楼宇复合能量系统的应用研究

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- 1 -楼宇复合能量系统的应用研究楼宇复合能量系统的应用研究摘要摘要 根据能源利用的发展趋势,客观论述城市区域和楼宇的能源利用将形成以化石能源(天然气、石油)及电力为主,与太阳能等可再生能源并存的多元能源利用格局,并详细阐述楼宇复合能量系统的概念、应用意义和研究方向,希望有助于加深对建筑物多元能源利用手段的认识和促进建筑复合能量系统的进一步研究和实践。关键词关键词 楼宇复合能量系统;能源子系统;系统优化控制;信息化计量 - 2 -The Application Research on Building Combined Energy System [Abstract] According to the development trend of energy use, this paper set forth the new pattern for area and building energy use based on the coexistence of fossil fuel, electricity supply, solar energy and other renewable energy, and present the concept, application significance and research orientation of building combined energy system, hope to strength the cognition of the application method of building energy and also further research and practice of building combined energy system. [Key word] Building Combined Energy System; Energy Subsystem; System Optimization Control; Information Metering - 3 -1. 多元能源利用由于地球石油和煤炭等化石能源的资源有限,同时对环境污染严重,从长远看包括建筑用能在内的各种能源利用以化石能源(煤、天然气、石油)和电力为主的格局将逐渐被其他新能源、可再生能源替代。但从目前阶段看,可再生能源的能源密度低,稳定性较差,且目前应用技术还不够成熟,一次投资较大,经济性较差,因此,在未来相当长的时期内,城市区域和楼宇建筑的能源供应将仍然是以化石能源及电力为主,并与太阳能和其他可再生能源共存的多元能源利用格局,并在多种节能技术综合利用的基础上形成复合能量系统应用,与此同时,蓄能、热泵和热回收等技术由于异步调节能力强、能够提升能源品位和均衡能源利用以及提高能源利用效率将得到更广泛的应用,将在复合能量系统中发挥重要作用。因此建筑物的复合能量系统运用的研究将在各种新能源和新节能技术研究成果的基础上,开展包括节能和环境友好的围护结构、太阳能和地热等多元能源利用、能量回收和存储以及系统动态特性及可控性等方面的研究,实现多元能源和多种节能技术的整合和综合利用,以实现节能、环保、优化的目标。2. 楼宇复合能量系统的概念楼宇复合能量系统通过多元能源的组合和多种节能技术的集成运用来实现综合能源资源的高效利用,并有效提高区域或建筑楼宇的能源供应安全,其复合的概念在于多元能源和多种节能技术的多层次多形式的组合应用(冷热电等能量形式),最终实现多钟节能技术的综合利用,多元能源的综合利用,多环节的综合优化,多系统协调匹配。 - 4 -楼宇复合能量系统将针对终端用能的波动性和可再生能源非稳定性的特征,采用电力、燃气等常规能源以及太阳能等可再生能源或各种废热资源来提供多元能源组合;利用冷热电联产或热回收等技术实现能源的梯级利用;通过蓄能技术来弥补可再生能源的不稳定性和应对复杂的负荷需求变化;应用热泵等技术提升能源品位和扩展能源利用途径;通过利用计算机模拟和系统优化控制技术使复合能量系统在各种负荷工况和能源价格波动等条件下都能保持最优的多元能源匹配和最低的运行费用。