低能耗设计论文

低能耗设计论文（精选7篇）

低能耗设计论文 第1篇

一、长沙市居住建筑节能现状

根据长沙市134栋建筑的节能计算书, 对这134栋建筑的体形系数、外窗参数、外墙参数等情况进行了统计, 了解长沙市目前建筑的节能水平, 为节能设计的优化提供参考和方向。

(一) 体形系数

体形系数指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的比值, 一般来讲, 体形系数越小对节能越有利。长沙市居住建筑的体形系数的统计结果如图1所示, 体形系数≤0.4的建筑比例达到80%。夏热冬冷地区、上海市、重庆市等多个居住建筑节能设计标准传热系数限值确定均将体形系数0.4为界进行区分。

(二) 外墙传热系数

外墙传热系数≤1.2 W/ (m2·K) 的建筑比例达到56%。外墙传热系数处于1.2-1.5 W/ (m2·K) 的建筑比例达到40%。低能耗建筑外墙传热系数可以达到1.0或者0.8 W/ (m2·K) 以下, 长沙市居住建筑的外墙热工性能具有较大的提升空间。

(三) 屋面传热系数

屋面传热系数≤0.8 W/ (m2·K) 的建筑比例达到63%。屋面传热系数处于0.8-1.0 W/ (m2·K) 的建筑比例达到37%。低能耗建筑屋面传热系数≤0.8或0.6 W/ (m2·K) 较为普遍, 长沙市居住建筑在屋面热工性能上已经达到较高水平。

(四) 窗墙比

东向窗墙比≤0.25的建筑最多, 比例达到84%。南向窗墙比处于0.30~0.35的建筑最多, 比例达到29%;窗墙比小于0.4的比例达到86%。西向窗墙比≤0.25的建筑最多, 比例达到93%。北向窗墙比≤0.25的建筑最多, 比例达到61%。

(五) 外窗传热系数和遮阳系数

不同朝向外窗传热系数一样, 传热系数处于2.8-3.2 W/ (m2·K) 的建筑最多, 比例达到43%;遮阳系数≥0.60的建筑最多, 比例达到63%。根据长建发[2015]64号文, 长沙市民用建筑外窗传热系数需≤2.7W/ (m2·K) , 从调研结果看, 今后长沙市居住建筑执行该规定, 建筑能耗也将有较大降低。

二、节能设计优化测算

建筑的朝向影响太阳辐射得热和通风, 围护结构直接与外界环境进行热量交换, 二者对建筑能耗影响非常大, 中国首个被动式低能耗建筑秦皇岛“在水一方”示范项目采用的被动式节能技术前两项即为优化建筑朝向和提高围护结构的保温隔热性能, 夏热冬冷地区的第一个被动房项目布鲁克被动房, 在建筑设计方面, 布鲁克的建筑朝向选择、体形系数设定以及围护结构设计等都经过科学严谨的能耗模拟计算和优化分析。因此, 选取朝向和围护结构两个因素进行测算, 期望得到节能设计优化方法。

(一) 朝向

根据气象数据分析, 得出长沙最佳建筑朝向为南偏东5°-10°范围内。同时, 选取2栋长沙市典型居住建筑, 就朝向对单位面积建筑能耗的影响关系进行模拟测算, 图6为测算结果, 由图可知, 建筑朝向在南偏西15°到南偏东15°范围内, 能耗变化相对较小。随着建筑朝向的偏转, 建筑能耗逐渐增加, 故应控制建筑朝向在合理范围内。

(二) 围护结构

研究围护结构节能设计优化时, 除了考虑外墙、屋面和外窗等的热工参数外, 还需考虑建筑体形系数和窗墙比的影响, 选定了3个不同的典型居住建筑, 分别进行优化方案测算和分析。测算以达到65%节能率为低能耗指标。

(1) 典型建筑1

如图7所示为测算典型建筑1模型, 24层, 体形系数0.27, 东/南/西/北向窗墙比为0.04/0.43/0.04/0.33。方案1~方案3仅北向外窗传热系数变化, 方案4是在方案1的基础上调整南向外窗遮阳为活动遮阳, 测算结果如表1所示。随着外窗传热系数的降低, 能耗逐渐降低, 而在外窗传热系数不变的前提下, 将固定遮阳改为活动遮阳, 能耗明显降低, 节能率提高到65%以上。

(2) 典型建筑2

如图8所示为测算典型建筑2模型, 32层, 体形系数0.38, 东/南/西/北向窗墙比为0.01/0.36/0.03/0.23。方案2在方案1的基础上降低了外窗各朝向的传热系数, 方案3是在方案1的基础上降低了南向外窗遮阳系数, 测算结果如表2所示。外窗传热系数降低较大幅度的情况下, 能耗有所降低, 但是降低程度不及外窗遮阳系数改变的方案。

