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1、建筑物复合能量系统集成建模的策略研究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及在设计层面的实现 答答 辩辩 人人 胡文斌胡文斌 指导教师指导教师 华华 贲贲 教授教授华南理工大学工学博士学位论文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高效节能的关键科学问题针对节能技术的重大需求领域针对节能技术的重大需求领域建筑物建筑物中的研究中的研究属于属于能量利用系统能量利用系统的研究范畴的研究范畴1.1.我国建筑能耗现状：我国建筑能耗现状：（1 1）我国建筑物耗能约）我国建筑物耗能约占总能占总能耗的耗的1010
2、左右左右，右图反映了各部，右图反映了各部分能耗所占比重；分能耗所占比重；（2 2）与同气候条件的发达国家）与同气候条件的发达国家相比，我国单位建筑面积的采暖相比，我国单位建筑面积的采暖能耗为他们的能耗为他们的3 3倍左右倍左右；（3 3）空调住宅能耗约为一般住）空调住宅能耗约为一般住宅能耗的宅能耗的6 67 7倍倍；住宅面积迅速；住宅面积迅速增长，年增长率增长，年增长率1010亿亿m2m2，九五期九五期间增加间增加5555亿亿m2m2，20202020年将达年将达500500亿亿m2m2，能耗需求剧增。能耗需求剧增。一、我国建筑能耗现状与研究现状一、我国建筑能耗现状与研究现状建筑节能建筑节能是
3、国民经是国民经济发展的济发展的重大需求重大需求2.2.建筑节能的研究现状建筑节能的研究现状（1 1）建筑主体节能）建筑主体节能 加强围护结构的隔热保温性能；加强围护结构的隔热保温性能；（2 2）设备系统的节能）设备系统的节能 提高设备系统的效率，大力挖掘提高设备系统的效率，大力挖掘可再生能源；可再生能源；（3 3）物业设施管理）物业设施管理 新兴的物业管理公司，物业管理法新兴的物业管理公司，物业管理法规的不断完善；规的不断完善；（4 4）投资核算与技术经济比较）投资核算与技术经济比较 概预算与技术经济核算概预算与技术经济核算一、我国建筑能耗现状与研究现状一、我国建筑能耗现状与研究现状建筑主体节
4、能建筑主体节能设备设备系统节能系统节能能源规划与能源规划与技术经济分析技术经济分析物业设施管理物业设施管理帆船帆船运输运输人工人工运输运输临时架桥临时架桥All Rights Reserved, 2002帆船帆船运输运输帆船帆船运输运输建筑节能中的建筑节能中的“孤岛孤岛”效应效应1.1.给定有用能单价下，围护结构的优化设计给定有用能单价下，围护结构的优化设计2.2.考虑多能源构成和热电冷联产技术，降低建筑物用能成考虑多能源构成和热电冷联产技术，降低建筑物用能成本本3.3.可再生能源利用系统的优化，降低建筑物用能成本：可再生能源利用系统的优化，降低建筑物用能成本：4.4.有用能单价与围护结构用能
5、优化权衡的多次迭代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二、本论文的对策整体优化三、本论文研究技术路线三、本论文研究技术路线整体策略整体策略框图与模型框图与模型设计层面实施设计层面实施1.1.建筑物复合能量系统多层次集成建模的内涵建筑物复合能量系统多层次集成建模的内涵（1 1）系统多层次建模是基于）系统多层次建模是基于设计、运行、控制三层次设计、运行、控制三层次和和技术与管理技术与管理两个方面的集成建模。两个方面的集成建模。（2 2）三层次的划分基于时间角度，设计贯穿系统的）三层次的划分基于时间角度，设计贯穿系统的寿命寿命周期周期；运行是针对；运行是针对季节、昼夜季
6、节、昼夜天候变化而采取优化用能措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，它涉及到系统施；控制则是实时变化条件下的优化操作，它涉及到系统在在时、分、秒时、分、秒时间尺度上的运行和管理。时间尺度上的运行和管理。（3 3）集成建模研究工作的关键是）集成建模研究工作的关键是三个层次模型之间集成三个层次模型之间集成关系的揭示和描述关系的揭示和描述。四、总体策略四、总体策略2.2.集成建模策略实施的四个模型集成建模策略实施的四个模型（1 1）组元的物理模型）组元的物理模型 描述组元静、动态运行特性，是描述组元静、动态运行特性，是建筑物复合能量系统集成建模的基础建筑物复合能量系统集成建
