使能源和环境协调，使社会可持续发展？,13,1绪论1.1能源概论1.1.5能源的相关概念,（1）标准当量能源标准当量：表示能源的消耗量，以物质的燃烧热值为基准。燃烧热值：单位质量或者体积的固体或者气体燃烧释放的热量。例如：标准煤当量、标准油当量。1kg标准煤当量=7000kcal，1kg标准油当量=10000kcal；而1cal=4.1868J。文献中有时直接用英文缩写表示能源单位，如Mtce表示百万吨煤当量，Mtoe表示百万吨油当量。,14,1绪论1.1能源概论1.1.5能源的相关概念,15,（2）能源折换系数将不同能源及物质的消耗折算到某一标准能源，如标准煤、标准油。,1绪论1.1能源概论1.1.5能源的相关概念,（3）能源效率能源系统的总效率由三部分组成：开采效率、中间环节效率和终端利用效率。能源开采效率是指能源储量的采收率。一般而言这一环节的效率是最低的。中间环节效率包括能源加工转换效率和储运效率；终端利用效率是指终端用户得到的有用能与过程开始时输入的能量之比。通常：能源效率=中间环节效率*终端利用效率。,16,1绪论1.1能源概论1.2节能的概念1.3节能基本原理1.4节能技术评价1.5我国建筑能耗概况,1绪论1.2节能的概念1.2.1定义,18,广义地：节约一切需要消耗能量才能获得的物质；狭义地：节约石油、天然气、电力、煤炭等能源；中华人民共和国节约能源法：节能是指加强用能管理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，较少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源。,1绪论1.2节能的概念1.2.1定义,中华人民共和国节约能源法表明：加强用能管理，向管理要能源。如能源计量、能源定额、能源合同管理、能源需求侧管理等；节能工作必须是技术上可行，符合现代科学发展和先进工艺制造水平。没有经济效益，节能不节钱，甚至是节能费钱就没有实施的必要。任何节能措施必须符合环境保护、安全质量可靠，并符合人们生活习惯。,19,1绪论1.2节能的概念1.2.2节能的层次及标准,(1)节能的层次不使用能源降低能源的使用质量通过技术手段提高能源使用效率通过调整经济和社会结构提高能源利用效率,20,(2)节能的准则最大限度地回收和利用排放的能量梯级利用能源，尽可能减少排放到环境中去的能量。能源转换效率最大化每一次能源状态的转换尽可能采用先进技术，提高能源转换效率；能源转换过程最小化尽可能直接利用，减少能量的转换次数；能源处理对象最小化对处理的对象在进行能源处理前尽量减量。,1绪论1.2节能的概念1.2.2节能的层次及标准,21,1绪论1.1能源概论1.2节能的概念1.3节能基本原理1.4节能技术评价1.5我国建筑能耗概况,(1)在热力学中，为明确研究对象，将物质或空间分为系统和环境，其之间由界面分开。孤立系统系统和环境没有物质和能量的交换封闭系统只有能量而没有物质的交换敞开系统有能量和物质的交换,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,23,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,(2)按热力学，能量的不同形式:内能，又称热力学能，以U表示；动能：,24,重力势能：,热：由于温差而引起的能量传递，以Q表示，热有传递方向。温度是热传递的推动力。当热加到系统以后，其储存的不是热，而是增加了该系统的内能。功，除了热之外的能量传递均叫做功，以W表示，功有传递方向，是系统发生状态变化时与环境交换的能量。,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,25,储存能,5种能量,传递能,内能、动能、势能,热、功,特点：由于物质本身具有质量并且处于一定状态下；与过程的始末状态有关，与过程本身无关。,特点：以能量传递的形式体现；只与过程途径有关，与状态无关。,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,26,按照一般分类：机械能（动能、势能）、热能、电能、辐射能、化学能、核能。热能是一种基本形式，由于：(1)所有其他形式的能量都可以完全转化为热能，而热能却不能完全转化为其他形式的能量;(2)绝大多数的一次能源都首先经过热能形式而被利用;节能工作中十分关注热能的转化和利用。,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,（3）热力学第一定律（即能量守恒定律）：能量既不能创造，也不会消灭。热力学第一定律的另一种表达：不消耗能量而产生机械功的第一类永动机是不可能造成的。