建筑用能系统火用分析

图书标准信息

• 作者 刘艳峰 著
• 出版社 科学出版社
• 出版时间 2018-11
• 版次 1
• ISBN 9787030597236
• 定价 98.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 页数 128页
• 字数 174千字
• 正文语种 简体中文

【内容简介】

《建筑用能系统火用分析》由作者近年对于建筑用能系统优化研究成果积累而成，针对建筑用能系统的能源供应、传递路径和用能需求这一完整能量链，基于热力学一、第二定律，通过统计分析和理论计算，并侧重于能源在数量和品质上的双高效利用，建立技术原理，形成优化设计和评价方法。内容主要包括三个方面：一，能源供应方面，分析不同能源产品上游生成阶段的能量来源，并以 作为无差异量化基准，得到能源产品的上游 成本分析方法，可实现来源和层级不同的能源产品的同源化；第二，能量传递路径方面，建立能量传递和转换设备的模块库，并探讨模块单元不同组合形式下的 效率分析方法；第三，用能需求方面，分析建筑中各用能项目的基本 耗量以及设备系统输出 量与建筑基本 耗量之间的匹配关系。最终获得建筑用能系统由 源输出到建筑物 量耗散全过程的 分析和节能评价方法。

【作者简介】

刘艳峰，1971年生，西安建筑科技大学二级教授，博士生导师。入选“万人计划”领才、科技部中青年科技创新领才，“十三五”重点研发计划项目负责人，陕西省“西北村镇太阳能光热综合利用”重点科技创新团队负责人，自然科学创新群体学术骨干，宝钢很好教帅，荷兰代尔夫特理工大学访问学者。担任靠前太阳能学会(intemational olarenergy ocietyie)委员、中国建筑学会零能耗建筑学术委员会副理事长、中国绿建筑与节能专业委员会委员、中国建筑节能协会专家委员会委员、中国冶金学会与教育研究分会副理事长兼秘书长、中国环境科学学会室内环境与健康分会理事、暖通空调编委等学术兼职。    长期致力于我国西部太阳能采暖基础科学问题和关键技术创新研究。主持“十三五”重点研发计划项目1项、自然科学重大项目课题1项、面上项目5项等；发表科研180余篇，其中ci检索40余篇，授权发明18项，软件著作权3项；出版太阳能采暖设计与技术等7部，编写和行业标准8部；获得ci期刊buil and environment2016年度很好奖、世界人居环境靠前会议很好奖；荣获科技进步奖、科技进步奖、陕西省科学技术奖等9项科研奖励。研究成果在西部高原地区得到广泛应用，经济效益和社会效益显著。

