1、建筑冷热源优化设计 的新理念与新方法,一、能源科学概揽 能量与功率/能流密度(W/M2),一、能源科学概揽 人类耗用能率(power consumption),一、能源科学概揽 人类耗用能率(power consumption),2002世界人口62亿,消耗的能源为451EJ(1EJ=1018J),其中化石能源提供了约75%.目前探明:煤还可用大约200年; 石油 40年; 天然气 60年;且石油开采水平将在2010年左右达到峰值,以后就逐年下降.,一、能源科学概揽 人类耗用能率,耗用能率呈指数（exponential）曲线上升。当耗用率达到现在耗用率的一倍的时候，称该时刻为倍时（Doubli
2、ng Time），用tD表示： tD =ln2/a=0.7/a,一、能源科学概揽 人类耗用能率,从现时到倍时之间的能消耗量为：,回顾自古至今，人类的总能消耗量为：,一、能源科学概揽 人类耗用能率,如果 a=0.07/year则 tD=0.7/（0.07/y）=10year即每十年能消耗率将翻一倍也即未来十年的能消耗量=自古至今人类总消耗量,一、能源科学概揽 人类耗用能率,能源危机并非妄言！十年以后能源消耗量会更快增加！能源问题会更加严重！ 以石油为例，按照此模式计算，最后一滴石油将在百年内耗去。,一、能源科学概揽 能源供应能力,能开采供率PP（power production）假定能储量ER（
3、energy reserve）为一个定量,数学模式为：,一、能源科学概揽 能源供应能力,当某种能源（如石油）初发现被开采时，AT t=-，PP=0，呈指数曲线上升。Pproduction=Pconsumption,其后开采费渐增，开采率势必逐减，故：PP=0 ，AT t=+因为是对称函数最大开采率在t=0发生,一、能源科学概揽 能源供应能力,以此模式推演，此种能源76%将在峰开采率附近（4/a）时段内被开采。如果a=0.04/y，即表示76%能储量将在100年内被采。上述数学模式在美国石油采供统计上显示了惊人的准确度。美国的峰采率出现在1976年。,一、能源科学概揽 能源供需平衡问题,目前世界
4、能源90%以上来自化石燃料（fossil fuel） ，比较其供需曲线可见二者之差越来越大，如何保证人类将来有足够的能源是一个高挑战性问题。,一、能源科学概揽 能源供需平衡问题,能源从何处来？化石燃料太阳太阳能太阳风能太阳能约10%被空气吸收导致温差风水差能洋面水蒸发(太阳能)冷却成雨流往低处海洋温差洋面吸收太阳能产生洋面高温，洋底低温潮汐能日月吸力导致位能差等由此可见，绝大多数能源来自太阳,一、能源科学概揽 地球能量平衡,如图一部分太阳能率进入地球大气层，地球又辐射能率到外太空，二者必须平衡，否则地球温度会有变化。,S：大气层外太阳能率强度（约1400W/m2）r：反射系数，约0.35,一、
5、能源科学概揽 地球能量平衡,RE：地球半径，约6.4106m：辐射系数（Emissivity系数）约0.6TE：地温 近二百年来，地球温度变化不大，上述二能率大致相等，地温为：,一、能源科学概揽 地球能量平衡,抵达地面的总太阳能率是(1-r)s(R2E)，约1019W，远超过人类耗能率1013W。故如果能有效运用各种不同方式的太阳能，解决能源危机大有希望！,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,（A）污染（pollution） 大量使用化石燃料产生大量燃烧后化学产品（production）：,其中，CO，SO2，NSOT对人体有害，CO2（与玻璃性质相似，在长波辐射long wave rad
6、iation 中抑制大气辐射系数），导致温室,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,效应。 微粒固体灰尘漂浮在空中会增加大气反射率r。（B）热污染（thermal pollution） 燃烧化石燃料产生大量热进入大气，地球能率新平衡改为：,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,其中：PH：人耗能率废热 人耗能率废热导致地温增加，地温增加的数学推演是,(TE)0：原地温（未考虑人耗废热）TE：新地温（考虑人耗废热）,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,=约0.00006但是是以指数曲线上,初步推算一百年以后将比现在增加250倍，将导致地温1升高。,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,
