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1、专业概论,建筑环境与能源应用工程,龙 恩 深,建筑环境与能源应用工程专业概论,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配,1 建筑能源的需求 2 建筑热能的生产原理 3 制冷的原理 4 建筑热能的采集原理 5 建筑能源的交换原理 6 建筑能源的输配,以人为本是建筑设计建造的基本要求。 建筑对能源的需求，从根本上取决于人对建筑环境、使用功能、居住行为等的要求。 设计师根据当地能源、资源现状，合理规划设计各种能源供应系统，为居住者提供安全、健康、舒适、方便等服务，代价是能源的消耗。 不同的建筑对能源的需求是不同的，且随着社会经济发展、人们生活水平的提高而不断
2、变化。,1 建筑能源的需求,1.1 建筑能源需求的种类,舒适类 热环境控制（空调、采暖） 湿环境控制 声环境控制 光环境控制 健康安全类 空气品质保证 卫生热水供应 生活便利类炊事、设施、交通,1 建筑能源的需求,1.1 建筑能源需求的种类,1 建筑能源的需求,1.2 建筑温控能耗的需求,1 建筑能源的需求,1.3 建筑冷源与热源的种类,（1）建筑冷源的种类 天然冷源 天然冷源有天然冰、深井水、深湖水、水库的底层水、温度较低的空气等。 人工冷源 消耗机械功实现制冷的冷源 消耗热能实现制冷的冷源,1 建筑能源的需求,1.3 建筑冷源与热源的种类,（2）建筑热源的种类 通过燃料燃烧将化学能转换为热
3、能的热源 采集太阳能 采集余热 电热转换,1 建筑能源的需求,1.3 建筑冷源与热源的种类,（3）建筑冷热源一体化 利用低位能量的热源热泵 热泵是从低位热源处提取热量并提高温度后进行供热的装置；若向低位热源排放热量，则可制冷。 直燃型冷热机组 （4）按冷热量供应的集中程度分类 集中式 分散式,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配,1 建筑能源的需求 2 建筑热能的生产原理 3 制冷的原理 4 建筑热能的采集原理 5 建筑能源的交换原理 6 建筑能源的输配,一般是消耗煤炭、石油、天然气等化石燃料，将燃料的化学能转化为水或蒸汽的热能，核心设备是锅炉。 对于液体和气体燃料，碳氢化合物的燃烧反应式
4、为： 对于固体燃料， C+O2=CO2,能量转化满足：能量守恒定律,物质转化满足：质量守恒定律,2 建筑热能的生产原理,2.1 能源转化原理,锅炉是将燃料的化学能转化为热能，又将热能传递给水，从而产生一定温度和压力的蒸汽或热水的设备。 锅炉及锅炉房设备的任务，在于安全可靠、经济有效地把燃料的化学能转化为热能，进而将热能传递给水，以生产热水或蒸汽。 锅炉随着蒸汽机的发明而出现和迅速发展，迄今已有二百余年的历史。其间，从低级到高级，由简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量、参数要求的不断提高，锅炉型式和锅炉技术得到了迅速的发展。 对社会发展贡献卓著,2 建筑热能的生产原理,2.2 锅炉工作过程及
5、原理,基本构造由“汽锅”和“炉子”两大部分。,2 建筑热能的生产原理,2.2 锅炉工作过程及原理,锅炉的工作包括3个同时进行着的过程： 燃料的燃烧过程 烟气向水的传热过程 水的受热升温（汽化）过程,2 建筑热能的生产原理,2.2 锅炉工作过程及原理,锅炉热平衡的公式可写为： 式中 QrlNm3燃料带入锅炉的热量，kJ/Nm3； Ql锅炉有效利用热量，kJ/Nm3； Q2排烟热损失，kJ/Nm3； Q3化学不完全燃烧热损失(或气体不完全燃烧热损失)，kJ/Nm3； Q4机械不完全燃烧热损失(或固体不完全燃烧热损失)，kJ/Nm3； Q5散热损失，kJ/Nm3； Q6灰渣物理热损失及其他热损失，k