精彩内容：

量质合一方为“能”热力学靠前定律表明，能源利用过程中，能量数保持不变，只是存在的形式和位置发生改变。热力学第二定律指出，不同形式能量的做功能力存在差异，能量做功能力的大小反映其品质的高低。高品质能可自发地转变为低品质能，且这一过程在自然下不可逆。能量转换、传递过程中，数不变，做功能力不断减小，能量利用的本质是对其所包含的可用能部分(做功能力)的利用。1 建筑用能过程的热力学基础建筑是人们社会生活的主要场所，在营造适宜人工环境及维持人员活动时往往需要能源的投入，如采暖、空调及生活电器用能。随着城镇化进程的加快和人们生活水的提升，我国建筑面积及单位面积能耗量均持续增长，造成了建筑能耗量的快速上升。统计资料显示，我国建筑部分能耗在社会能源消费量中所占的比例已从20世纪70年代末的10%上升到的25%左右，根据发达的发展经验，这一比例将随着城镇化的快展而进一步上升。为了缓解建筑能耗需求增长与能源紧缺及环境之间的盾，有必要提高能源在建筑中的利用效率，从而控制建筑的能源消耗。为了实现这一目标，需要了解建筑用能的热力过程，查明建筑部分能源利用过程中存在的问题，进而深入开展节能工作。1.1 建筑用能的发展建筑部分的能源利用是跟随建筑功能转变而发展的。原始时期，人类的建造物主要用于安全御，形成“树居”的居住方式，之后人类学会了用火，得以战胜野兽并占领洞穴，由“树居”过渡到“岩洞居”，岩洞相对而言热舒适更好，反映出原始人类对居住物热舒适的需求。随着人类思和动手能力的进一步提高，在寒冷地区出现了穴居方式，其不仅可以获得相对稳定的热环境，还具有良好的采光、排烟功能。古研究发现，早期的穴居中已出现灶坑，表明当时的建筑已初步具备取暖和炊事的功能。此后，建筑居住形式由穴居经历了半穴居、地面建筑、下建台基的地面建筑。农业文明时期的到来，极大地促进了建筑的发展，原始时期游猎的临时洞穴转变为稳定的建筑形态。中国的古建筑发展历史悠久，形成了宫殿建筑、建筑、陵墓建筑、园林建筑、民居建筑等多种形式。此时的建筑更加注重外形的美观与结构的牢固，同时建筑功能亦有发展。古发现秦朝的宫殿中采用火墙进行取暖，北魏郦道元在其所著的水经注中记载了人们利用火炕取暖，而魏晋时人们则用火炉烘火取暖。一些古建筑亦有夏季暑降温的功能，北魏时期洛阳华林园的“清凉殿”便采用天然冰来降温，唐太宗所造的凉殿，利用水利机械装置设计了风扇和屋顶上注水“成帘飞洒”。原始穴居建筑中的烟囱演变成了古建筑中的窗，使建筑具备了通风、采光的功能，天井院落的古建筑，如北京四合院、福建圆楼等，建造中都虑了空气流通和室内光线的问题。对建筑的发展产生了深远的影响，并促使欧美建筑迈入了近代建筑时期。新材料、新理念、新设备的发明和运用使得建筑的建造更加科学，结构更加稳定，功能更加完善。由于工商业的迅展以及社会体系的完善，城市中除了原有的居住建筑外，开始涌现出一批功能集中的公共建筑，如医院、办公楼、商场、学校、体育馆等。与居住建筑相比，公共建筑对建筑环境的要求更高，因此，公共建筑的发展离不开建筑设备的发展。靠前次中，锅炉技术的成熟为人类利用“水暖”打下基础，与此同时，人类创造出了靠前代金属散热器。第二次使人类由“蒸汽时代”进入了“电气时代”。自1866年西门子制成了发电机后，各种电气机械应运而生，如压缩器、电动水泵、风机等。将各类机械设备组合成系统广泛地应用到建筑中，使建筑功能多样化。诞生于20世纪初的空调系统，成为调节室内温度、湿度重要措施。除此之外，逐步形成的其他设备系统还包括建筑给排水系统、建筑采暖系统、建筑照明系统、建筑消系统等。近代建筑的功能系统已经比较完善，而现代建筑并不止于此，伴随着计算机信息技术的进步，现代建筑的功能内涵又有了新的定义。现代建筑正不断地朝着智能化的方向迈进，主要表现在对建筑内的各种设备系统的实时检测和自动化管理，具体来说是对建筑内的空调系统、给排水系统、消系统、照明系统、电梯系统等的全面监测与自动控制。现代建筑的智能化赋予了建筑安全、高效、舒适、节能的显著优点，例如，现代建筑营造室内环境时，不只简单的采暖降温，一方面，精细化地调节环境参数使室内的活动人员感到舒适，且不损害人体健康，同时又能提高人员的工作效率；另一方面，在营造这样的室内环境的同时，按需调节，避了浪费，程度上节约了能源。现代建筑在满足人类活动需求的同时，所消耗的能源量越来越多，能源供应负担的加剧迫使人们不仅要寻求新的替代能源，还应改革已有的用能机制。由于建筑功能的发展，建筑消耗的能源种类和耗能量也在不断地变化。“树居”和“岩洞居”时期，建筑几乎不消耗能源，“穴居”时期，通过在坑灶内直接燃烧草、木柴获得能量用于取暖、炊事。