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《建筑物能效優化研究》博士論文(pdf) 如何下載
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《建筑物能效優化研究》博士論文(pdf)
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摘要:節能減排,正成為各國轉變經濟發展方式,實現可持續發展的一種共識。中國作為一個負責任的大國,承諾“到2020年單位GDP減排40%~45%”,其中建筑節能是節能減排的重要組成部分。根據江憶院士等學者的研究報告,在2001年我國的建筑運行能耗就已經占據國民經濟總能耗的25%左右。隨著經濟的發展,建筑能耗迅速增加。據權威部門公布的數據,在我國的建筑類型中,大型公共建筑總面積不足城鎮建筑總面積的5%,總能耗卻占全國城鎮總耗電量的20%多,2007年國家機關辦公樓年人均耗電3072.5度,是城鎮居民的10-20倍,由此可見建筑運行能耗浪費嚴重,能源有效利用效率很低。因此研究建筑特別是公共建筑運行能耗的有效利用和運行節能問題,提高建筑物能效,不僅能夠為有效降低建筑能耗提供理論指導,而且具有重要的社會效益和經濟效益,對于兌現國家的莊嚴承諾具有重大意義。
我國大中型建筑特別是公共建筑的能耗很高,能量浪費現象非常明顯,節能潛力巨大。造成浪費的原因可主要分為兩類: - 類是系統設計不夠優化,設備和系統的效率低下,比如“大馬拉小車”造成的設備低效率運行;另一類是人為造成的浪費,比如辦公室中的“長明燈”,長時間無人時不關閉空調等。對于系統設計不夠.優化造成的浪費,目前有多種理論成果和技術手段對其進行節能控制和管理。但對于第二現象造成的浪費,卻沒有一種比較好的方法量化能源浪費的狀況,以便于采取相應的優化策略解決這個問題。
在總建筑能耗中,空調系統所占比重最大。因此整個空調系統能效的高低,對于建筑節能具有重要的意義。構成空調系統的設備都有明確的能效指標,但這個指標通常是在某特定條件(比如額定功率)下測定的。在實際使用過程中,運行工況不斷變化,滿足額定工況的時間很少,大約只占總工作時間的5%左右,絕大多數時間的工作負荷只是滿負荷的50-70%。低負荷時設備消耗的能源必定會降低,究竟降低多少能耗才是合理的?目前最常見的評價方法是比較平均能耗或總能耗,顯然這種評價方式存在較大偏差。無論何種用能設備,對于特定的建筑負荷,只要設備的能效或整個建筑的系統能效保持在最優狀態就可以說此時的能耗最低因此將能效作為評價建筑能源消耗效率優劣的指標更具科學性。雖然能效可以對獨立工作設備的效率直接進行評價,但是對于以系統模式工作的用能設備,比如空調系統,僅依靠提高單個設備能效評價降低系統能耗的方式并不是完全可行,運行樓宇自動化系統(BAS)建筑物的能耗現狀證明了這種方式的局限性。
針對這些問題,本文就提高建筑能源的效率,優化建筑能效展開研究,主要的內容包括以下幾點:
1.簡要分析了造成建筑高能耗問題的原因,討論了降低建筑運行能耗需要解決的關鍵問題。建筑圍護結構和建筑材料是影響建筑能耗的重要原因之一;建筑中用能設備的選擇不合理,“大馬拉小車”造成用能設備效率降低能耗增加;建筑中存在嚴重的浪費現象;缺乏建筑節能理論支持。雖然無法改變建筑圍護結構產生的負荷,但是可以通過減少人為浪費,提高建筑用能設備的能效降低建筑能耗。
目前關于建筑節能的研究成果對系統降低建筑能耗的效果并不十分明顯,因此必須解決建筑節能的關鍵基礎理論問題,才有可能切實降低建筑能耗。
2.分析了建筑能效優化的研究現狀及存在的問題。美國采暖、制冷和空調工程師協會(ASHRAE)最早采用能效評價制冷機工作效率,但這種方法不能有效評價整個工作周期內設備的能源效率,因此ASHRAE以及我國相關部門又相繼提出了綜合部分負荷性能系數(IPLV)、 綜合部分能效(IEER)、 季節能效(SEER)、設計能效(DEER) 等指標,從多角度評價制冷機設備的整體運行效率。近幾年開始有采用系統能效評價中央空調系統效率和實施節能控制的報道,但還僅限于比較分析不同狀態時整個系統的效率,沒有就提高系統能效的優化理論展開研究。
雖然系統能效優化理論成果還很少,但是注重系統節能的工程項目卻取得了非常好的效果。比如匯通華城開發的BKS中央空調冷凍站模糊控制系統,把冷凍站(冷凍水泵、制冷機、冷卻水泵)作為一個整體實施模糊控制,追求系統而不是其中每個設備最節能,最高可以達到了51%的節能效果。因此從理論上研究系統能效模型及其優化策略的問題,對于有效降低用能設備的能耗具有重要意義。
建筑物消耗能源是為了提供舒適的工作、生活環境,即使建筑用能設備的效率再高,若人體沒有充分利用舒適的建筑環境,所消耗的能源也是無效的和無意義的,因此有效降低建筑能耗必須建立能源消耗與人體利用之間的聯系,研究人體對建筑能耗的利用程度。本文提出了評價建筑能耗有效性的模型一能量利用效率,能量利用效率為定量評價建筑物消耗能源的有效性提供了一種算法,通過能量利用效率模型為建筑末端的用能設備提供優化能效的控制策略。實驗表明能量利用效率模型能夠量化人體對能量的利用程度,對人體的用能模式進行甄別,發現能量浪費現象并優化控制用能設備的工作狀態,通過減少或完全切斷無效能耗輸出,到達降低建筑負荷,相應提高建筑能效的目的。
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