例如：在热能与机械能相互转换过程中，如果系统消耗一定的热能，它就会完成相当数量的机械功；反之，若消耗一定的机械功，就会产生相当数量的热。,27,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,锅炉用能平衡图,28,1绪论1.3节能基本原理1.3.1热力学第一定律与节能的可能性,热力学第一定律对节能原理的指导意义:能量守恒必须将系统和环境一起来考虑，单独考虑系统时，能量是不守恒的，为节能的可能性提供了理论依据；节能的方向是减少能量向环境的转移，提高系统的能量利用率。,29,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,最广泛的说法：自然界一切自发过程都是不可逆的。1850年德国物理学家克劳休斯说法：“不可能使热量由低温物体向高温物体传递而不引起其他的变化。”，此说法针对热量传递过程的方向性。“外界做功”是使热由低温物体传给高温物体所必须具备的条件。1851年开尔文-普朗克说法：“要制成只从一个热源吸收热量并把它全部转换为功的热机是不可能的。”即“第二类永动机是不可能造成的。”“向冷源排热”是热机把热能不断地转换为机械能所必须具备的条件。,30,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,（3）热机及其效率的极限问题,31,绝热,等温,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,（3）热机及其效率的极限问题,热机的最高效率是由吸热环境的温度和放热环境的温度决定的。要想获得最大的功，可使热机的吸热温度尽可能的高，放热温度尽可能的低。但受各种因素影响，T1只能达到500600，T2就是常规环境温度，为2040，在此工作状态下，热机的最大效率为60%左右。,32,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,33,（4）制冷机及其效率的极限问题,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,34,（4）制冷机及其效率的极限问题,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,节流,冷凝,压缩,蒸发,中温高压液体,高温高压气体,低温低压气体,低压气液混合物/液体,节流阀,37,32,12,7,35,（4）制冷机及其效率的极限问题,冷源,冷凝器,蒸发器,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,36,（4）制冷机及其效率的极限问题,1,2,3,4,节流阀,Q2,Q1,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,（4）制冷机及其效率的极限问题,37,冷凝器,蒸发器,热量Q1,热量Q2,做功W,节流阀,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,38,热量,热机,功,功,制冷机,热量转移,卡诺循环：,逆卡诺循环：,利用热源的一部分热做功,利用做功把热量从低温物质转移到高温物质,热力学第二定律对节能原理的指导意义:不要将高品位的能量等量转变为低品位的能量。如将电能转变成热能，不要直接转换，可通过制热机提供能源效率系数低品位能量不能完全转变成高品位能量，过程中一部分能量转移到了环境中去。如能充分利用这部分能量，则可提高能量的利用率，达到节能的目的。,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,39,1绪论1.3节能基本原理1.3.2热力学第二定律与节能的程度,40,“饮水鸟”是永动机吗？,1绪论1.1能源概论1.2节能的概念1.3节能基本原理1.4节能技术评价1.5我国建筑能耗概况,1绪论1.4节能技术评价,不理想不科学的节能方法：节能不节钱节能节钱不环保短期节能效益,长期环境污染对潜在危险无法评定所以必须对节能技术进行全面、综合的评价。,42,1绪论1.4节能技术评价,43,例如：节能灯替代白炽灯,技术指标：光效高，寿命长,优势,怎样整改？,加大宣传力度完善回收处理体系更新技术，尽量减小汞含量，推广不含汞的节能照明产品如LED等相关标准和制度,1绪论1.4节能技术评价,44,1998年实施的中华人民共和国节约能源法；2005年建设部：民用建筑节能管理规定，民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)；夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(合肥地区适用)；夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准;公共建筑节能设计标准等,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,目前对节能技术的评价常用方法有能源使用效率评价、经济效益评价、生命周期评价。