6、J/Nm3；,2 建筑热能的生产原理,2.3 锅炉的热效率与热平衡,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配,1 建筑能源的需求 2 建筑热能的生产原理 3 制冷的原理 4 建筑热能的采集原理 5 建筑能源的交换原理 6 建筑能源的输配,日常生活中，衡量冷与热是以人的体温及感觉细胞为参照。 在热科学领域，冷与热是一样的。,3 制冷的原理,3.1 制冷的理论构想,热力学第二定律 开尔文表述 对任意之循环运转装置，在只与单一热库交换热量之情形下，而产生对外作功之效应是不可能的。此为热机之观点，即热无法百分之百转为功。,可见：锅炉将高品位化学能转化为热能直接使用，存在品质浪费,3 制冷的原理,3.1
7、 制冷的理论构想,热力学第二定律 克劳修斯表述 对于任意之循环运转装置，在不输入功的情形下而自发性的产生使热由冷体传向热体之效应是不可能的，此为冷机之观点。,T2为制冷对象,3 制冷的原理,3.1 制冷的理论构想,41表示制冷剂在蒸发器中的恒温吸热过程（恒温冷源）; 12表示制冷剂在压缩机中的绝热压缩升温过程; 23表示制冷剂在冷凝器中的恒温放热过程（恒温热源）; 34表示制冷剂在膨胀机中的绝热膨胀降温过程。,3 制冷的原理,3.2 制冷的原理,逆卡诺循环,在制冷循环中，制冷剂从被冷却物体中吸取的热量（即制冷量）与所消耗的机械功之比称为制冷系数，用表示。它是评价制冷循环经济性的指标之一。 逆卡
8、诺循环的制冷系数仅取决于热源温度Tk 和冷源温度To 。,3 制冷的原理,3.3 制冷的效率（制冷系数）,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配,1 建筑能源的需求 2 建筑热能的生产原理 3 制冷的原理 4 建筑热能的采集原理 5 建筑能源的交换原理 6 建筑能源的输配,逆卡诺循环也可用来获得供热效果，例如冬季将大气环境作为低温热源，将供热房间作为高温热源进行供热。这样工作的装置称为热泵，也就是向泵那样把低位热源的热能转移至高位热源。 热泵的供热量永远大于所消耗的功量，但它是符合能量守恒定律的；热泵所消耗的功转化为热并与从低位热源提取的热能一起用于供热了，是综合利用能源的一种很有价值的措施
9、。,4 建筑热能的采集原理,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配,1 建筑能源的需求 2 建筑热能的生产原理 3 制冷的原理 4 建筑热能的采集原理 5 建筑能源的交换原理 6 建筑能源的输配,生产或采集的冷热源并非都能直接供给建筑使用，需要转换调质。 在夏季工况和冬季工况下，实现不同的空气处理过程需要不同的空气处理设备，如空气的加热、冷却、加湿、减湿设备等。 根据各种热质交换设备的特点不同可将它们分成两大类：混合式热质交换设备和间壁式热质变换设备。前者包括喷淋室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置以及使用液体吸湿剂的装置等；后者包括各种形式的空气加热器及空气冷却器等。,5 建筑能源的交换原理,
10、5.1 能源交换的必要性与必然性,5 建筑能源的交换原理,5.2 接触式能量交换原理,自制干湿球温度计,用湿毛巾搽脸后，夏天感到凉爽、而冬天感到更冷。 水膜表层的水蒸气的分压力等于大气压力（相对湿度100%），它就具有向周围水蒸气浓度低的空气扩散的动力（质扩散），导致水膜表面的水源源不断相变蒸发。,5 建筑能源的交换原理,5.2 接触式能量交换原理,h2-h1 = (d2-d1)hw/1000 式中 hw液态水的焓，KJ/kg，hw=4.19tw 空气焓的增量就等于蒸发的水量所具有的焓。 (h2-h1)/(d2-d1)/1000 = hw = 4.19tw 时间足够长，出口空气可达到饱和状态，
11、相对湿度达100%，温度即可认为是进口状态空气的湿球温度。,5 建筑能源的交换原理,5.3 间壁式热交换原理,传热系数,5 建筑能源的交换原理,5.3 间壁式热交换原理,传热系数的大致数值范围,5 建筑能源的交换原理,5.4 建筑节能与传热强化,（1）被动式建筑节能原理 遏止和尽量弱化建筑围护结构两侧的热量交换。 降低室内外的温差T 降低围护结构表面积F 降低传热系数K 减弱内外侧换热不是主要矛盾。 增加围护结构厚度。 减小围护结构材料导热系数。,5 建筑能源的交换原理,5.4 建筑节能与传热强化,（2）主动式建筑节能原理（传热强化） 增大 增大壁面材料 减小壁面厚度 通过上述分析，不难引申出
