建筑物复合能量系统集成建模的策略

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建筑主体节能设备系统节能能源规划与技术经济分析物业设施管理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、总体策略科学决策优化运营快速反应设计层运行层控制层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分布式罗建筑物龟能量系异统能流兼网络图漏的重要顾意义（1）乡丰供各种仇终端用港能选择季最优、亡最有竞拖争力的舌技术方宿案和相她应的辅划助方案贼；（2）能你流网络图陡是对建筑改物复合能鸣量系统能怀流结构的盛一种宏观推描述。六、模型挽描述－－流结构浆模型宏观子系统七、集成傻建模策略尽在设计层低面的实施见－－围护结忧构的并马行优化搞设计传统围扫护结构施设计模稿式：弊端总崭结……用户需减求建筑设悼计结构设计设备设伸计概预算图传统出的垒墙式乘（Over千the障wal乒l）围护违结构设扎计模式围护结构肤用能子系米统的并行漆设计矩阵趋表：七、集成塑建模策略校在设计层驾面的实施逝－－围护结番构的并炒行优化炊设计集成建模薄策略在设无计层面的金实施

－菊－围护结构舅的并行优泥化设计围护结炕构并行偏设计的典集成策器略围护结构茅用能子系伐统的并行辨设计协调副方式：（1）围护结构拔自身的协至同优化定义各崖元活动袍公共的唱元对象况为全局盾设计变烈量。元伯活动的挤协同就华是调整直全局设扣计变量炒；（2）围护结袖构用能鹊子系统墓与分布置式热电且冷联产跑子系统身的协同求优化围护结除构与能夺源转换捐系统的心优化之榆间存在健多次迭茧代，即应协同优泉化。七、集成矛建模策略延在设计层年面的实施雪－－围护结鸡构的并渐行优化叙设计七、集裁成建模定策略在档设计层兵面的实笼施

－剑－分布式建排筑物能量壤系统及其虎优化设计传统方式联产方嚼式七、集付成建模喉策略在膏设计层座面的实滑施

－矿－分布式吊建筑物应能量系务统及其厦优化设棋计分布式露建筑物莫能量系拆统的特宰征：（1）芽能源多犹元化（展气态燃蜂料为主猎，可再盘生能源佣为辅）（2）设纽奉备的小型是、微型化（3）热汉电冷联产定化（全能跃量系统）（4）隶网络化显（低压均联网，望就近支具援，实持现能源舍互联）（6）智常能化控制四和信息化鲜管理（7）等电力、道热力、庆燃气和胜环境的哀整体优屿化七、集成迁建模策略袄在设计层腐面的实施敢－－分布式建具筑物能量羽系统及其棵优化设计互联的分绿布式建筑惧物能量系部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躬机逆变器分布式糟热电冷虫三联供忙系统优跑化设计1.系控统结构跨的选择单独的三阿联产?醒联产+块蓄冷?2.设备只容量的确毁定燃机容量设?全蓄哄冷?部跳分蓄冷？3.系甘统的运贷行策略漠：（1）述燃机的辉运行策咏略（以亦热定电路、以电乔定热、浩补燃以茅及上网缺竞价）（2）宏蓄冷系拜统的运慌行策略燃（主机牺优先、驾蓄冷优悲先以及垂优化控由制）七、集动成建模害策略在袋设计层葵面的实捏施

－隙－分布式建魔筑物能量内系统及其穗优化设计各运行复策略的迅技术经耻济模型（1）初格投资（2）运窄行费用（3）环咸境治理费耀用其火用经秘济平衡关是系式为：七、集炕成建模胆策略在坐设计层摔面的实喊施

－失－分布式建寒筑物能量酷系统及其樱优化设计原型软帖件开发友流程1.能量醋需求系统猜的优化设折计2.分布惠式热电冷塞三联供系升统的优化纺设计3.可必再生能禾源利用父系统的贼优化4.围护志结构用能吐子系统与义能源转换磁子系统的碎协同优化5.投评资核算凡与能量敞需求供链应汇总七、集成拦建模策略向在设计层辟面的实施兼－－软件开咏发流程断与构件匹化开发弊模式图DeST与BCE斗SO之间基子于STEP数据库的览信息交换注册O失DBC派数据源SQL验数据库晴查询Acce誓ss数据库STE倚P结构DeS娃T部分界面BCE肺SO部分界俩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、集兽成建模展策略在榜设计层长面的实悠施

－别－软件开论发流程辉与构件去化开发艰模式1.工拦程概况地点：广州几何参数神信息：2.优泥化目的在围护结成构和能源窑转换系统蛋的协同优碧化下寻找科最佳的幕组墙材料方中案五种幕墙霸材料方案们：（1）岁单片白吐玻(A霉)社（2猪）白玻搜中空玻邪璃(B滋)（3）单污片热反射兵镀膜玻璃菜(C)偿（4）凡热反射镀同膜中空玻夹璃(D)（5）L蛋OW-E扯中空玻璃女(E)七、集成沿建模策略赢在设计层超面的实施气－－案例分闲析七、集孙成建模姑策略在反设计层陷面的实啊施

－证－案例分棕析结论分析（1）对用建筑物复佩合能量系英统的优化蜡设计，当煌能源供给西方案改变饮后，围护紫结构的设雨计方案需攀要重新考败虑；（2）野在较低键的能源椅价格下衣，适当炭降低围们护结构累的隔热岩保温性鸽能仍可趣能取得逝较好的们经济效她益；当肚能源价阶格提高期后，加翻强围护修结构的稳隔热保明温性能崭无疑可户以提高熔经济效滨益；（3）喷在联产轮模式下叔，由于危各种围脸护结构时方案会获产生不厘同的建缎筑物用黄能需求嚷，联产铲方案存篮在优化谈必要。八、工梯作创新雪点总结1.从总提体高度，豪总结了建顷筑物复合奏能量系统距集成建模拳的策略基泳于四种结饥构－－组元物理检结构、流往结构、功烫能层次结吹构和软件瞒开发结构；2.结袜合能流膊三环节岭方法和经建筑物段复合能熊量系统弟的能流胜网络图呜，阐述症了设计圈层面的扶集成建阔模框架抬－－三个子将系统的愈权衡迭吧代；3.给出生设计层面仇软件流程浆图，并开略发出相应么的原型软店件。九、研究韵展望1.深势化集成狭策略，遮实现围护结娃构用能芹优化－反－热电药冷联产链－－可跟再生能携源优化挺利用三岗者的迭馅代权衡受的整体类优化；2.在盲各地气耀候条件独、技术