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左右左右，右图反映了各，右图反映了各部分能耗所占比重；部分能耗所占比重；（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相比，我国单位建筑面积的采暖能耗为他们的暖能耗为他们的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；住宅面积迅速增长，年增长率速增长，年增长率1010亿亿m2m2，九，九五期间增加五期间增加5555亿亿m2m2，20202020年将年将达达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生活照生活照明能耗明能耗14%14%采暖空采暖空调能耗调能耗65%65%热水供热水供应能耗应能耗15%15%生活饮生活饮食能耗食能耗6%6%建筑节能建筑节能是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集成建模的策略研究集成建模的策略研究组元组元结构结构流结流结构构功能功能层次层次结构结构软件软件开发开发结构结构设计层面的集成框架设计层面的集成框架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、总体策略图 图 建筑物复合能量系统的功能层次结构建筑物复合能量系统的功能层次结构设计设计方案选择方案选择系统设计系统设计设备选型设备选型运行运行季节、昼夜气候季节、昼夜气候变化条件下的工变化条件下的工况切换况切换控制控制故障检测/ 排除故障检测/ 排除优化控制优化控制防火/ 安保防火/ 安保决策决策能源方案能源方案能量优化能量优化节能改造节能改造供能运营供能运营市场信息反馈市场信息反馈能源结构优化能源结构优化蓄能安排策略蓄能安排策略管理管理实时用能管理实时用能管理系统维护管理系统维护管理物业设施管理物业设施管理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大气候环境大气候环境小区微气候环境小区微气候环境舒适环境舒适环境建筑围护结构建筑围护结构图 图 复杂的复杂的建筑建筑物能量系统组成结构物能量系统组成结构能量转换与能量转换与利用系统利用系统控制与管理控制与管理如何描述？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BuildingBuildingEnvelopeEnvelopeIndoorIndoorEnvironmentEnvironmentmade of 1:?made of 1:?compose ofcompose of1:11:1OpeningOpeningWallWallmade of 1:?made of 1:?made of 1:?made of 1:?WindowWindowDoorDoormade of 1:?made of 1:?made of 1:?made of 1:?DimensionDimensionMaterialMaterialhashashashasWall_SectionWall_SectionhashasWall_LayerWall_Layerhas 1:?has 1:?AreaAreahashasLayer_DimensLayer_DimensionionLayer_MateriLayer_MaterialalhashashashasComfortComforthashasOrientationOrientationhashas图 建 筑物及其组元的图 建 筑物及其组元的OMTOMT描述（描述（EXPRESS_GEXPRESS_G）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 SurfaceEND 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； .