7、（C）微固体及二氧化碳 地温又与大气之r（反射系数）及（辐射系数）有关，数学微分显示：,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,大气中愈多固体粒子就有愈高的大气反射率（r），愈多的太阳能率反射回太空，导致地温降低。 反之，大气中愈多二氧化碳（CO2）就会使大气的辐射系数（）降低，地球辐射能率降低，导致地球增温。 上述二种因素均可导致地球变温。何种更为重要是一项科学家久辨迄今仍未有定论的课题。,一、能源科学概揽 人类用能对地球的影响,温室效应(CO2,CH4),年份,CO2/含量*10-4%,目前,CO2含量每年增加3%,以1.5*10-4%(体积分数)的速度增长.每年大约有230亿吨CO2被释
8、放到大气中,每秒超过700吨;如果保持这种速度,未来50年,全球气温上升1.5-4.5度,将导致极地冰雪消融,海水升温膨胀,淹没沿海大多数地区,气候将发生重大变化.,一、能源科学概揽 新能源开发展望,A 外太空太阳能电力站 外太空太阳能率约为1400W/m2，达地太阳能率约为700W/m2，二者有显著差异。如能在外太空建太阳能电力站，再以微波(如laser)将能率传回地面，可获得比在地面上建站约30倍的能率。此项工程极为浩大，是里根总统太空战计划的一部分。,一、能源科学概揽 新能源开发展望,B 地面太阳能电力站 在加州已建有太阳能站（适合沙漠及多阳地区）。站址为一山谷，谷坡上设许多反射板，反射
9、板由计算机控制，方向恒向阳，反射板太阳能率均折射至焦点中心塔，产生高温，用以发电，成本颇高。,一、能源科学概揽 新能源开发展望,C 地面太阳能制冷生热设备 产品成本较低，适合偏远，无或贵电力地区用以保存食物及温热器。已在许多地区应用及推广。D 海洋温差发电 海洋占全球表面的70%，是天然的免费太阳能集热板，利用近赤道的洋面温（约26）及洋底温（约5）差发电。,一、能源科学概揽 新能源开发展望,虽电厂效率不高（约3%），但洋水数量庞大，足可产全球需用能。美国曾建二座，在日本、印度洋、印尼、美国、墨西哥和台湾地区均有建厂可能，虽技术可行，但初投资庞大难措。E 风力发电 如风速够高（约30km/h）
10、即有发电效益。美国、一些欧洲国家及许多岛屿都已建有此类电厂，可行性很高。,一、能源科学概揽 新能源开发展望,F 潮汐发电 加拿大东岸，日本某些地区，俄国及南美洲均有潮汐差约10m处，正考虑其可行性。世界现有二潮汐电厂一在俄国，一在法国。,一、能源科学概揽 新能源开发展望,G 地热发电 许多地板隙及火山区均有大量地热可资发电。美国、日本、意大利、菲律宾及冰岛均建用此种电厂。H 其他形式（生物质能等） 包括废物、甘蔗、玉米、植物发电或者石油取代物，均为近期可发展出来之非传统能源。,一、能源科学概揽 新能源开发展望,所有非传统能源之开发均视化石燃料之供应及价格而定。理论上化石燃料愈来愈少愈贵，而人类
11、追求更高生活水准及需用能愈切，能源问题愈为重要。除非有突破性的研发，能源会是一个愈为严重的课题。,一、能源科学概揽 绿色能源的一般概念,新能源与可再生能源技术(核能,太阳能,风能,现代生物质能,氢能,地热能,海洋能和小水电等)；高效能量转换与传递技术；高效节能技术；能源对生态、环境的影响；能源政策。,二、建筑冷热源优化设计的重要性,我国目前建筑能耗占全国总能耗的20%左右，其中暖通空调及卫生热水能耗所构成的建筑冷热源能耗占约占建筑能耗的80%，我国正处在建筑能耗高速度增长的时期。能源短缺问题日益突出，从2003年7月份起，连续几年的夏季，先后有21个省级电网出现了不同程度的拉闸限电，缺电局面严
12、峻 。有资料表明，目前我国大部分地区出现的能源供需矛盾都是季节性的能源短缺,而不是全年性的能源短缺,建筑冷热源能耗是导致我国出现季节性能源短缺的主要原因(这说明我国能源利用存在结构性失调)。,暖通空调能耗是建筑能耗中的大户,占其50%60% 暖通空调能耗分为： 冷热源能耗末端设备能耗辅助设备能耗(如泵，风机等) 冷热源能耗占暖通空调能耗的大部分 冷热源用能主要以电力和化石能源(煤、油、气) 特别是煤炭为主,能源结构不合理,能源利用率低冷热源领域的节能潜力还很大,建筑设备能耗是建筑能耗的主要组成部分之一，其中暖通空调系统和卫生热水系统又是主要耗能的建筑设备，二者总共可占总建筑能耗的75左右（空调