7、模的基础（2 2）流结构模型）流结构模型 描述组元在不同时间尺度上的联结关描述组元在不同时间尺度上的联结关系系（3 3）功能层次模型）功能层次模型 建立在组元与流结构定量描述的基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础上对系统不同层次联结关系的描述（4 4）软件开发模型）软件开发模型 集成策略的软件开发模式集成策略的软件开发模式四、总体策略四、总体策略科学决策科学决策优化运营优化运营快速反应快速反应设计层设计层运行层运行层控制层控制层3.3.集成建模策略的层次结构描述集成建模策略的层次结构描述四、总体策略四、总体策略五、模型描述五、模型描述组元的物理模型组元的物理模型如
8、何描述？如何描述？纷繁复杂的建筑物纷繁复杂的建筑物能量系统能量系统共同的组元结构共同的组元结构提炼提炼具体的系统具体的系统抽象的组元抽象的组元物质物质能量能量资金资金信息信息备件备件人件人件组元组元面向面向对象对象描述描述组元组元OMTOMT描述描述描述方法描述方法描述描述五、模型描述五、模型描述组元的物理模型组元的物理模型实例解释实例解释 ENTITY : Building is composed of : SET OF Envelope contains : SET OF SpaceEND ENTITY；ENTITY : Space is composed of : SET OF Surf
9、aceEND ENTITY；中国最大的资料库下载中国最大的资料库下载ENTITY : Surface has area of : REAL is composed of : SET OF Line is surface of : Envelope is face of : Space END ENTITY； .实例解释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功能、一定目标、一定结构的，具有流动和传递特性的客体。体。（1 1）物物 流流 能流的载体能流的载体（2
10、2）能能 流流 描述能量转换、利用和回收中的普遍规律描述能量转换、利用和回收中的普遍规律 （3 3）资金流资金流 依附于前两者，如资金投入、运行能耗依附于前两者，如资金投入、运行能耗（4 4）信息流信息流 贯穿于三层次，设计层为信息交换贯穿于三层次，设计层为信息交换（5 5）人件流人件流 涉及控制管理层次涉及控制管理层次（6 6）备件流备件流 涉及控制管理层次涉及控制管理层次六、模型描述六、模型描述流结构模型流结构模型组元组元1 1组元组元2 2组元组元n n设计层次的流联结设计层次的流联结组元组元1 1组元组元2 2组元组元n n运行层次的流联结运行层次的流联结组元组元1 1组元组元2 2组
11、元组元n n控制层次的流联结控制层次的流联结设定的设定的外界条件外界条件实时的实时的外界条件外界条件季节昼夜季节昼夜实时的实时的外界条件外界条件时分秒时分秒科学决策科学决策优化运营优化运营快速反应快速反应六、模型描述六、模型描述流结构模型流结构模型建筑物复合能量系统的能流网络图建筑物复合能量系统的能流网络图（1 1）能源层）能源层 常规能源和可再生能源；常规能源和可再生能源；（2 2）能源转换层）能源转换层 实线所示的为分布式热电冷三联供系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；统；虚线所示的为可再生能源转换系统；（3 3）用户层）用户层 围护结构用能子系统。消耗能
12、源，获取有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；用能，包括电能、空调冷量、采暖热量、生活用热等；（4 4）约束层）约束层 约束层研究影响各种有用能需求量的因素。约束层研究影响各种有用能需求量的因素。六、模型描述六、模型描述流结构模型流结构模型夜间通风与机械混合通风夜间通风与机械混合通风Cambridge, UKCambridge, UK墙体蓄冷与蒸发冷却墙体蓄冷与蒸发冷却California, USACalifornia, USA太阳能吸附除湿制冷太阳能吸附除湿制冷Stockholm, SwedenStockholm, Sweden地源热泵地源热泵
13、Schwerzenbach, SwitzerlandSchwerzenbach, Switzerland 可可再再生生能能源源利利用用示示范范工工程程摘摘自自IEA Annex分布式建筑物能量系统能流网络图的重要意义分布式建筑物能量系统能流网络图的重要意义（1 1）供各种终端用能选择最优、最有竞争力的技术方案）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；和相应的辅助方案；（2 2）能流网络图是对建筑物复合能量系统能流结构的一）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。种宏观描述。六、模型描述六、模型描述流结构模型流结构模型宏观宏观子系统子系统七、集成建模策略在设