实例解释实例解释表表 围护结构围护结构 AccessAccess 数据表数据表ENCLOSURE_IDNAMESIDE1SIDE2MIDDLE_PLANEKINDCONSTRUCTION4 main_encl_elem_1735760521013 main_encl_elem_27047571421017 main_encl_elem_36566781821023 main_encl_elem_46757222421027 main_encl_elem_56918042821033 main_encl_elem_67388073421035 main_encl_elem_76818613621039 main_encl_elem_865386440210表表 表面表面 AccessAccess 数据表数据表SURFACE_IDNAMEOF_ENCLOSUREAREAAZIMUTHTILTOF_CELLSURFACESTATE622 face_1347267.419990620621625 face_2349267.41-9990620621628 face_312282.87527090620621631 face_413245.375090620621634 face_513082.8759090620621637 face_612645.37518090620621641 face_7345119.979990640621644 face_8353119.97-9990640621647 face_911210.60613590640621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 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生物质能生物质能风能风能市政电网市政电网分布式C C H P系 统分布式C C H P系 统沼气发生沼气发生器器风力发电风力发电光伏板光伏板热泵热泵采暖/ 空调采暖/ 空调照明照明动力设备动力设备热水供应热水供应太阳能太阳能太阳能集太阳能集热板热板电转换电转换器器压缩式冷水压缩式冷水机组+ 蓄冷机组+ 蓄冷系统系统热转换热转换器器吸收式冷吸收式冷水机组水机组生活炊事生活炊事建筑热特性、建筑物建筑热特性、建筑物方位、朝向、几何尺方位、朝向、几何尺寸寸人口、舒适环境、气人口、舒适环境、气候条件以及市场变化候条件以及市场变化天然气天然气来自其它的发电厂来自其它的发电厂能源层能源层能源转换层能源转换层用户层用户层约束层约束层地热地热水源/ 地水源/ 地源热泵源热泵CO2排放CO2排放CO2排放CO2排放图 图 建筑物复合能量系统能流网络图建筑物复合能量系统能流网络图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Schwerzenbach, SwitzerlandSchwerzenbach, Switzerland 可再生能源利用可再生能源利用示范工程示范工程摘自摘自IEA AnnexIEA 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热电冷热电冷三联产三联产围护结构用能子系统围护结构用能子系统冷量、热能回收冷量、热能回收能量利用环节能量利用环节约束约束能量转换环节能量转换环节能源能源可再生可再生能源利能源利用用能量回收环节能量回收环节回收驱动回收重用能源层能源层能源转换层能源转换层用户层用户层约束层约束层图 图 建筑物复合能量系统的能流结构建筑物复合能量系统的能流结构排弃排弃宏观宏观小型燃气轮机小型燃气轮机低压配电系统低压配电系统余热锅炉余热锅炉电制冷机组电制冷机组吸收式制冷机吸收式制冷机组组蓄冷装置蓄冷装置风机盘管风机盘管空调房间空调房间冷量回收装置天然气天然气电力电力电力电力烟气烟气电力电力蒸汽蒸汽冷水冷水冷水冷水冷水冷水冷风冷风排风排风耗散排空耗散排空能量转换子系统能量转换子系统能量利用子系统能量利用子系统能量回收子系统能量回收子系统新风预冷新风预冷冷量回收冷量回收热热能能驱驱动动冷冷量量回回收收电电能能驱驱动动冷冷量量回回收收其它用电其它用电图 图 楼宇三联供系统的能流结构(楼宇三联供系统的能流结构(空调部分)空调部分)子系统子系统七、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：表表 围护结构并行设计矩阵表围护结构并行设计矩阵表需求概念设计初步设计详细设计施工图用户建筑师结构工程师设备工程师概预算师七、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围护结构的并行设计围护结构的并行设计用户需求用户需求概念设计概念设计方案设计方案设计详细设计详细设计施工图施工图用户用户建筑师建筑师结构工程师结构工程师设备工程师设备工程师概预算工程师概预算工程师设计工具与设计方法的集成设计工具与设计方法的集成数据库集成数据库集成需求处理需求处理2D/3D建模工2D/3D建模工具具有限元分析有限元分析虚拟现实虚拟现实围护结构传热围护结构传热分析分析电负荷分析电负荷分析光照分析光照分析热水负荷分析热水负荷分析预应力分析预应力分析空调系统动态空调系统动态特性分析特性分析规范库规范库气象参数库气象参数库设备参数库设备参数库建材库建材库其它（开放其它（开放性）性）热电冷三联供热电冷三联供系统动态特性系统动态特性分析分析概预算辅助软概预算辅助软件件太阳能吸收式太阳能吸收式制冷系统动态制冷系统动态特性分析特性分析太阳能热水器太阳能热水器动态特性分析动态特性分析其它（开放其它（开放性）性）人与设计阶段的集成人与设计阶段的集成图 