(3) 典型建筑3

如图9所示为测算典型建筑3模型, 27层, 体形系数0.43, 东/南/西/北向窗墙比为0.08/0.43/0.08/0.23。当体形系数超过0.4, 且窗墙面积比较大时, 建筑能耗较高, 仅通过调整围护结构节能贡献有限, 难以达到建筑1和建筑2的节能率水平, 需同时提高围护结构热工性能及空调性能。

三、结语

综合以上分析, 可以得出以下结论:

(1) 长沙市目前的建筑参数分布集中在如下范围:体形系数≤0.4;外墙传热系数≤1.2W/ (m2·K) ;屋面传热系数≤0.8 W/ (m2·K) ;东向窗墙比≤0.25, 南向窗墙比≤0.4, 西向窗墙比≤0.25, 北向窗墙比≤0.25;外窗传热系数2.8~3.2W/ (m2·K) ;遮阳系数≥0.60。

(2) 长沙市居住建筑实现低能耗的节能设计优化方向如下:

建筑朝向宜控制在南偏西15°到南偏东15°范围内;

体形系数控制在0.4以内, 调整热工设计参数, 外墙和外窗传热系数1.2 W/ (m2·K) 和0.8W/ (m2·K) , 再适当降低外窗传热系数和进行活动遮阳, 可以实现低能耗的设计;

体形系数超过0.4, 且窗墙面积比较大时, 调整热工设计参数难以实现低能耗设计, 需同时提高围护结构热工性能及空调性能。

(3) 长沙市低能耗居住建筑的节能设计需尽快出台65%建筑节能设计标准, 对体形系数和窗墙比加以限定, 以使更多的建筑可以通过被动式的节能设计实现低能耗, 而不是依靠提高空调性能之类的主动式技术。

摘要：通过对长沙市居住建筑热工参数调研分析, 节能空间很大。通过建筑朝向控制和围护结构热工性能提升可以显著降低居住建筑能耗。体形系数≤0.4通过提高围护结构热工性能和设置活动遮阳, 可以实现低能耗的设计;体形系数超过0.4, 且窗墙面积比较大时, 调整热工设计参数难以实现低能耗设计, 需同时提高围护结构热工性能及空调性能。

关键词：居住建筑,低能耗,节能设计

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134-2010.北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[2]重庆市城乡建设委员会《重庆市居住建筑节能65%设计标准》DBJ50-071-2010.

[3]上海市城乡建设和交通委员会《上海市工程建设规范-居住建筑节能设计标准》DGJ08-205-2011.

[4]彭梦月.中国首个被动式低能耗建筑的实践和思考——秦皇岛“在水一方”示范项目[J].动感 (生态城市与绿色建筑) , 2015, 01.

事件驱动型传感网络低能耗协议设计 第2篇

无线传感网络应用中, 根据采集和发送数据的方式, 可将其分为两类:时间驱动型传感器网络和事件驱动型传感器网络[1]。前者, 节点周期性采集并发送数据给汇聚节点, 数据传输率是固定的。后者, 只有当节点探测到目标事件后, 才会以较高的速率发送数据, 通常情况只需发送网络管理和状态信息, 数据量较少, 数据的采集和发送通常不可预测。由于事件的随机性和突发性, 在没有事件的大部分时间里, 网络处于空闲状态, 一旦事件到来, 数据流量迅速增加, 且可能在局部区域形成热点, 造成信道拥堵。同前者一样, 事件型传感网络需要解决网络的能耗和效率问题。在网络节点物理层参数一定的情况下, 传感网络协议是影响网络能量消耗和网络效率的主要因素。

1传感网络协议分析

无线传感网络 (WSN) 协议由物理层、MAC、网络层和应用层组成。结合EDWSN的特点对网络层和MAC层协议进行分析。

1.1网络层协议分析

WSN协议负责在传感节点和汇聚节点间提供一条低能耗并且高效的路由。由于WSN与应用高度相关, 单一的路由协议不能满足各种应用需求, 针对不同应用的特点, 人们研究了众多的路由协议[2], 主要包括:泛洪式路由协议、层次式路由协议、基于查询的路由协议和基于位置信息的路由协议。泛洪式路由协议是一种古老的路由协议, 不需要维护网络的拓扑结构和路由计算, 接收到消息的节点直接将数据包转发给相邻节点, 是一种较直接的自组织网络实现方法, 但容易带来消息的内爆和重叠, 不适合事件型网络的突发流量情况, 同时带来严重的串音和冲突。层次式路由协议将传感节点分簇, 簇内通信由簇头节点来完成。簇头节点进行数据聚集和融合以减少传输的信息量, 最后簇头把融合的数据传送给汇聚节点。该方式能满足传感器网络的可扩展性, 有效地维持传感节点的能量消耗, 由于事件型网络的随机性, 分簇要随每一次事件而调整, 带来了网络管理开销。基于查询的的路由协议需要不断的查询节点采集的数据, 传感器节点根据查询命令向查询节点报告数据, 也不适合事件型网络的突发传输, 定时查询带来大量的通信流量。