楼宇复合能量系统的实现要求建立相应的辅助决策软件将现场发电设备、热回收设备、蓄能系统和各种热能驱动和交换设备高效有机地结合起来,然后在实时计算机控制中采用现代控制理论、分散和递阶控制方法、计量信息与控制信息相结合等技术、以基于 SQL 数据库的先进控制集成平台来实现系统模拟和系统优化,获得最高的综合能源利用效率,最大限度减少对环境污染的运行方案。3.复合能量系统的运用简介复合能量系统的应用代表着世界能源高效利用的研究方向,具有很高的理论研究和实践应用价值,从国外应用实践来看,日本是多元能源综合利用的典范,在复合能源的应用研究上也有多年的经验。一些建筑采用燃气和电力等多元能源系统,综合应用分散型热泵、蓄热型热泵及冷热电联供系统等节能技术的案例也较多,日本普遍在建筑用能中常结合热泵和蓄能等多种节能技术,使复合能量系统得到普及应用。 复合能量系统在国内也有较好的运用,如有些建筑采用的离心机组与吸 - 5 -收式机组混合配置的案例,这种配置能充分发挥离心机组满负荷的高效率以及吸收式空调的部分负荷性能高的特点,同时还由于多元能源的运用能更好保证供冷的可靠性,以及能源价格波动时的运行经济性。奥运村项目规划采用的“太阳能与热泵高效复合能源系统”,更是将性能好、技术含量高的热泵技术和太阳能利用技术相结合,不仅可最大限度利用可再生能源,同时还可以确保奥运村对电、冷和热的供应安全性[2]。再如上海交大在上海莘庄生态建筑示范楼建立的集太阳能空调、地板辐射采暖、强化自然通风、以及全年热水供应功能于一体的太阳能复合能量系统,具有很高的应用推广价值。在复合能源系统实践应用方面具有重要战略意义。此外还有其他一些与太阳能有关的复合能源的利用形式,如太阳能与电锅炉蓄热技术的结合、太阳能与蒸汽轮机或燃气轮机以及太阳能与吸收式空调的组合系统都将比单一的一次能源供应系统具有更好的节能效益和环保效益,值得进一步推广和应用。区域空调系统则具有更好的条件来应用复合能量系统,使可再生能源更经济地被利用起来,如地热能、太阳能、垃圾废热等,此外也可以利用江湖水储存能作为区域能源的补充,如西班牙巴塞罗那文化论坛采用垃圾废热发电结合海水冷却和蓄冷技术,显著地降低了能源费用支出。值得一提的是在区域空调系统中采用冷热电联产与蓄能和太阳能等技术的综合利用,例如可以在冷热电联产应用中将冰蓄冷与燃气轮机进气冷却技术结合起来,还可以更好地解决冷热电三种负荷需求的异步调节与适应问题,实现能源之间的互补和转换,而且能够更好地解决复合能源的匹配和动态优化匹配。 - 6 -4.复合能量系统在复合能量系统在 HVAC 技术领域的研究与应用技术领域的研究与应用4.1 复合能量系统在 HVAC 领域的研究课题建筑能量系统可分为中央空调采暖制冷、照明、热水供应、电梯等多个子系统,这些子系统的能量利用又包括多个子环节,以中央空调子系统的能源综合利用为例,它至少包括冷热源能源转化子环节之间的匹配和运行(多元能源转化为冷热量)、冷热量利用(存储、回收和提升)子环节、冷热量输送子环节、末端调节的子环节这四个环节,建筑能量系统的综合优化利用需要这些子系统和子环节之间的协调和匹配。从能源转化子环节和冷热量利用(存储、提升和回收)子系统的匹配优化来看,值得研究的课题有可再生能源与传统能源系统整合优化、楼宇冷热电联产系统与蓄能系统的联合再优化、微型燃气轮机与热泵系统的结合、太阳能与楼宇冷热电系统、太阳能与热泵系统的结合等技术,在冷热量输送子系统中值得研究的课题包括大温差技术、变水量变风量技术、管网动态优化技术、动态流量平衡技术等;而末端调节和控制优化则涉及到末端能源利用效率研究、末端可控制性研究、热舒适研究带来的送风形式变化的研究(低温送风、地板送风、置换通风等)以及节能送风方式的选择(辐射供冷、置换通风、独立新风,自然通风)等。由于 HVAC 与建筑存在不可分割的联系,所以从建筑结构设计的角度来说,还有结构保温,墙体蓄热,太阳能与建筑一体化等一系列研究课题。这些课题的研究和多种节能技术的整合将构建不同的复合能源利用课题和实践方向,如集太阳能空调、地板辐射采暖、强化自然通风、以及全年热水供应功能于一体的太阳能复合能量系统;集能源中心和区域能源站的用能管理、管网动态平衡和优化、大温差变水量技术、空调末端控制优化及信息 - 7 -化计量发布为一体的区域能源优化管理系统;集置换通风、地板采暖制冷、新风和生活热水于一体的建筑物恒温恒湿恒氧系统。