围 护结构并行设计的集成策略层次结构图 围 护结构并行设计的集成策略层次结构集成建模策略在设计层面的实施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围护结构并行设计的集成策略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：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建筑设计建筑设计结构设计结构设计设备设计设备设计技术经济分技术经济分析析方位角方位角几何尺寸几何尺寸遮阳构造遮阳构造重量重量结构结构建材热工特性建材热工特性建材单位价格建材单位价格人工费人工费1.方位角1.方位角2.几何尺寸2.几何尺寸3.遮阳设计3.遮阳设计4.重量4.重量5.建材热工特5.建材热工特性性全局设计变量全局设计变量能量转换系统能量转换系统方案方案元对象元对象元活动元活动图 围 护结构并行设计全局设计变量协同法图 围 护结构并行设计全局设计变量协同法Min:LCC费用Min:LCC费用围护结构用能子系统的优化设计围护结构用能子系统的优化设计围护结构优化模块围护结构优化模块能源转换子系统的优化能源转换子系统的优化分布式热电冷联供系统优化分布式热电冷联供系统优化模块模块可再生能源利用子系统优化可再生能源利用子系统优化建筑物理（热、声、光）分建筑物理（热、声、光）分析模块析模块NoNoYesYes图 围 护结构用能子系统与能源转换子系统的协同优化框图图 围 护结构用能子系统与能源转换子系统的协同优化框图计算新的有用能边际价格计算新的有用能边际价格输入初始有用能价格输入初始有用能价格协同优化结束协同优化结束开始开始设计结果数据库设计结果数据库七、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主主供供电电系系统统辅辅助助供供电电系系统统供供热热系系统统燃燃气气系系统统制制冷冷/ /热热水水系系统统制制冷冷/ /热热水水系系统统主主供供电电系系统统辅辅供供电电制制冷冷供供热热热热水水燃燃气气燃气系统燃气系统传统方式传统方式联产方式联产方式购电购电图 分 布式热电冷三联供图 分 布式热电冷三联供概念概念图图燃机燃机发电机发电机燃料电池燃料电池电力电力分配分配余热余热锅炉锅炉补燃补燃锅炉锅炉吸收式制吸收式制冷机组冷机组热交换器热交换器蒸汽蒸汽分配分配购燃料购燃料压缩压缩式制式制冷机组冷机组蓄冷系统蓄冷系统冷水冷水分配分配市电市电燃料燃料电负荷电负荷冷负荷冷负荷热负荷热负荷燃料燃料蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽烟气烟气冷水冷水热水热水冷水冷水七、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nnpolnpolkkkjjjiiiGcExocFExic,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.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分散分散式式电、电、冷热冷热水、水、供应供应方案方案联产联产方案方案一一联产联产方案方案二二联产联产方案方案n n投资能耗费用计算投资能耗费用计算寿命周寿命周期费用期费用LCCLCC比较优选比较优选优化能量需求汇优化能量需求汇总：总：热、电、冷、热、电、冷、炊、饮等炊、饮等需求动态特性：需求动态特性：昼夜、年等昼夜、年等燃机型号、性燃机型号、性能、不同工况特能、不同工况特性曲线性曲线制冷机组、热泵制冷机组、热泵型号、性能和价型号、性能和价格格蓄冷设施性能和蓄冷设施性能和价格价格冷热媒输送管网冷热媒输送管网与输送动力设施与输送动力设施设计、计算设计、计算系统物理结构、能流图系统物理结构、能流图网电价格、峰谷网电价格、峰谷电价差电价差上网竞价上网竞价燃气成份、热燃气成份、热值、价格值、价格寿命周寿命周期费用期费用LCCLCC寿命周寿命周期费用期费用LCCLCC计算输入计算输入热、电、冷、热热、电、冷、热水联产优化价格水联产优化价格初始方案初始方案项目总体规划数项目总体规划数据库据库材料性能价格材料性能价格单位能量价格单位能量价格围护结构初步设围护结构初步设计软件计软件直接搜索寻优/ 穷举法寻直接搜索寻优/ 