事件一般有空间相关性, 基于位置信息的路由协议是一种适合事件型网络的路由协议。根据事件区域的地理位置, 建立汇集节点到事件区域的优化路径, 避免了泛洪引起的内爆和重叠, 以及分簇带来的管理开销。在很多情况下, 不能得到传感器的实际物理位置, 就网络路由而言, 实际的物理位置并不是一种好的选择, 基于通信位置关系的地理路由更符合实际应用情况, 即任何一个节点把和它能进行通信的节点当做邻近节点, 并以此构建路由, 称之为虚拟地理路由协议。

1.2MAC层协议分析

MAC层协议是网络协议的底层部分, 对传感器网络的性能影响较大。主要包括基于竞争的载波侦听多址 (CSMA) 、基于固定分配的时分多址 (TDMA) 和混合性协议。基于竞争的协议[3]包括S-MAC和T-MAC等。S-MAC通过邻居节点自协调, 形成多个休眠计划, 带来多边界问题, 使得网络同步成为一个复杂问题, T-MAC在S-MAC基础上动态调整事件, 减少空闲侦听时间, 但存在早睡问题。基于TDMA的协议适合网络节能的需要, 没有竞争机制的碰撞重传问题, 空闲时可以及时进入睡眠状态, 但需要严格的时间同步, 大多数情况下难以推广应用。混合性协议综合平衡竞争机制和TDMA分配机制的优缺点, 主要包括Z-MAC和ER-MAC等协议, 采用CSMA和TMDA综合方式, 在网络的时延特性和能耗特性等达到一定平衡, 由于基于TMDA, 仍然具有协议复杂和同步要求高等问题。

针对事件型网络大部分时间空闲、突发事件造成流量大的情况, 提出一种信令采用CSMA竞争方式, 业务信道采用FDM的混合型MAC协议, 网络共使用N个频道, 在空闲状态, 各个节点以低占空比值守在信令信道F0上, 当事件发生时, 在其余的频道Fn传输信息。该协议对网同步要求低, 且可以较好地解决地大流量造成的串音和冲突。

2低能耗协议设计

事件驱动型无线传感网络低能耗协议包括网络层协议设计和MAC层协议设计。

2.1网络层设计

网络层协议主要包括拓扑形成算法和数据传输路由算法。

2.1.1 拓扑形成

虚拟地理路由协议的基本思想是建立一个虚拟坐标系统[4], 用来表示实际的网络拓扑结构。网络中的节点形成一个以汇集节点为根的带环树, 每个节点用到树根的跳数距离和角度范围来表示。一个包含0级、1级和2级3层的网络形成过程如图1所示。

第1步, 生成树形结构。网络拓扑的建立由汇聚节点开始, 汇聚节点设置自己的跳数为0, 并广播路由。邻近节点收到这个信息后, 将汇集节点设置为自己的上级节点, 并设置自己到汇聚节点的跳数为1, 然后继续广播路由建立消息, 汇集节点需要监听邻近节点的广播, 并将发送跳数为1的节点标记为下级。依此类推, 网络中每个节点都知道自己的上级节点和下级节点, 以及到汇集节点的跳数, 直到所有节点加入这个树形结构。没有收到跳数比自己大的路由建立信息, 则认为自己是叶节点。

第2步, 反馈子树大小。树形网络生成后, 从叶节点开始, 节点将自己为根节点的子树的大小报告给它的上级节点。叶节点的大小为1, 中间节点将自己所有子树的大小相加, 并加上1, 得到自己的子树大小, 然后报告给它的上级节点。这个过程从叶节点开始, 向汇集节点进行, 直到汇聚节点获得整个树的大小。

第3步, 生成树。根据树大小, 汇聚节点确定树的角度范围, 各级节点以此将自己的角度范围分配给自己的下级。这样, 各个节点就得到各自的角度。

这样, 每个节点都有自己的跳数和角度, 根据跳数和角度, 就可以在网络中确定自己的位置, 网络形成了。汇集节点保存整个网络结构, 普通节点只保留自己的上级节点、下级以及邻居节点的跳数和角度。一个虚拟极坐标拓扑形成了, 如图2双箭头所示, 节点3t以2t为上级节点, 以4t和4u为下级节点。

2.1.2 数据传输路由

当传感节点有数据向汇集节点发送时, 以最小跳数向上转发, 如图2所示中单箭头实线所示, 4c节点从保留的路由表中选择上级节点3h作为路由节点, 3h选2h作为路由节点, 2h选择1a, 通过4跳达到汇集节点。在传输过程中, 任一个节点发送信息, 将对上层、同层和下层的邻居节点产生串音现象, 以3h节点向2h节点发送信息为例, 如图2中长短虚线所示, 对2a 2h 2t 3b 3k 4c 4h 4k产生串音, 造成网络能量的浪费。这个问题由下面的MAC层协议来解决。