古代建筑时期，建筑用能的目的为炊事、采暖以及照明，能源的利用形式也是以燃烧木柴、秸秆、蜡烛为主，附以少量的煤炭。近代与现代建筑时期，建筑用能目的多样，一般包括：室内环境营造(温度、湿度、空气品质)、生活用水、炊事、消、照明、娱乐办公、储藏食品等。建筑的用能类型主要包括电、、石油、煤和生物质能，此外，部分新能源也加入到了建筑用能的行列中，如太阳能、地热能等。建筑用能的发展还体现在建筑用能过程的变化。原始的用能过程很好简单，即将燃料燃烧取热，这种用能过程很突出的问题是功能单一、效率低下、卫生条件差。如此的用能过程难以适应人类社会和城市的发展，因此，锅炉诞生后，这种方式便慢慢被淘汰。锅炉将产热部分从建筑本体中分离出来，锅炉燃烧燃料产生的热水或蒸汽通过管道输送至建筑以便人们采暖等使用，慢慢演化成了当今城市的集热系统，这种系统配备大型高效的锅炉，极大地提高了燃料的燃烧效率，但缺点是热网输送热能的过程中会产生输配能耗。电能属于高品位的能源，利用它可以实现建筑的功能，而且电能使用过程中无污染，输配能耗少，特别受人们的青睐，占住宅用能的40%～70%。发电的方式众多，如火力发电、水力发电、风力发电、核能发电等，在我国，火力发电量约占发电量的70%。以火力发电为例来分析建筑用电能的过程，首先将化石燃料转化为热能，发电机将热能转化为电能，再通过电线将电能输送到建筑，很后建筑设备系统利用电能实现各项建筑功能。建筑用电的整个过程中能量经过多次转化，耗能的次数增加，但单次转化的效率却大大提高。体来说，建筑用能的发展经历了由维持基本生存需求到多样化用能，由“天赐”到精细控制的过程。伴随建筑用能场景的增多以及精细化、智能化的调控需求，无论是能源供应形式还是用能设备，都发生了巨大的变化，由此形成了从能源供应到设备传递，直至满足末端能量需求的建筑用能系统。1.2 能源利用的热力学特能量守恒定律表明，在能源利用过程中，能量数保持不变，只是存在的形式和位置改变，这是一个由有序到无序的过程，相应的，能量系统的熵增加。而熵反应的是动力学方面不能做功的能量数。也是说，能源利用是可做功的能量数不断减少的过程。随着能量接近耗散于环境，很终变为不可做功的能。代表能量的可做功能力，是衡量能量品质高低的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“价值”[1]，解决了热力学中长期以来没有一个参数可以单独评价能量价值的问题，改变了人们对能的质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法。现实中，能源利用所历经的转化、传递等过程均不可逆，因而存在不可逆引起的损失，体现在可用功向不可用功的转变，即量的减少。可以看出，能源利用的本质是对其包含量的利用。实现能源资源的节约，需要兼顾能源在“数量”和“品质”方面的高效利用。1.3 建筑用能系统的定义建筑实现能量利用时，首先需要能源的供应，多数情况下，为了匹配建筑能量需求的形式及空间分布，能源需经过设备转换和输配，很终满足建筑用能需求。因此，研究认为由能源供应开始，包含能量设备系统转换传递，直至在建筑中利用这一整体为建筑用能系统。1.3.1 系统边界完整能量系统包含了量的输入、设备投入以及人员作用下的建筑用能需求。其中，量的输入分两方面：①主源的量输入，用于满足建筑需求的量；②辅助量输入，主量利用时辅助过程的量消耗。设备在能源利用过程中主要起能量转换及输配作用，现有建筑设备系统方案分析时，经济因素往往占据地位，然而经济优的设备系统并不符合人类社会整体和长远的发展利益，因此，研究中并不涉及设备系统成本方面的分析，仅以能源的可持续发展为基本目标。主源输入的量到达建筑端，在满足用能需求后逐渐在建筑中耗散，很终以热量传递、扩散等方式转变为室外环境中的无用能。综合以上分析，研究确定建筑能量系统分析边界：以自然界量资源输入为起点，追踪量在设备系统中的传递过程及在建筑中的利用，直至主量输入接近转变为无用能。另外，研究虑辅助量的消耗以及各量上游的间接耗，从而为建筑能量系统用能过程的接近耗分析提供基础。1.3.2 环境合理确定环境参数有利于系统值的准确计算。一般认为与环境衡的系统只含有，系统与环境的衡包含热衡、力衡和化学衡，所涉及的参数分别为温度、压力和物质分布，与各环境参数偏离的系统则相应的有热量、压力和扩散。现有技术条件下，能量系统的扩散尚难以利用，因此，分析能量系统值时，忽略扩散，主要关注由温度和压力决定的热量和压力。