穷举法寻优优是否最优是否最优能量需求优化软件能量需求优化软件系统能流图系统能流图气象条件气象条件否是否是123图 图 建筑物复合能量系统建筑物复合能量系统集成建模与整体优化在设计层面的实施框架集成建模与整体优化在设计层面的实施框架热电冷联产技术系统热电冷联产技术系统优化优化围护结构优化设计结果围护结构优化设计结果优化的各种能量需求及动优化的各种能量需求及动态特性态特性热电冷联产系统优化热电冷联产系统优化设计方案设计方案热、电、冷等量的需热、电、冷等量的需求及动态特性求及动态特性可再生能源规划可再生能源规划利用优化方案利用优化方案热、电、冷等量热、电、冷等量的需求及动态特的需求及动态特性性总投资核算比较总投资核算比较需求供应平衡需求供应平衡外购燃气计划表外购燃气计划表购、售电平衡计划表购、售电平衡计划表系统物理结系统物理结构、能流构、能流图、资金流图、资金流图图迭代收敛后的方案迭代收敛后的方案总体技术经济比较分析一览总体技术经济比较分析一览表表计算输入计算输入风风能能发发电电生生物物质质能能发发电电地地热热供供暖暖、供供热热水水等等吸吸附附制制冷冷空空调调平平板板热热水水器器光光伏伏发发电电光伏电池商业化光伏电池商业化性价数据性价数据太阳能热水器特太阳能热水器特性参数性参数太阳能吸附制冷太阳能吸附制冷特性参数特性参数地源热泵特性参地源热泵特性参数数废弃物燃烧发电废弃物燃烧发电系统特性参数系统特性参数技术经济比较技术经济比较需求特性、地需求特性、地理、气候、空间理、气候、空间约束条件约束条件风力发电系统特风力发电系统特性参数性参数可用的可再生能源方案可用的可再生能源方案热、电、冷、热热、电、冷、热水优化价格水优化价格123续图续图 建筑物复合能量系统 建筑物复合能量系统集成建模与整体优化在设计层面的实施框架集成建模与整体优化在设计层面的实施框架可再生能源选用方案比较、优化可再生能源选用方案比较、优化和规划和规划图图 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OOAOOAOODOODOOPOOP维护维护构件识别和确认构件识别和确认描述描述分类分类包装包装入库入库构件库构件库新的模拟流程新的模拟流程检索检索修改与裁剪修改与裁剪集成与组装集成与组装ORBORB总线总线构件开发过程构件开发过程构件积累过程构件积累过程构件集成过程构件集成过程构件构件重用重用图 分 布式环境中构件化软件开发流程图 分 布式环境中构件化软件开发流程七、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( (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表表 非非联联产产方方案案下下的的技技术术经经济济比比较较方方案案一一方方案案二二方方案案三三方方案案四四方方案案五五离离心心机机容容量量( (k kW W) )4 41 17 79 9. .4 43 37 72 24 4. .9 92 29 95 51 1. .9 92 25 52 24 4. .2 22 21 10 01 1. .1 1每每 k kW W 电电力力增增容容费费( (元元/ /k kW W) )4 41 12 2. .5 54 41 12 2. .5 54 41 12 2. .5 54 41 12 2. .5 54 41 12 2. .5 5每每公公里里辅辅助助电电力力施施工工费费( (万万元元/ /k km m) )1 17 70 0. .0 01 17 70 0. .0 01 17 70 0. .0 01 17 70 0. .0 01 17 70 0. .0 0平平均均建建设设长长度度( (k km m) )0 0. .5 50 0. .5 50 0. .5 50 0. .5 50 0. .5 5空空调调电电力力增增容容费费( (万万元元) )4 43 3. .1 13 38 8. .4 43 30 0. .4 42 26 6. .0 02 21 1. .7 7辅辅助助电电力力施施工工费费( (万万元元) )8 85 5. .0 08 85 5. .0 08 85 5. .0 08 85 5. .0 08 85 5. .0 0离离心心机机初初投投资资（万万元元）2 29 92 2. .6 62 26 60 0. .7 72 20 06 6. .6 61 17 76 6. .7 71 14 47 7. .1 1离离心心机机年年折折旧旧（万万元元/ /年年）3 33 3. .3 32 29 9. .7 72 23 3. .6 62 20 0. .1 11 16 6. .8 8其其它它费费用用年年折折旧旧（万万元元/ /年年）1 14 4. .6 61 14 