2.2低占空比FDM的MAC层协议

为适应事件型网络的突发性和空闲特性, 无事件时, 能耗大量消耗在空闲状态, 事件到来时网络拥堵的情况, 提出在空闲状态下采用交错同步低占空比值守, 在事件来临时采用多频道复用的媒体接入控制协议, 即低占空比值守多频道复用 (LDFDM) 协议。

2.2.1 信道接入控制

假设整个网络有N个节点, 复用M个频分信道, 根据网络的规模和具体应用情况, M取3～8, 其中一个信道f0为值守信道, 其余M-1个信道为业务信道。值守信道以交错同步低占空比工作方式, 业务信道采用全周期工作方式, 一旦进入业务信道, 则一直处于接收、发射或空闲模式。空闲模式降低了功耗, 事件繁忙时提高了网络效率, 同时解决了串音和冲突问题。与TDMA相比, 降低了同步要求。如图2所示, 4c节点要向0a节点发送数据, 首先随机选择业务信道并进行侦听, 找到一条空闲的业务信道, 如F1, 其次在值守信道的工作时隙向周围节点包括上级节点3h发出建立链路信令, 并通知业务信道的频点, 3h收到信令后, 对该业务信道侦听, 确认空闲后发出相应信令, 双方转入业务信道进行通信。在双方建立链路过程中, 周围节点始终处于偷听过程中, 获取了双方的通信频道。活跃节点完成一次数据包传输后, 在业务信道仍然值守数个占空比周期, 以等待下一次可能的通信业务, 等待完成后, 转入信令信道进行值守。

2.2.2 低占空比的同步设计

信令以低占空比工作在F0信道上, 同步是主要技术问题。信令的传输主要有2个方向, 从底层节点向上和从汇集节点向下。向上的信令为事件驱动型, 具有随机性和突发性, 且对时延要求高, 向下的信令主要是同步信息, 按一定周期发送, 对时延要求低。采用种交错同步方法[5], 以适合这2种信令的传输。上下级节点以收发时隙交错的时序工作。从底层节点向汇集节点的事件来临信令采用正向传输通道, 低占空比信令传输时序图如图3所示。

如图3向上的箭头所示, 4a节点接收5a节点的唤醒信令可以在紧接的下一个时隙立即转发给3a, 并依次立即转发, 唤醒信令可以在一个占空比周期唤醒各级节点, 其唤醒延迟为一个完整的占空比周期。从汇集节点向全网发送的同步信令采用反向传输通道, 网同步信令不能实现交错同步, 只能在下一个周期发送, 如图3向上的箭头所示, 4a节点接收3a节点的同步信令, 只能在下一个占空比周期转发给5a, 则同步周期传送到最底部节点的事件为N个占空比周期, 例如占空比周期为0.5 s, 最高十级节点, 则网同步信令传输延迟为5 s, 而网同步周期经常是分钟量级的, 因此可以满足网同步要求。

网络同步包括同步建立、同步更新、失步检测、同步申请和同步重建5个环节。汇集结点以固定的周期T发送同步信令, 该信令在反向信道以较低的速率向各个节点扩散。各个节点在同步前, 以全周期工作的方式等待同步信令, 一旦捕获同步信令, 则按同步信令的同步周期, 以占空比方式工作, 并进行同步保持和同步更新。任何原因造成2个以上周期没有更新同步, 则判为节点失步, 则该节点立即在上次同步的时刻将占空比扩大2倍, 请求上级或邻居节点发送同步信令。收到同步信令后, 重新进入同步保持状态。

3性能分析

以一个典型的事件型无线传感网络为例, 构建了一个51个节点的原型系统进行性能分析。经过虚拟地理组网算法, 生成0级节点1个, 1级节点4个, 2级8个, 3级16个, 4级32个。假定每个节点和邻近的节点能够通信覆盖, 不相邻的节点不具备通信覆盖条件。分别对全周期虚拟地理路由协议、TDMA地理路由协议 (工作时隙占整个周期的10%) 、同步占空比 (10%) FDM地理协议和同步占空比 (5%) FDM地理协议的网络能量消耗进行了分析。每个节点初始能量1 000 mAh, 传感探测值守电流0.2 mA, 事件处理电流10 mA, 发射电流30 mA, 接收电流25 mA, 空闲电流20 mA, 收发信机休眠电流0.1 mA。假定一次事件的处理流程为, 一次事件持续60 s, 每3 s上报一次处理结果, 每次上报发送一个数据包, 包长200 bytes, 数据速率10 k, 则数据包发送时间0.2 s事件频度分别为每小时1次, 5次, 10次, 20次。4种不同协议的网络平均工作时间如表1所示。