14、计层面的实施七、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围护结构的并行优化设计传统围护结构设计模式：传统围护结构设计模式：弊端总结弊端总结 用户需求用户需求建筑设计建筑设计结构设计结构设计设备设计设备设计概预算概预算图图 传统的垒墙式（传统的垒墙式（Over the wallOver the wall）围护结构设计模式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：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围护结构的并行优化设计集集成成建建模模策策略略在在设设计计层层面面的的实实施施围围护护结结构构的
15、的并并行行优优化化设设计计围围护护结结构构并并行行设设计计的的集集成成策策略略围护结构用能子系统的并行设计协调方式：围护结构用能子系统的并行设计协调方式：（1 1）围护结构自身的协同优化围护结构自身的协同优化 定义各元活动公共的元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；量；（2 2）围护结构用能子系统与分布式热电冷联产子系统的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协同优化 围护结构与能源转换系统的优化之间存在多次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。迭代，即协同优化。七、集成建
16、模策略在设计层面的实施七、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及其优化设计传统方式传统方式联产方式联产方式七、集成建模策略在设计层面的实施七、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及其优化设计分布式建筑物能量系统的特征：分布式建筑物能量系统的特征：（1 1）能源多元化（气态燃料为主，可再生能源为辅）能源多元化（气态燃料为主，可再生能源为辅）（2 2）设备的小型、微型化）设备的小型、微型化（3 3）热电冷
17、联产化（全能量系统）热电冷联产化（全能量系统）（4 4）网络化（低压联网，就近支援，实现能源互联）网络化（低压联网，就近支援，实现能源互联）（6 6）智能化控制和信息化管理）智能化控制和信息化管理（7 7）电力、热力、燃气和环境的整体优化）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及其优化设计互联的分布式建筑物能量系统互联的分布式建筑物能量系统并网并网燃料电池燃料电池风力发电风力发电光伏发电光伏发电小型燃机小型燃机小型燃机小型燃机主电厂主电厂调峰电厂调峰电厂微型燃机微型燃机逆变器逆变器分布
18、式热电冷三联供系统优化设计分布式热电冷三联供系统优化设计1.1.系统结构的选择系统结构的选择 单独的三联产单独的三联产? ? 联产联产 + + 蓄冷蓄冷? ?2.2.设备容量的确定设备容量的确定 燃机容量燃机容量? ? 全蓄冷全蓄冷? ? 部分蓄冷？部分蓄冷？ 3.3.系统的运行策略：系统的运行策略： （1 1）燃机的运行策略（以热定电、以电定热、补燃以）燃机的运行策略（以热定电、以电定热、补燃以及上网竞价）及上网竞价） （2 2）蓄冷系统的运行策略（主机优先、蓄冷优先以及）蓄冷系统的运行策略（主机优先、蓄冷优先以及优化控制）优化控制）七、集成建模策略在设计层面的实施七、集成建模策略在设计层面
19、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及其优化设计各运行策略的技术经济模型各运行策略的技术经济模型（1 1）初投资）初投资（2 2）运行费用）运行费用（3 3）环境治理费用）环境治理费用其火用经济平衡关系式为：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及其优化设计原型软件开发流程原型软件开发流程1.1.能量需求系统的优化设计能量需求系统的优化设计2.2.分布式热电冷三联供系统的优化设计分布式热电冷三联供系统的优化设计3.3.可再生能源利用系统的优化可再生能源利用系统的优化4.4