随着复合能量系统研究的不断深入,还将出现更多具有实践意义的新课题和新系统。4.2 楼宇复合能量系统的集成建模分析楼宇复合能量系统的集成建模分析HVAC 系统以上多个子环节的匹配优化包括与其他子系统之间以及子系统内部之间的协调优化,同时需要考虑子系统内部特性参数和外部特性参数对系统设计和运行的影响,不仅需要充分考虑满足建筑物所需达到的功能,同时需要考虑建筑物围护结构以及外部气候条件等因素。其研究涉及到设计、运行和控制三个阶段之中的全局系统中多变量多参数的模拟和优化,所以必须借助各种建筑节能技术、计算机模拟与仿真技术、信息应用技术、现代控制理论等综合技术集成来进行静态和动态的建模和优化,将多种节能技术进行有效整合,最终实现复合能量系统设定的目标函数最优的全局优化目标,进而构建一个节能,环保,舒适的建筑系统。为了全面考虑建筑物能源利用中多子系统多子环节的协调匹配和管理系统的综合集成,必须构建一个建筑物能量系统的框架模型,并通过相应的动态数据库的辅助,实现复合能源综合利用的客观评价[3]。这项工作可分为建模、模拟和优化三个部分,第一部分是运用各类建筑及节能技术的理论研究基础及通过实测系统运行性能来进行仿真来构建的辅助决策和优化模型,进而在虚拟的计算机环境中模拟各种工况变化和能源价格波动条件下的能耗需求和代价,最终作出最优的能量系统规划方案,第二部分是在用能优化管理的实时控制中实现的,它通过计算机优化控制技术来实时控制系统稳定运行、 - 8 -分析和辨识系统模型,从而调整运行策略,实现复合能量系统的整体动态优化,而模拟部分则贯穿于整个建模和优化工作之中,分为静态模拟和动态模拟。楼宇复合能量系统的集成建模过程可以利用成熟的集成建模软件,如ENERGY PLUS,DOE2 等,此应用过程涉及到建筑和结构设计,多元能源综合利用方案的确定,并根据气候条件、能源政策、技术经济性等内外部条件来进行综合分析。还可以运用一些在复合能量系统实践工作中不断开发出具有实践意义的优化软件,如上海交通大学研制的“生态建筑太阳能复合能量系统分析软件” ,它是基于太阳能复合能量系统的实践应用基础上开发的建模软件。该太阳能复合能量集成运用了太阳能空调、地板辐射采暖、强化自然通风以及全年热水供应等节能技术。4.3 楼宇复合能量系统动态模拟与优化楼宇复合能量系统动态模拟与优化楼宇复合能量系统的动态模拟和动态优化需要基于大量实时运行数据(实时数据采集来自不同子系统);需要依据大量数据样本来进行建模和辩识;需要基于能有效分解问题和优化处理问题的机制平台;以及需要保证各控制子系统和子环节之间的有效信息交换,实现局部优化和全局优化的有效协调机制。根据这些需求,复合能量管理系统必须基于以下的现实技术去深化研究:首先必须实现基于 SQL 的数据库集成平台用以实现各子系统大量信息共享和数据交换;然后需要在结合信息化计量结算和分布式数据采集传输的基础上进行更广泛和准确的数据收集分析,通过大系统优化控制技术和分散与递阶 - 9 -控制的方法来完成复杂问题分解和协调决策的优化机制;最后还需要通过智能控制方法逐步完成对非线形复杂系统的辩识建模和优化运行。作为 SQL 数据库的集成平台的核心问题,是利用 SQL 数据库的控制集成平台实现对楼宇能源管理系统的各子系统和子环节的统一管理和监控,以及各子系统之间信息交换(与信息化计量数据相结合)。为此可将各类控制子系统和计量子系统的数据通过工业标准接口转换成统一的格式存储在系统集成数据库中;而各子系统子环节之间的信息交换和系统集成管理网络对各子系统的统一管理和监控通过系统集成数据库实现。[5] 大系统优化技术要求将庞大的优化决策系统分解为若干简单的子系统,首先实现子系统的局部最优化(每个子系统的优化由各自的决策器来实现),而这些子系统相互之间关联的影响,则由高一级的决策器通过协调来考虑,优化层中可以包含多级的递阶结构[6],根据总目标使各个子系统相互“协调”配合,实现整个系统的全局最优化。采用递阶控制的方法将系统分解成若干级,一般由直接控制层、优化层、自适应层和自组织层来构成。其中直接控制层完成最基本的闭环控制,并保持过程的稳定运行;该层的适应能力差,运行工况倾向于保守,往往偏离最优工况,优化层在维持过程稳定的基础上采用优化技术确定直接控制层的设定值;自适应层通过对实际系统的观测来辨识优化层中所使用数学模型的结构和参数,使模型和实际过程尽量保持一致;自组织层按系统总控制目标选择下层所用模型结构、控制策略等。