【目录】

目录
前言
1 建筑用能过程的热力学基础 3
1.1 建筑用能的发展 3
1.2 能源利用的热力学特性 5
1.3 建筑用能系统的定义 6
1.3.1 系统边界 6
1.3.2 环境状态 6
1.4 建筑用能系统分析理论基础 7
1.4.1 几种形式能量的 7
1.4.2 平衡方程 8
1.4.3 分析指标 9
参考文献 10
2 能量的统一量化基准 13
2.1 能量的来源 13
2.1.1 能源形成机理 13
2.1.2 能源再生性的量化分析 14
2.2 能量利用的分析基准 16
2.2.1 基础源分析 16
2.2.2 地球量资源变化特性 17
2.2.3 量可持续利用分析 18
2.3 能源产品上游阶段成本分析 19
2.3.1 成本分析模型的建立 19
2.3.2 成本模型计算方法 20
2.3.3 能源产品成本分析实践 26
参考文献 32
3 建筑设备系统效率研究 37
3.1 建筑设备系统模块化研究 37
3.2 能量转换单元热力学分析 38
3.2.1 能量的形态和转换特性 38
3.2.2 能量转换单元效率 39
3.3 能量传输单元分析模型 43
3.3.1 能量传输单元热效率 44
3.3.2 能量传输单元效率 45
3.4 末端单元分析模型 45
3.4.1 末端单元能量效率 46
3.4.2 末端单元效率 46
3.5 设备系统分析模型 48
3.5.1 串联组合分析 48
3.5.2 并串组合分析 49
3.6 建筑设备系统分析 50
3.6.1 设备系统主源效率 51
3.6.2 设备系统辅助耗系数 51
3.6.3 设备系统总效率 52
参考文献 53
4 建筑耗特性分析 57
4.1 建筑物量平衡分析 57
4.2 建筑物量需求与设备系统量供应的匹配关系 63
4.3 中国城镇住宅建筑能源利用效果分析 67
4.3.1 建筑用能分析方法与数据来源 67
4.3.2 中国城镇住宅建筑能源利用效率分析 70
4.3.3 中国城镇住宅建筑耗特性 80
4.4 中国典型气候区公共建筑能源利用效果分析 80
4.4.1 方法和数据来源 81
4.4.2 公用建筑能源利用效率分析 83
4.4.3 中国典型气候区公共建筑耗特性 91
参考文献 92
5 建筑能量系统分析评价指标体系 95
5.1 建筑能量系统分析基础 95
5.2 建筑能量系统分析目标 96
5.2.1 建筑低供能方案分析 96
5.2.2 低设备系统 98
5.2.3 低耗建筑物 100
5.3 建筑能量系统节能评价指标体系 102
5.3.1 建筑能量系统总效率 102
5.3.2 建筑能量系统损率 103
5.3.3 建筑用能项目耗指标 105
参考文献 106
6 建筑能量系统优化分析应用 109
6.1 建筑采暖系统分析 109
6.1.1 集中采暖 109
6.1.2 分散采暖 116
6.1.3 建筑采暖用能效率 119
6.2 建筑空调系统分析 120
6.2.1 电制冷与吸收式制冷 120
6.2.2 集中与分散空调 121
6.2.3 建筑空调用能效率 123
6.3 采暖空调系统低优化建议 127
参考文献 128