4. .1 11 13 3. .2 21 12 2. .7 71 12 2. .2 2空空调调年年运运行行费费用用（万万元元/ /年年）2 28 82 2. .1 12 25 51 1. .4 41 19 99 9. .3 31 17 70 0. .4 41 14 41 1. .8 8年年照照明明电电费费（万万元元/ /年年）3 34 44 4. .3 33 34 44 4. .3 33 34 44 4. .3 33 34 44 4. .3 33 34 44 4. .3 3计计幕幕墙墙折折旧旧年年费费用用总总计计（万万元元/ /年年）6 65 56 6. .6 66 64 44 4. .4 45 59 95 5. .7 75 57 75 5. .1 15 55 51 1. .9 9表表 非非联联产产方方案案下下幕幕墙墙投投资资回回收收期期分分析析方方案案一一方方案案二二方方案案三三方方案案四四方方案案五五不不计计幕幕墙墙折折旧旧年年费费用用总总计计（万万元元/ /年年）6 65 54 4. .3 36 63 39 9. .8 85 58 80 0. .4 45 54 47 7. .5 55 51 15 5. .1 1折折算算年年收收益益（万万元元/ /年年）0 01 14 4. .5 57 73 3. .9 91 10 06 6. .8 81 13 39 9. .2 2幕幕墙墙静静态态投投资资回回收收期期( (年年) )4 4. .5 53 3. .2 26 6. .7 77 7. .0 0表表 非非联联产产方方案案下下的的有有用用能能单单价价方方案案一一方方案案二二方方案案三三方方案案四四方方案案五五电电价价（元元/ /k kW Wh h）0 0. .9 90 0. .9 90 0. .9 90 0. .9 90 0. .9 9冷冷量量价价格格（元元/ /k kW Wh h）0 0. .2 26 63 30 0. .2 26 63 30 0. .2 26 63 30 0. .2 26 63 30 0. .2 26 63 3表表 联联 产产 方方 案案 下下 的的 技技 术术 经经 济济 比比 较较方方 案案 一一方方 案案 二二方方 案案 三三方方 案案 四四方方 案案 五五燃燃 机机 容容 量量( ( k k W W ) )1 1 5 5 5 5 0 01 1 5 5 5 5 0 01 1 2 2 4 4 0 01 1 1 1 2 2 0 09 9 3 3 0 0发发 电电 所所 需需 燃燃 料料（ N N m m3 3/ / 天天 ）4 4 9 9 0 0 3 3 . . 8 84 4 9 9 0 0 3 3 . . 8 83 3 9 9 2 2 3 3 . . 1 13 3 8 8 8 8 9 9 . . 2 22 2 9 9 4 4 2 2 . . 3 3燃燃 机机 提提 供供 的的 热热 量量（ k k W W h h / / 天天 ）2 2 8 8 9 9 3 3 3 3 . . 4 42 2 8 8 9 9 3 3 2 2 . . 4 42 2 3 3 1 1 4 4 6 6 . . 8 82 2 2 2 9 9 4 4 6 6 . . 0 01 1 7 7 3 3 6 6 0 0 . . 5 5需需 要要 补补 充充 的的 热热 量量（ k k W W h h / / 天天 ）8 8 0 0 4 4 4 4 . . 2 24 4 9 9 3 3 0 0 . . 6 61 1 1 1 9 9 4 4 . . 8 80 02 2 6 6 . . 7 7平平 均均 热热 电电 比比2 2 . . 9 92 2 . . 6 62 2 . . 1 11 1 . . 8 81 1 . . 5 5购购 电电 量量（ k k W W h h / / 天天 ）0 00 02 2 0 0 5 5 0 03 3 2 2 3 3 8 8 . . 2 25 5 1 1 0 0 0 0 . . 6 6发发 电电2 2 0 0 6 6 . . 6 62 2 0 0 6 6 . . 5 51 1 6 6 1 1 . . 6 61 1 6 6 3 3 . . 8 81 1 2 2 3 3 . . 9 9燃燃 料料 费费（ 万万 元元 / /年年 ）补补 燃燃3 3 9 9 . . 9 92 2 4 4 . . 4 45 5 . . 8 83 3 . . 5 50 0 . . 1 1 4 4购购 电电 量量（ 万万 元元 / / 年年 ）0 00 05 5 0 0 . . 9 98 8 7 7 . . 4 41 1 3 3 7 7 . . 7 7年年 运运 行行 费费（ 万万 元元 / / 年年 ）2 2 4 4 6 6 . . 5 52 2 3 3 0 0 . . 