能源使用效率评价着重评价能源的转化利用过程中的技术因素，主要体现在能源的高效转化和充分利用上。经济效益评价着重各种节能技术所付出的代价和其所带来的效益之间的关系，如果代价大于效益，说得多动听的节能技术就目前而言也没有实施的必要。生命周期评价力争使节能方案对环境的各种影响降至最低。,45,(1)经济评价基础前提：不管采用何种节能技术或措施必须具有相同的状态比较标准，否则无法确定节能效果的好坏。方向：节能措施的技术经济分析，是要在措施实现以前全面考察其在技术上的可行性与经济效益的优劣，进行方案比较，确定投资方向，避免由于盲目性而造成人、物、财的浪费。,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,46,(1)经济评价基础步骤：首先建立不同技术方案；可行性分析；分析各种方案在技术性能和经济性方面的优劣及影响其经济性的各种因素；找出经济指标与各有关因素之间的关系；数学计算，求解指标的最优方案；综合分析，决策。,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,47,考虑到投资、影响范围和时间3个因素，经济效益计算：对于可行性研究的初期阶段或项目较小、补偿期很短时，可采用计算投资回收时间的补偿期法。对于较大型项目和经济寿命较长的项目（10年以上），需要进行包括时间因素和利率因素在内的计算方法。对于投资超过1000万元，使用寿命超过15年的大型项目，需要进行更详尽的综合分析，并用动态分析方法计算投产后1015年得财务平衡情况，以便于逐年逐项审查其资金偿还能力，并为最初作决策时参考。,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,48,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,(2)简单补偿年限法是最简单、最基本的经济分析方法。只考虑节能措施投入的资金在多长时间内可以由节能创造的直接经济效益中收回。对资金的利息以及节能的社会效益等全未予考虑。计算公式：式中，IP节能措施一次性投资费用，元；A节能措施形成的年净节约费用，元；N节能措施原投入资金的回收年限，年。AE为年节约能源费用；W为节能技术而增加的维修费用。,49,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,决策方法：判断单个方案是否可行：回收年限N既要小于标准补偿年限Nb，又要小于设备的使用寿命Ns；多个方案比较评价时，回收年限N小者为较优方案。注：对电类设备科按Nb=5年考虑。,50,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,例：关于节能灯和普通白炽灯的数据如下表，试分析利用节能灯替代白炽灯的经济可行性。,51,解：计算，利用简单补偿年限法（小时）,结论：可行（缺标准补偿年限的数据）,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,(3)标准补偿年限的计算费用法当多个方案满足技术条件要求，又符合NsNb时。计算公式：式中，IPi第i个节能措施一次性投入的资金，元；Nbi各方案对应的标准补偿年限，年；Si各方案对应的年运行成本，元；指设备正常运行时，每年的设备折旧、维护管理、能源消耗费用等等。,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,(4)动态补偿年限法考虑到资金的时间效益，若在ND年内回收一次投资，则应该符合下式条件：式中，Aj第j年节能项目每年的净节约费用，元；F节能项目寿命周期末的残值，元；i为资金的年利率。,53,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,(4)动态补偿年限法如果，项目每年的净节约费用相等，化简：得到：,54,决策方法：首先判断各个方案是否可行：动态回收期ND小于行业标准回收年限；优选方案：动态回收期ND小者为较优方案。,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,(5)寿命周期净现值收益法将一次性投资、每年的净节约费用、寿命周期、残值及资金利率均考虑在内，折算技术方案在寿命周期的净收益。