20、.围护结构用能子系统与能源转换子系统的协同优化围护结构用能子系统与能源转换子系统的协同优化5.5.投资核算与能量需求供应汇总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软件开发流程与构件化开发模式图图 DeSTDeST与与BCESOBCESO之间基于之间基于STEPSTEP数据库的信息交换数据库的信息交换注册注册ODBCODBC数据源数据源SQLSQL数据库查询数据库查询AccessAccess数据库数据库STEPSTEP结构结构DeSTDeST部分部分界面界面BCESOBCESO部分界面部分界面实例解释实例解释图图 建
21、筑能量系统优化软件包界面示例建筑能量系统优化软件包界面示例图图 分布式热电冷三联供系统优化界面示例分布式热电冷三联供系统优化界面示例实例解释实例解释七、集成建模策略在设计层面的实施七、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软件开发流程与构件化开发模式1.1.工程概况工程概况地点：地点：广州广州几何参数信息：几何参数信息：2.2.优化目的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材料方案五种幕墙材料方案：五种幕墙材料方案：（1 1）单片白玻）单片白玻( (A) A) （2 2）白玻中空玻璃白玻中空玻璃(
22、(B)B)（3 3）单片热反射镀膜玻璃单片热反射镀膜玻璃( (C) C) （4 4）热反射镀膜中空玻璃热反射镀膜中空玻璃( (D)D)（5 5）LOW-ELOW-E中空玻璃中空玻璃( (E)E)七、集成建模策略在设计层面的实施七、集成建模策略在设计层面的实施案例分析案例分析七、集成建模策略在设计层面的实施七、集成建模策略在设计层面的实施案例分析案例分析结论分析结论分析（1 1）对建筑物复合能量）对建筑物复合能量系统的系统的优化设计优化设计，当，当能源供给能源供给方方案案改变改变后，后，围护围护结构的结构的设计设计方案方案需要重新考虑需要重新考虑；（2 2）在较低的能源价格下，适当降低围护结构的
23、隔热保）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，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；加强围护结构的隔热保温性能无疑可以提高经济效益；（3 3）在在联联产产模模式式下下，由由于于各各种种围围护护结结构构方方案案会会产产生生不不同同的建筑物的建筑物用能用能需求需求，联产方案，联产方案存在优化必要存在优化必要。八、工作创新点总结八、工作创新点总结1.1.从总体高度，总结了建筑物复合能量系统集成建模从总体高度，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的策略基于四种结构组元物理结
24、构、流结构、功组元物理结构、流结构、功能层次结构和软件开发结构能层次结构和软件开发结构；2.2.结合能流三环节方法和建筑物复合能量系统的能流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网络图，阐述了设计层面的集成建模框架三个子三个子系统的权衡迭代系统的权衡迭代；3.3.给出设计层面软件流程图，并开发出相应的原型软给出设计层面软件流程图，并开发出相应的原型软件。件。九、研究展望九、研究展望1.1.深深化化集集成成策策略略，实实现现围围护护结结构构用用能能优优化化热热电电冷冷联联产产可再生能源优化利用三者的迭代权衡的整体优化可再生能源优化利用三者的迭代权衡的整体
25、优化；2.2.在在各各地地气气候候条条件件、技技术术经经济济条条件件、市市场场条条件件等等数数据据的的基基础上，为制订础上，为制订国家标准提供科学基础国家标准提供科学基础；3.3.用用于于已已建建成成建建筑筑物物的的优优化化运运营营变变化化气气象象、价价格格条条件件下下的的科科学学运运行行决决策策和和系系统统优优化化控控制制状状态态监监测测、故故障障诊诊断、全局参数的最优控制；断、全局参数的最优控制；4.4.在在构构件件化化软软件件开开发发思思想想的的指指导导下下，不不断断完完善善领领域域构构件件库库，形形成成功功能能强强大大的的建建筑筑物物复复合合能能量量系系统统模模拟拟和和优优化化的的软软件件平平台。台。感谢光临指导！感谢光临指导！结结 束束
