建筑物复合能量系统集成建模的策略研究及在设计层面的实现 - 没有幻灯.ppt

建筑物复合能量系统集成建模的策略研究及在设计层面的实现 答辩人胡文斌指导教师华贲教授二 二年六月 华南理工大学工学博士学位论文 本课题是国家重点基础研究发展规划项目高效节能的关键科学问题针对节能技术的重大需求领域建筑物中的研究属于能量利用系统的研究范畴 1 我国建筑能耗现状 1 我国建筑物耗能约占总能耗的10 左右 右图反映了各部分能耗所占比重 2 与同气候条件的发达国家相比 我国单位建筑面积的采暖能耗为他们的3倍左右 3 空调住宅能耗约为一般住宅能耗的6 7倍 住宅面积迅速增长 年增长率10亿m2 九五期间增加55亿m2 2020年将达500亿m2 能耗需求剧增 一 我国建筑能耗现状与研究现状 建筑节能是国民经济发展的重大需求 2 建筑节能的研究现状 1 建筑主体节能加强围护结构的隔热保温性能 2 设备系统的节能提高设备系统的效率 大力挖掘可再生能源 3 物业设施管理新兴的物业管理公司 物业管理法规的不断完善 4 投资核算与技术经济比较概预算与技术经济核算 一 我国建筑能耗现状与研究现状 帆船运输 人工运输 临时架桥 AllRightsReserved 2002 帆船运输 帆船运输 建筑节能中的 孤岛 效应 1 给定有用能单价下 围护结构的优化设计2 考虑多能源构成和热电冷联产技术 降低建筑物用能成本3 可再生能源利用系统的优化 降低建筑物用能成本 4 有用能单价与围护结构用能优化权衡的多次迭代 二 本论文的对策 整体优化 三 本论文研究技术路线 整体策略 框图与模型 设计层面实施 1 建筑物复合能量系统多层次集成建模的内涵 1 系统多层次建模是基于设计 运行 控制三层次和技术与管理两个方面的集成建模 2 三层次的划分基于时间角度 设计贯穿系统的寿命周期 运行是针对季节 昼夜天候变化而采取优化用能措施 控制则是实时变化条件下的优化操作 它涉及到系统在时 分 秒时间尺度上的运行和管理 3 集成建模研究工作的关键是三个层次模型之间集成关系的揭示和描述 四 总体策略 2 集成建模策略实施的四个模型 1 组元的物理模型描述组元静 动态运行特性 是建筑物复合能量系统集成建模的基础 2 流结构模型描述组元在不同时间尺度上的联结关系 3 功能层次模型建立在组元与流结构定量描述的基础上对系统不同层次联结关系的描述 4 软件开发模型集成策略的软件开发模式 四 总体策略 3 集成建模策略的层次结构描述 四 总体策略 五 模型描述 组元的物理模型 如何描述 纷繁复杂的建筑物能量系统 共同的组元结构 提炼 具体的系统 抽象的组元 物质 能量 资金 信息 备件 人件 组元面向对象描述 组元OMT描述 描述方法 描述 五 模型描述 组元的物理模型 实例解释 ENTITY Buildingiscomposedof SETOFEnvelopecontains SETOFSpaceENDENTITY ENTITY Spaceiscomposedof SETOFSurfaceENDENTITY ENTITY Surfacehasareaof REALiscomposedof SETOFLineissurfaceof Envelopeisfaceof SpaceENDENTITY 实例解释 实例解释 流是指在组元之间发生 并把组元联结起来 构成有一定功能 一定目标 一定结构的 具有流动和传递特性的客体 1 物流能流的载体 2 能流描述能量转换 利用和回收中的普遍规律 3 资金流依附于前两者 如资金投入 运行能耗 4 信息流贯穿于三层次 设计层为信息交换 5 人件流涉及控制管理层次 6 备件流涉及控制管理层次 六 模型描述 流结构模型 组元1 组元2 组元n 设计层次的流联结 组元1 组元2 组元n 运行层次的流联结 组元1 组元2 组元n 控制层次的流联结 设定的外界条件 实时的外界条件季节昼夜 实时的外界条件时分秒 科学决策 优化运营 快速反应 六 模型描述 流结构模型 建筑物复合能量系统的能流网络图 1 能源层常规能源和可再生能源 2 能源转换层实线所示的为分布式热电冷三联供系统 虚线所示的为可再生能源转换系统 3 用户层围护结构用能子系统 消耗能源 获取有用能 包括电能 空调冷量 采暖热量 生活用热等 4 约束层约束层研究影响各种有用能需求量的因素 六 模型描述 流结构模型 夜间通风与机械混合通风Cambridge UK 