13、部分约占65），因此研究高效节能的暖通空调及卫生热水设备（新型冷热源装置、热回收设备等）及新的设计方法对建筑节能具有十分重要的意义。,三、目前建筑冷热源优化设计存在的问题,3.1 建筑冷热源系统的整体优化较差,在当前的建筑冷热源设备设计中,由于建筑设备种类繁多,各种设备差别较大,很少有人从建筑设备整体系统考虑对各设备优化。例如, 在夏季时，空调机组制取冷冻水向建筑物供冷时，将大量的冷凝热释放到周围环境中去，与此同时，开动热水锅炉加热卫生热水来满足日常需求，这显然是不合理的。,3.2 节能新工艺和新设备的先进性评价方法不够合理,建筑冷热源优化选型过程中，有众多的影响因素，各因素之间的尺度（单位）
14、不同，没有一定的可比性，采用人工计算几乎不可能。在实际工程中，化繁为简，普遍采用技术经济比较。这种方法力求以技术经济作为评价指标，但在操作过程中，往往考虑的是短期经济效益（初投资），不利于有其他优势的新技术的发展。,四、解决办法,建筑冷热源设备进行整体优化设计，达到能源的合理利用建立可行的冷热源优化选型模型，合理评价各建筑冷热源设备的优劣开发简单易用的建筑冷热源优化选型软件，辅助系统设计,五、建筑冷热源优化选型模型,5.1 选型模型的分类,依照其计算系统能效的方法分类,5.2 经济评价模型,该方法将经济性作为唯一的评价指标，冷热源选择具有盲目性和主观性。比如，省钱的方案不一定是省能的方案，省钱
15、的方案运行成本可能就高，同时环保性、设备维护、检修的难易程度等这些问题都不能简单依靠经济这个评价准则来体现，这些问题都是这类模型的缺陷。,5.3 综合评价模型,综合评价方法，对各种需要考虑的因素进行解析化和定量化，使各因素统一到同一个平台上来考虑，利用数学模型，找到最优的方案,5.4 综合评价两种模型的介绍,热平衡分析模型：即系统能效的计算基于热力学第一定律；这种方法依据的是能量的数量守恒关系火用 分析模型：即系统能效的计算基于热力学第一和第二定律；体现了能源的“质”和“量”两个方面的利用情况,5.5 概念解释,物质由于其所处的状态与某一基准状态不相平衡而具有的做功能力定义为 火用火用 效率的
16、大小体现了系统和过程的热力学完善程度,5.6 热平衡分析模型的缺陷,按照热平衡方法的观点，10000kJ的热量在100下转换为机械功的能力应该与800时的相等，但实际上10000kJ的热量在100下转换为机械功的能力大约只是800时的1/3左右，这个结果与火用 分析方法的结果是一致的 。如果采用电热取暖，其热效率是100%,而其火用 效率却不到10%，这种取暖方法的热力学完善程度是极差的，通过火用 分析可知， 主要问题在于输入的质量火用 太高，而产出火用 的质量极低。,基于火用 分析的综合评价模型比其他模型更科学、更深入、更全面,六、我们已有火用 分析模型及相应算法,6.1 此模型及算法简介,
17、结合火用分析方法和热经济学原理建立了空调冷热源系统的火用 分析模型，综合考虑了单位产品火用 成本、初投资、技术先进性、安装面积、运行安全可靠性、维护管理难易程度和环保性等多种决策影响因素，采用多目标模糊决策方法，提出了基于火用 方法的冷热源优化决策算法。,6.2 此模型的优点,此模型从火用 分析方法来研究建筑冷热源设备的能量流动和转换过程，可以从能量转换的本质上发现节能研究的新途径。选型时，充分考虑各类余热或自然能源的利用，使能源的综合利用更加合理。不以经济作为唯一的评价指标，肯定了具有其他优势的新技术的价值，在某种程度上促进了建筑冷热源新技术发展。,6.3 有待解决的问题,选型中需要考虑的因
18、素等各项信息还不够完善，需要进一步整理,七、已开发的软件(xx教授课题组),7.1 设备选型数据库介绍,此软件(模块)适用于已知建筑冷热负荷及其他少量信息时的方案决策,先选择热源方式，正确输入冷负荷、热负荷、热水负荷及蒸汽负荷后，点击查看设备里的各个按钮可分别打开冷源、热源及冷热源设备选项卡；点击确定键则可打开另一窗口，查看满足要求的设备按模型计算后的结果。各设备分担热源要求是指：冷负荷、热负荷、热水负荷及蒸汽负荷整体考虑，eg：热泵、回收余热等满足热要求；锅炉满足热源要求是指:热负荷与其他负荷分开考虑，只使用锅炉满足热负荷。,说明：冷热多功能设备的计算结果，是冷源和热源分别计算后的加和,故单冷单热设备要将其值加和后再与冷热多功能设备相比较；计算结果是按降序排列，其值越大越好；冷热多功能设备即，既能满足热负荷又能满足冷负荷要求的设备，如：空气源热泵、地源热泵等设备；分别选择“机组种类”下拉列表框中的各项，输入设备型号后，点击运行查询可查看各设备的详细信息（可使用通配符？、*）,