采用全周期值守的地理路由协议, 即使在没有事件的情况下网络工作时为98 h, 采用10%占空比FDM协议, 工作时间为725 h, 与TDMA协议的833 h相当。其中在能量消耗中, 即使在较高的事件频度情况下, 通信空闲等待的能量消耗仍然是最主要的消耗, 网络空闲消耗的能量占总消耗能量的比例如表2所示。在全周期协议中占到98%, 在10%同步占空比FDM协议中占76%以上, 在5%同步占空比FDM协议中占64%以上。降低占空比可以降低消耗, 但受网络同步精度限制, 给网络同步带来开销。

4结束语

事件型网络是无线传感网络中的重要应用方式, 如入侵探测、环境监测和交通监测等。虚拟地理路由和同步占空比FDM信道接入协议与其特点相适应, 在保证信息传输效率情况下, 降低了网络能耗。实际应用中, 具体的事件性网络各有其特点, 如环境监测中, 几分钟的时延可以不是关心的主要问题, 可以采用更低占空比协议。在火灾和危险品监测中, 几秒钟的延迟足以造成巨大的后果, 必须充分考虑时延。因此在实际应用中, 可根据具体事件特点设计相应的协议。

参考文献

[1]汪泉弟, 孔为, 李斌, 等.事件驱动型网络传感器生存期分析[J].重庆大学学报, 2007, 30 (6) :30-34.

[2]赵强利, 将艳凰, 徐明, 等.无线传感器网络路由协议的分析与比较[J].计算机科学, 2009, 36 (2) :35-41.

[3]丁成, 黄本雄, 胡军.无线传感网络MAC协议机制性能分析[J].无线电工程, 2007, 37 (2) :15-17.

[4]孙利民, 李建中, 陈渝, 等.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社, 2005:70-72.

低能耗设计论文 第3篇

2015年台达杯国际太阳能建筑设计竞赛的主题是“阳光与美丽乡村”,比赛的项目为青海省农牧民低能耗住宅安置工程和黄石住宅公园农村住房产业化两个竞赛项目.本方案选取的是地处青海湟源县西南部日月藏族乡兔尔干村的低能耗农村住宅。兔尔干村地理位置极为独特,这里是黄土高原的边缘,青藏高原的起点,农业区与牧业区的分界线,季风气候带的分界点,具有不可多得的生物多样性、地质多样性和景观多样性;同时这里也是中原文化与藏族文化的分界点,蕴含着深厚的历史文化、昆仑文化、宗教文化、和民族文化,与军屯、城堡、营盘、茶马互市等一同形成了日月山文化,因此形成独特的建筑特色与建筑文化,(如图1、图2)。

二、建筑方案设计理念与特点

我们的设计理念,首先考虑该地区的区域特点和气候特点,在总体布局和单体设计中,营造具有地域适用性,反映地区文化、艺术、民风和风俗。在海拔3000多米的兔尔干村居住着世世代代的以养殖、放牧为生的游牧民,他们大多数过着简单朴素的生活,他们的房屋大多比较简陋,舒适度远远不够,需要改建、重建(如图3)。在2015年“台达杯”国际太阳能设计竞赛中,我们应如何去设计兔儿干村的低能耗住宅?这是一个值得思考和动脑筋的问题。经过反复的思考,我们的设计就从以下三个方面加以考虑的:

1)怎样将这种多元交融的日月山文化反映到现代的农村低能耗住宅上去,激活场所精神,唤起集体记忆?

2)怎么利用青海当地日照时间长,太阳辐射强的优势来解决气候寒冷,温差大的劣势,而且要实现太阳能技术与建筑的一体化设计,建筑形式不仅仅由功能和传统建造工艺所决定,也是由相关的绿色技术手段所决定的?

3)如何在建筑设计中,用当地的材料,采用较低的成本满足农牧民生产生活的功能需求、舒适度需求?

第一个问题,首先是在规划层面上,我们在青海传统的吉祥结(如图4）寻找到了答案,它是由方形单元扣合所形成的(如图5),表示的是力量、和谐与团结,这种扣合的单元关系,正是我们所追求的和睦融洽充满情感的邻里关系,所以我们提出来“光之结”这一概念——相互扣合的户型单元是“藏式吉祥结”的一种表征,在东西两侧布置住宅单元,预留出中间小区内的主要道路,形成一条连接山、溪的视廊(如图6),同时也是社区的主风道,加强了片区的自然通风。整个片区地势自西南向东北逐级跌落,户型也顺应地势跌落、这样就保证南向屋顶上布置的太阳能热水器与光伏电板的得光率,足够满足整栋建筑的能源需求。

在单元设计中,我们对传统的青海藏族民居做了现状的调研和资料的整理,从中做了元素的提取和重组,青海藏族民居给人的印象就是厚实的碉楼,藏红色的边玛檐墙,封闭的庄廓(如图7),堂屋前的阳光房(如图8)等,在方案设计中,我们将这些元素结合绿色技术进行调整,“碉楼”位于单元的四角(如图9),利用其高耸的特点,使其变成拔风井、采光井、楼梯井和入口,这样设计的目的是加强户内的自然通风和拔风效果(如图10)。传统的边玛墙繁复冗杂,方案中通过砖的不同砌法,对其做了抽象的表达;而庄廓这种形式,本身也是对风压通风的一种很好的利用。阳光房的设计,更像是一个储存热量的容器,白天在给室内供热的同时也储存了大量的热量,到晚上室内温度低的时候就将白天储备的热量释放出来,这种热量的循环利用也是对当地丰富的太阳能资源的一种有效利用。而在夏季,阳光房的屋顶上加设遮阳帘,起到了遮阳的作用。