9 92 2 1 1 8 8 . . 3 32 2 5 5 4 4 . . 7 72 2 6 6 1 1 . . 7 7燃燃 机机 初初 投投 资资（ 万万 元元 ）6 6 7 7 9 9 . . 6 66 6 7 7 9 9 . . 6 65 5 6 6 7 7 . . 3 35 5 1 1 2 2 . . 4 44 4 4 4 8 8 . . 3 3燃燃 机机 年年 折折 旧旧（ 万万 元元 / / 年年 ）7 7 7 7 . . 5 57 7 7 7 . . 5 56 6 4 4 . . 7 75 5 8 8 . . 4 45 5 1 1 . . 1 1溴溴 冷冷 机机 初初 投投 资资（ 万万 元元 ）5 5 1 1 9 9 . . 2 23 3 9 9 1 1 . . 1 13 3 4 4 1 1 . . 8 82 2 6 6 5 5 . . 0 02 2 4 4 4 4 . . 1 1溴溴 冷冷 机机 年年 折折 旧旧（ 万万 元元 / / 年年 ）5 5 9 9 . . 2 24 4 4 4 . . 6 63 3 8 8 . . 9 93 3 0 0 . . 2 22 2 7 7 . . 8 8总总 计计（ 万万 元元 / / 年年 ）3 3 8 8 2 2 . . 2 23 3 5 5 3 3 . . 0 03 3 2 2 1 1 . . 9 93 3 4 4 3 3 . . 3 33 3 4 4 0 0 . . 6 6折折 算算 年年 收收 益益（ 万万 元元 / / 年年 ）0 02 2 9 9 . . 2 26 6 0 0 . . 3 33 3 8 8 . . 9 94 4 1 1 . . 6 6表表 联产方案下设备投资回收期分析联产方案下设备投资回收期分析方案一方案一方案二方案二方案三方案三方案四方案四方案五方案五联产初投资增加额联产初投资增加额（万元）（万元）778.1778.1686.6686.6587.1587.1489.7489.7438.6438.6联产折算年收益联产折算年收益（万元（万元/ /年）年）379.9379.9364.8364.8325.3325.3260.0260.0224.4224.4静态投资回收期静态投资回收期( (年年) )2.042.041.881.881.801.801.881.881.951.95表表 联产方案下幕墙投资回收期分析联产方案下幕墙投资回收期分析方案一方案一方案二方案二方案三方案三方案四方案四方案五方案五幕墙初投资增加额幕墙初投资增加额（万元）（万元）0 065.365.3239.3239.3718.1718.1979.2979.2联产折算年收益联产折算年收益（万元（万元/ /年）年）0 029.229.260.360.338.938.941.641.6静态投资回收期静态投资回收期( (年年) )2.22.24.04.018.518.523.523.5表表 联产方案下的有用能单价联产方案下的有用能单价方案一方案一方案二方案二方案三方案三方案四方案四方案五方案五电价电价（元（元/kWh/kWh）0.0.4014010.3900.3900.3680.3680.4220.4220.4680.468冷量价格冷量价格（元（元/kWh/kWh）0.0.4014010.3900.3900.3680.3680.4220.4220.4680.468七、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）在联产模式下，由于各种围护结构方案会产生不同）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.深化集成策略，实现深化集成策略，实现围护结构用能优化热电冷联产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可再生能源优化利用三者的迭代权衡的整体优化；2.2.在各地气候条件、技术经济条件、市场条件等数据的基在各地气候条件、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.用于已建成建筑物的优化运营变化气象、价格条件用于已建成建筑物的优化运营变化气象、价格条件下的科学下的科学运行决策和系统优化控制运行决策和系统优化控制状态监测、故障诊状态监测、故障诊断、全局参数的最优控制；断、全局参数的最优控制；4.4.在构件化软件开发思想的指导下，不断完善领域构件库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，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。平台。感谢光临指导！感谢光临指导！结结 束束