当总目标变化时,要求系统能自动改变优化层所采用的优化性能指标,当辨识参数不满意时,要求系统能自动修改自适应层的学习策略等。就空调子系统而言,它使在能源转化、冷热量能源利用(储存、提升和 - 10 -回收)、冷热量输送和末端调节等子环节实现正常设备启停切换稳定运行的基础上,首先在优化层利用稳态的数学模型基础上来调整运行策略,同时在自适应层不断根据数据采集和分析来辨识数学模型结构和参数和进行自学习,而在自组织层修改自适应层的学习策略和优化性能指标。最终逐步实现长期的全局优化,使在各种工况变化和能源价格波动的条件下系统均能保持最低的运行费用,根据以上分析,要实现以上动态模拟和优化的过程,先进的数据库结构和数据采集分析是优化控制的关键,同时将信息化计量的数据集成到优化控制系统中将是十分有效的辅助工具和必要手段。复合能量系统管理和研究实际上需要将建筑技术、各种节能技术、信息化计量技术与系统优化控制技术的成果无缝集成于建筑节能领域的综合应用,通过先进的信息及控制平台来实现跨行业、跨专业、跨观念的统一技术整合和优化,这样就需要国内能够涌现出一批具有复合知识结构的专业人员来参与其理论和实践,对企业界也提出了新的研究课题。 5.现状和前景由于化石燃料利用设备投入小,运行成本高,可再生能源利用设备投入大,而运行成本低的特点,决定了楼宇复合能量系统将由以目前的化石能源及电力为主、可再生能源为辅的复合能源系统逐渐过渡到未来的以可再生能源为主的复合能源系统,它是向第二代能源逐步过渡的途径和必然阶段。通过复合能量系统的应用,不仅可以提高能源的综合利用效率,减少化石燃料的使用,也能大大提高能源供应的安全可靠性,这里的能源安全并非 - 11 -普通意义上的电力供应安全,而是指区域或楼宇内的综合能源供应(冷热电)的可靠性和安全性。复合能量系统可以通过采用蓄能和热回收等节能技术来弥补可再生能源的不稳定性,有效适应终端用能的波动性,使得各种能级的能源资源得到充分利用,更重要的是楼宇复合能量系统能够结合楼宇冷热电联产应用更好地利用各类可再生能源,降低化石能源的使用,满足终端用能需求,这样从一次能源的开发到终端用能的中间环节更少,能源综合利用效率最高,对环境污染最小。能源的可持续性利用和安全可控性是建筑业主的本能需求,楼宇复合能量系统以其更高的能效利用率及操控独立性,必将会引起越来越多的关注和研究,引起房产投资开发商、注重运行成本控制的工业企业家、私产业主的关注及使用,从而使未来社会能源的高效利用和环境保护步入新的时代。 - 12 -参考文献1. [1]徐建中 分布式供电和冷热电联产的前景[EB/OL] 冷暖空调网--热点话题---热电冷三联供 2.[2] 韩晓平 第二代能源系统解读信息时代[EB/OL] 中国能源网3.[3] 胡文斌 华贲 尹清华 建筑物能量系统多层次集成建模的探讨[J] 能源研究与信息 2001 年第 17 卷4.[4]华南理工大学 华贲 左政 胡文斌 广州大学 周孝清 国家 973 重点基础研究发展规划项目“高效节能的关键科学问题”(G20000263)[N] 华北电力大学学报 2003 Vol.30 No.5 P.5-9,205.[5] 汪明君 基于 SQL 数据库的智能建筑系统集成方式及其软件[EB/OL] 技术频道-> 学术论文-> 智能建筑6.[6] 李人厚 邵福庆 大系统的递阶控制与分散控制[M] 西安交通大学出版社,1986 - 13 -设计体会设计体会经过两个星期的忙碌和工作,本次课程设计已经接近尾声,作为一个本科生的课程设计,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的督促指导,以及一起工作的同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师。他平日里工作繁多,但在我做课程设计的每个阶段,从查阅资料,到设计草案的确定和修改,中期检查,后期详细设计,等整个过程中都给予了我悉心的指导。在整个设计过程中,我们又重新巩固了课本上所学,收获颇多!再次,谢谢陈老师的悉心指导!
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