三、低能耗技术与可再生能源利用

经现场调研,兔儿干村传统的住宅绝大多数是土坯墙,砖石基础,大多数也就是一层,墙体的当地做法:在土坯墙的两边各砌一匹砖,这样以加厚的墙身的办法达到保温效果(如图11)。屋顶比较简单,有用木屋架,上铺檩条、再铺上木板,油毡防水,最上面铺小蝴蝶瓦,没有保温做法,室内舒适度差,每家取暖都是通过取暖炉、炕的热量来让室内保持一定的温度,而我们在设计中,考虑在围护结构传统做法的基础上加以材料的更换,可在砌块墙体外侧贴保温材料,或者在土坯墙解决结构支撑的问题后,再配上其他的保温材料,具体做法见(图12):屋面也要加铺一定厚度的保温材料。窗户采用中空玻璃窗,地面铺设防潮处理,为防止夏季的太阳暴晒,在朝南的窗户上设置活动的遮阳措施,大面积的阳光房屋顶玻璃窗内侧设有上下可移动的遮阳帘。重点放在太阳能的应用与建筑的一体化设计上,那么我们对于低能耗的措施有以下四种考虑:

1）太阳能热水器的利用

太阳能热水器是对于太阳能的直接利用,而如何提高单位面积的得热以及太阳能热水器与建筑之间的一体化设计是太阳能热水器的设计要点。在本设计中,将太阳能热水器安置在南向阳光房的坡顶上做到每家每户单独使用热水,也便于管理与维修,而我们特意将此坡顶的坡度设计为34°,这样比较符合青海当地的太阳能热水器的倾斜角度,并能达到太阳能设计与建筑一体化(如图13),这同时也是出于立面和视觉效果的考虑,方案试图重点表现青海藏族民居的意境和地方特色,采用边玛檐墙是最好的选择,将太阳能热水器代替原来的灰色披檐,整个的比例尺度都与传统相协调,体现了我们对于传统文化的尊重。

2)太阳能光伏电板的利用

光伏板是提供能源发电、降低建筑能耗的有效手段,设计时考虑到发电率,同时也考虑光伏电板与建筑的巧妙结合。我们采用Hanergy的Solibro薄膜太阳能电池组件,其温度系数小、弱光发电效果佳、阴影遮挡损失小(如图14)。系统采用2台并网光伏逆变器,东侧与西侧组串单元分别并入1台逆变器的2路MPPT,南侧组串单元并入另1台逆变器,并网逆变器具有MPPT跟踪功能,能够使不同光伏子系统获得最高发电效率。在方案中,光伏发电系统,分为两个部分,一个是解决小区内公共设施用电的系统,主要安放位置是放在户间的藏式坡顶上,以南向布置为主,辅--之以东西向的;一个是解决每一户的用电消耗,同时考虑将光伏电板与栏杆一体化处理。特点是两个系统都能满足公共和私人的双重需求。

3)通风设计

建筑的自然通风有助于营造健康舒适的室内环境,在建筑中,通常利用热压、风压的原理,设计“拔风塔”来加强室内的自然通风。这种优秀的绿色建筑案例不胜其数。而在兔尔干村的设计方案中,我们力求结合青海当地的碉楼的建筑形式,在民居中延伸当地的藏族风格与特色,做成四角的四个风塔的造型。由于当地常年的季风方向是西北风,所以在风塔的西北面下部设立进风口,在东南面的上部设立出风口,利用风压通风的原理,促进室内的自然通风。我们除了在户型设计上考虑通风的运用,在其他的细部设计上也有考虑。建筑门窗采用中空Low-e玻璃窗,根据不同的季节要求,合理开闭进出风口,这样设计的目的是促进室内的微环境,在一定程度上提升藏民的生活品质(如图15)。

4)被动式太阳房

经调研,目前在国家星火计划的资助下,兔儿干村的牧民房,有不少人家已经增加了被动式阳光房。但是阳光房设施简陋,只能在白天给室内增加一定的温度,而夜晚的保温效果不理想此外封闭的阳光房导致室内的空气流通不畅。所以我们对阳光房做了再设计,首先是地面加设PCM蓄热材料,这样可以把白天吸收的多余热量储备下来,到晚上温度低时再将热量释放出来。同时我们在阳光房的下部设进风口,上部设出风口,也可以做到对微环境的可控性和空气的可调性(如图16)。