12、以下三点： K提高了就意味着换热器效率大大提高； K提高就意味着换热器的材料减少，空间体积更小； K值提高意味着需要的两侧流体的温差T可以大大降低。,5 建筑能源的交换原理,5.4 建筑节能与传热强化,（2）被动式与主动式建筑节能的外延 所谓的被动式建筑节能，我们在几个方面处于被动： 围护结构的面积取决于建筑设计本身，不能随心所欲地进行减小； 对于室外气温主要取决于室外气象，室内温度则由人的舒适性决定，冷热两侧的温差T也不能随心所欲地减小（至少受限很大）； 围护结构内外侧的换热系数（空气流速）也主要取决于室内外气象条件，通过主动干预使其有利于降低K值的可能性小； 被动式建筑节能很大程度上只能依
13、靠减小建材导热系数、增加围护结构厚度等措施弱化传热过程，达到建筑节能的目的，并受制于围护结构的空间布局。,5 建筑能源的交换原理,5.4 建筑节能与传热强化,（2）被动式与主动式建筑节能的外延 所谓的主动式建筑节能，我们在几个方面处于主动： 根据设计和工程的需要，换热器的面积F可以随心所欲地进行增减； 冷热流体两侧的温差T大多可根据需要随心所欲地增加； 为强化传热表面两侧的换热系数（介质流速）可以通过主动干预使其有利于增大K值的方向优化； 可以随意增大壁面导热系数、减小壁面厚度等措施强化传热过程，达到建筑节能及提高效率等目的，不受制于换热器的空间布局。,第六章 建筑能源的需求、生产、调质与输配
14、,1 建筑能源的需求 2 建筑热能的生产原理 3 制冷的原理 4 建筑热能的采集原理 5 建筑能源的交换原理 6 建筑能源的输配,（1）建筑电气的分类 1）强电系统 强电系统主要包括建筑电工电气和建筑照明产品。建筑电工电气包括供配变电设备、高低压电源电器开关、开关柜电箱，插座、断路器、接触器、电容器、启动器、室内外配电器、电流电压互感器、电气节能改造装置、电气防火，变换器、各类仪器仪表、建筑电气系统集成；建筑照明产品包括指示灯、光源、灯具灯饰、照明配件、照明电工产品、照明器材、调光设备、智能照明控制系统。 2）弱电系统 弱电系统主要包括建筑综合布线系统、建筑安防与消防系统、建筑通信自动化系统、
15、公用设施的自控系统等。,6 建筑能源的输配,6.1 电能输配,（2）供配电方式 供配电方式是指电源与电力用户之间的接线方式。具体有以下几种方式： (1)放射式 (2)树干式 (3)环式 (4)格网式格网式,6 建筑能源的输配,6.1 电能输配,（3）低压系统的配电电压及供电线路 交流电压的选择 交流动力电源电压一般选用380V220 V； 交流控制回路电源电压一般选用380 V220 V 直流电压的选择 直流动力电源电压一般选用220 V。 直流系统控制电源电压一般选用12220 V 低压供电线路 低压供电线路包括低压电源引入及电源主接线等。,6 建筑能源的输配,6.1 电能输配,（4）建筑供
16、配电系统的构成 建筑供配电系统由配电线路、配（变）电室和用电设备组成。系统可分为一次部分（变换和传输电能）和二次部分（用于监测、保护、计量及控制）。 一次部分又称一次回路，其设备叫做一次设备（如变压器、发电机、隔离开关、断路器、熔断器、电力线路、互感器、避雷器、无功补偿装置等）。 二次部分又称二次回路，其设备叫做二次设备（如测量仪表、保护装置、继电保护与自动装置、开关控制装置、操作电源、控制电源等）。,6 建筑能源的输配,6.1 电能输配,这里的冷热源，是携指带冷量或热量的流体，所以也可泛指流体输配原理。 在建筑环境调控过程中，需要提供的冷量、热量必须采用流体（水、空气等）作为媒介。 冷热源载体在流动过程中能量变化必须遵循能量守恒定律。 静压头+动压头+从入口流到该断面的总损失=入口断面的总压头h,6 建筑能源的输配,6.2 冷热源流体输配原理,6 建筑能源的输配,6.2 冷热源流体输配原理,对于沿程水头损失,对于局部水头损失,总损失,6 建筑能源的输配,6.3 燃气输