墙体蓄冷与蒸发冷却California USA 太阳能吸附除湿制冷Stockholm Sweden 地源热泵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统能流网络图的重要意义 1 供各种终端用能选择最优 最有竞争力的技术方案和相应的辅助方案 2 能流网络图是对建筑物复合能量系统能流结构的一种宏观描述 六 模型描述 流结构模型 宏观 子系统 七 集成建模策略在设计层面的实施 围护结构的并行优化设计 传统围护结构设计模式 弊端总结 用户需求 建筑设计 结构设计 设备设计 概预算 图传统的垒墙式 Overthewall 围护结构设计模式 围护结构用能子系统的并行设计矩阵表 七 集成建模策略在设计层面的实施 围护结构的并行优化设计 集成建模策略在设计层面的实施 围护结构的并行优化设计 围护结构并行设计的集成策略 围护结构用能子系统的并行设计协调方式 1 围护结构自身的协同优化定义各元活动公共的元对象为全局设计变量 元活动的协同就是调整全局设计变量 2 围护结构用能子系统与分布式热电冷联产子系统的协同优化围护结构与能源转换系统的优化之间存在多次迭代 即协同优化 七 集成建模策略在设计层面的实施 围护结构的并行优化设计 七 集成建模策略在设计层面的实施 分布式建筑物能量系统及其优化设计 传统方式 联产方式 七 集成建模策略在设计层面的实施 分布式建筑物能量系统及其优化设计 分布式建筑物能量系统的特征 1 能源多元化 气态燃料为主 可再生能源为辅 2 设备的小型 微型化 3 热电冷联产化 全能量系统 4 网络化 低压联网 就近支援 实现能源互联 6 智能化控制和信息化管理 7 电力 热力 燃气和环境的整体优化 七 集成建模策略在设计层面的实施 分布式建筑物能量系统及其优化设计 互联的分布式建筑物能量系统 并网 燃料电池 风力发电 光伏发电 小型燃机 小型燃机 主电厂 调峰电厂 微型燃机 逆变器 分布式热电冷三联供系统优化设计1 系统结构的选择单独的三联产 联产 蓄冷 2 设备容量的确定燃机容量 全蓄冷 部分蓄冷 3 系统的运行策略 1 燃机的运行策略 以热定电 以电定热 补燃以及上网竞价 2 蓄冷系统的运行策略 主机优先 蓄冷优先以及优化控制 七 集成建模策略在设计层面的实施 分布式建筑物能量系统及其优化设计 各运行策略的技术经济模型 1 初投资 2 运行费用 3 环境治理费用其火用经济平衡关系式为 七 集成建模策略在设计层面的实施 分布式建筑物能量系统及其优化设计 原型软件开发流程1 能量需求系统的优化设计2 分布式热电冷三联供系统的优化设计3 可再生能源利用系统的优化4 围护结构用能子系统与能源转换子系统的协同优化5 投资核算与能量需求供应汇总 七 集成建模策略在设计层面的实施 软件开发流程与构件化开发模式 图DeST与BCESO之间基于STEP数据库的信息交换 注册ODBC数据源 SQL数据库查询 Access数据库STEP结构 DeST部分界面 BCESO部分界面 实例解释 图建筑能量系统优化软件包界面示例 图分布式热电冷三联供系统优化界面示例 实例解释 七 集成建模策略在设计层面的实施 软件开发流程与构件化开发模式 1 工程概况地点 广州几何参数信息 2 优化目的在围护结构和能源转换系统的协同优化下寻找最佳的幕墙材料方案五种幕墙材料方案 1 单片白玻 A 2 白玻中空玻璃 B 3 单片热反射镀膜玻璃 C 4 热反射镀膜中空玻璃 D 5 LOW E中空玻璃 E 七 集成建模策略在设计层面的实施 案例分析 七 集成建模策略在设计层面的实施 案例分析 结论分析 1 对建筑物复合能量系统的优化设计 当能源供给方案改变后 围护结构的设计方案需要重新考虑 2 在较低的能源价格下 适当降低围护结构的隔热保温性能仍可能取得较好的经济效益 当能源价格提高后 加强围护结构的隔热保温性能无疑可以提高经济效益 3 在联产模式下 由于各种围护结构方案会产生不同的建筑物用能需求 联产方案存在优化必要 八 工作创新点总结 1 从总体高度 总结了建筑物复合能量系统集成建模的策略基于四种结构 组元物理结构 流结构 功能层次结构和软件开发结构 2 结合能流三环节方法和建筑物复合能量系统的能流网络图 阐述了设计层面的集成建模框架 三个子系统的权衡迭代 3 给出设计层面软件流程图 并开发出相应的原型软件 九 研究展望 1 深化集成策略 实现围护结构用能优化 热