四、结语

现今,低碳绿色已逐渐成为建筑发展中所追求的目标,我们过去对办公楼、教学楼、医院等都做过相关的绿色建筑研究和实践,有一些积累的设计经验,但是“美丽乡村”的农村建筑是首次参加设计,这也是一个值得重视的发展方向。另外我们认为在农村推广低能耗住宅时应该根据当地的气候条件,风土人情、文化习俗,并利用地方的本土材料来造房,既要考虑农民住房的舒适性,采用新技术、新材料,也要考虑他们的经济收入和所能承担的费用和造价,不能为了达到某种指标采用高技术、新材料来建造农民的住房,同时还要考虑他们的生活模式与居住习惯,能从设计中更多的体现建筑的地域性与场所性,以及当地的风土人情、文脉的延续问题。从总的形势来看,中国有9亿农民,对农民居住环境的改进,提高热舒适度都将会成为未来很多建筑师关注的一个方向,我们利用这次竞赛的平台,结合安置工程的契机、提出了较好的设计方法与案例,希望能起到以点带面的示范作用,并能推广太阳能技术在农村住宅中的应用,实现“美丽乡村”的中国梦。

摘要：本文主要介绍竞赛作品“光之结”方案的生成过程以及青海当地太阳能利用与新农村住宅低能耗技术的应用。方案设计的主要亮点是“光之结”概念的提出,即通过相互扣合的单元住宅群,形成四角的拔风塔,加之阳光房的设计,形成建筑内部有组织的热量循环系统。同时通过建筑语言在立面造型上的巧妙运用,让生活在现代农村住宅中的藏民也能体会到传统藏族建筑的意境,同时也让他们了解如今藏民居住环境改善与低能耗技术应用的前景。

低能耗设计论文 第4篇

近年来, 随着科技的进步,以及人类智能生活的逐步丰富,人工智能和自动控制技术在智能车辆上的研究也越来越热门[1]。智能小车的开发涉及到诸多领域,主要包括传感信号检测技术、中央处理器控制技术、电源设计、人工智能以及驱动电机等[2]。然而为了能更好实现智能小车自动行走控制工作,必须将信息交换、人工智能以及自我稳定定性能设计融于一身[3]。

然而,当今社会非常关注的另一个重点话题就是系统设计的低能耗,关于实现系统的节能工作, 针对此研究话题文献[4]中提到了一种动静相结合的节能调度策略。同时文献[5]中针对节能采用二叉搜索策略。综合当前研究现状,本文采用动态休眠通信算法和最小二乘法并结合GPS/GSM模块设计了一种基于GPS/GSM模块的低能耗智能小车控制系统。

1 系统总体结构及工作原理

本文采用模块化的设计思想实现智能小车系统的设计,系统总体结构包括电源模块、电机驱动模块、最小中央控制系统模块、传感检测模块以及GPS/GSM模块等。智能小车的主要工作原理为: 传感检测模块将探测路径信息输入到最小中央控制系统模块,对接收到的信息由中央控制系统模块完成分析处理后,采用设计的控制算法对驱动系统发出控制命令[6],进而实现小车的智能行走,与此同时系统会自行启动GPS/GSM模块,并将当前定位信息通过通过GSM发送到设定的用户端,告知用户小车当前位置[7]。系统结构如图1 所示。

2 硬件电路设计

2.1 最小中央控制系统模块电路设计

本系统设计中采用的是宏晶科技生产的一款增强型8051系列CPU,即STC12C5A32S2。该单片机主要特点是本身具有1T单时钟/机器周期,正常工作实现数据处理的时候,其工作的频率可以处在是0—35MHz,约为常规的其它51系列单片机的0—420MHz。并且拥有4个16位的定时器,同时PCA和PWM都是2路16位,ADC有8路,精度可以高达10位,工作时可以达到每秒钟50万次的转换速度[8],然而系统设计中需采用两路PWM脉冲调制实现智能小车的控制,同时需要较快的数据处理速度和足够的Flash存储空间,所以采用的单片机是STC12C5A32S2。该控制器的主要特点是能够支持2种软件可选择节电模式。系统设计如果正在空闲模式下的时候,中央控制器将会停止工作,但却能有效做到让RAM、定时器/计数器、串口、中断继续处于工作状态下。如果是掉电保护方式下,RAM内容被保存,中央控制器的振荡器将会处于冻结状态,一切工作停止,直到中央控制器在系统的下一个中断或硬件复位出现为止[9]。

2.2 电源模块电路设计

电源在整个系统电路设计中也是非常重要的一个环节,稳定可靠的电源设计能使电路工作时的相关性能更加稳定可靠,但是电源设计中如果各部分处理不当将会影响整个电路的工作性能,甚至会产生无法工作的局面。在该智能小车系统中,工作电源直接采用7.2V镍镉电池供电,为了尽量降低工作时的能量损耗,系统其它各个模块的工作电压根据需要输出有5V和3.3V。电源模块的电路原理图如图3 所示,7.2V电压经过ZA3020 开关电源芯片转换为+5V电压。同时,为了能让系统所需5V电压值经过转换后的纹波较小,故分别采用了一个22u F和0.1u F的电容接在ZA3020 电压转换电路的输出端,另外设计中将10u F和和0.1u F的滤波电容接在了电源输入端,这样有效减小电源输入端受到的干扰,使信号稳定可靠的输入进而由REG1117-3.3 将电路中电源降到3.3 V。