计算式：同样地，如果项目每年的净节约费用相等，得到：式中，P节能项目寿命周期净现值收益。,55,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,56,(5)寿命周期净现值收益法决策方法：单个方案：P0，节能方案增益，经济上可行；P=0，节能方案收支相抵，经济上无收益，但若有环境收益，可考虑实施；P0，节能方案增益，经济上可行；AP=0，节能方案收支相抵，经济上无收益，但若有环境收益，可考虑实施；AP0，节能项目亏损，经济上不可行。多个方案：AP大者为较优方案。,58,（7）案例分析对某锅炉进行节能技术改造，有两个方案可供选择：方案A，一次性投入20万元，每年产生的节约能源费用5万元，因节能技术而增加的年维修费用1万元，使用寿命8年，设备残值3万元；方案B，一次性投入30万元，每年产生的节约能源费用7万元，因节能技术而增加的年维修费用1.5万元，使用寿命10年，设备残值4万元；在资金年利率为10%的情况下，判断两节能技术改造方案的可行性。,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,59,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,60,简单补偿年限法,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,61,标准补偿年限内的计算费用法,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,62,动态补偿年限法,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,63,寿命周期净现值收益法,1绪论1.4节能技术评价1.4.1节能技术经济评价,64,年度净收益法,1绪论1.4节能技术评价1.4.2节能技术生命周期评价,（1）生命周期评价的概念生命周期评价（LifeCycleAssessment，LCA）是一种评价产品、工艺过程或服务系统，从原材料的采集、加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统对环境负荷影响的方法。ISO14040对LCA的定义是，汇总和评价一个产品、过程（或服务）体系在其整个生命周期的所有及产出对环境造成的和潜在的影响方法。该方法注重于研究产品系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的环境影响。,65,1绪论1.4节能技术评价1.4.2节能技术生命周期评价,国际标准化组织ISO14040所提出的技术框架,国际环境毒理学与环境化学学会（SETAC）所提出的技术框架,（2）生命周期评价技术框架,66,1绪论1.4节能技术评价1.4.2节能技术生命周期评价,（3）节能技术生命周期评价应用生命周期评价应用于节能技术，可遵循ISO的生命周期评价技术框架，确定评价的目的和范围，对每种不同的节能技术需进行溯源分析，收集对该技术所需的原料的清单分析数据，按照原料获得、原料生产、产品加工、节能技术应用、节能技术后处理整个生命周期，计算各种LCA指标数据，并据此进行影响评价。,67,1绪论1.1能源概论1.2节能的概念1.3节能基本原理1.4节能技术评价1.5我国建筑能耗概况,1绪论1.5我国建筑能耗概况1.5.1我国城市化进程概况,（1）城市化是由农业为主的传统乡村社会向以工业和服务业为主的现代城市社会逐渐转变的历史过程。城市化体现四个方面特征：人口和非农活动向城市的转型、集中、强化和分异；城市景观的地域推进；城市的经济、社会、技术变革的扩散；城市文化、城市生活方式、城市价值观念的扩散。（2）城市化水平的计算就是城市人口除以总人口。城市化进程可以划分为三个阶段：初级阶段是缓慢的过程，城市化水平在30以下；中期阶段是加速的阶段，城市化水平在30至70，据预测到2015年我国城市化水平达到50%；后期阶段基本稳定，城市化水平在70至90。,69,（3）二战以后，世界城市化的特征表现为：发展中国家是世界城市化的主动力；城市化水平最高的还是欧美发达国家；大城市的规模和数量增长明显，而且在经济社会中的作用非常突出；出现了多个大都市连绵带，也出现一些全球性的城市。（4）预测到2015年左右，我们国家设市城市将达到800个，百万人口城市的集中度提高。超大城市从11个增加到20个，特大城市由23个增加到35个，大城市由44个增加到60个，中小城市由588个增加到650个；城市群也将出现较大的发展，其中珠三角、长三角是第一层次；第二层次就是京津塘、山东半岛、辽东半岛、厦漳泉，长株潭，河南中部、四川盆地