1、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67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
2、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All Rights Reserved, 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
3、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
4、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
5、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
6、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IEA Annex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
7、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（Over the wall）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
8、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
9、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
10、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
11、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，
12、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电冷联产可再生能源优化利用三者的迭代权衡的整体优化；2.在各地气候条件、技术经济条件、市场条件等数据的基础上，为制订国家标准提供科学基础；3.用于已建成建筑物的优化运营变化气象、价格条件下的科学运行决策和系统优化控制状态监测、故障诊断、全局参数的最优控制；4.在构件化软件开发思想的指导下，不断完善领域构件库，形成功能强大的建筑物复合能量系统模拟和优化的软件平台。