3.1 软件总体介绍及流程图

本系统主要流程图如图4 所示。主要是在Keil编译环境下采用C语言完成软件编程工作。设计中让中央控制器输出PWM信号,通过调节PWM信号的脉宽可以实现对直流电机运动的控制工作。软件实现的具体功能步骤是系统首先完成初始化动作,紧接着完成各个寄存器的配置工作,准备进入循环模式,系统自行启动GPS/GSM定位模块,将GPS/GSM定位信息以及红外传感信号送给中央处理器单片机,经由单片机对所获信号分析处理后,发送相应执行命令给直流电机驱动模块,同时采用动态休眠通信算法实现节能通信,并实时定位小车运动信息和控制运动轨迹和状态。

3.2 低能耗算法处理

设计中考虑到GSM/GPS定位模块工作能耗大,为降低无线设备能耗延长电池使用寿命,故采用动态休眠通信算法,通过测试能使系统达到最佳节能效果[10,11]。

休眠、空闲、发送和接收是模块进行具体通信工作时的四个状态,需要消耗一定能量来完成各个状态之间的转换工作,且有时延,当CPU结合模块几种状态之间的转换时,只有状态间转换时消耗的能量基本等于设备进入低功耗休眠状态时节约的能量,此时节约漏电能耗的工作才能被有效完成。具体的能量变化和状态转换关系如图5所示:

STC单片机空闲状态电流1.8m A,休眠状态电流小于0.1u A,设空闲状态功耗P1,休眠状态功耗P2,空闲时间为T , 则状态转换时额外消耗的能量:,当系统从空闲状态转为休眠状态时节约的能量:E1=P1T -P2(T -t3) -E0

综合(1)、(2)两式可知,空闲时间(相邻两次状态转换时间间隔)T需大于某一时间Tj(进入休眠状态能够保证节能的最短空闲时间长度)才能满足E1大于0 而实现节能目的。

3.3 小车运动路径拟合规划

智能小车行走的轨迹主要包括直线和转弯行走。小车在实际的行走过程中的直线并不是一条非常标准的直线,故要保证小车绝对的直线行走,需对GPS定位的行走轨迹进行进行拟合。 设GPS采集到的坐标为一数据序列(xi,yi) ,i =1, 2,...,m, 现需要求拟合直线经过这些点的方程f(x)=b0+b1x,根据数值分析中直线拟合方法和Cramer定理可解得:

故而可以使小车在行走过程中对GPS采集的点进行实时拟合数据,通过上述所确定的直线段方程最终可以得到一条完整的直线。

系统设计中采用最小二乘法的多项式拟合方法实现小车的曲线轨迹拟合特征。为了完成每一个坐标点的拟合,故设定3 次多项式如下:

即3 次多项式g(x) 满足如下方程组:

得到了曲线的方程故而经由上述方。程组可以解出唯一地b0, b1, b2, b3,这样就

4 测试及结果分析

为实现有效节能,运用动态休眠算法调节射频模块工作和休眠状态间的转换, 且在满足公式E1=P1T -P2(T -t3) -E0条件下,经计算状态转换时间应满足T>5.6ms。由算法处理可以得知分布集中动态休眠时间,根据实际工作任务需求设计中可分别取为0.1s、0.3s、0.6s和1s,每隔10s主从设备互传一个数据包,通过系统测试表明经过处理后,不仅能够保证数据稳定可靠传输,同时设备的功耗也被大大的降低了,且如果系统休眠的时间越长,功耗越低。同时对小车行走定位数据的直线和曲线拟合的测试能达到预期效果。

本设计基于GPS/GSM的低能耗智能小车控制系统车,采用红外传感检测作为主要循迹模块,GPS/GSM双定位模式获取小车行走定位信息给STC12C5A32S2 单片机控制模块,经由控制模块对获取收据处理后发送控制命令给电机驱动模块,执行响应动作。经测试表明,小车顺畅的实现了预期的自动壁障、自动识别、自动报警和远程控制等功能。

摘要：为实时了解智能小车当前行走所在位置,并在低能耗的情况下实现自动壁障、自动转弯、自动寻迹并完成行走时间、距离和速度的记录要求,本文设计了一种基于GPS/GSM的低能耗智能小车控制系统。该系统将软件和硬件有效结合,采用动态休眠通信算法和最小二乘法有效实现了低能耗和小车的直线和转弯行走动作,同时运用GPS/GSM双定位方式采集定位信息,实现无线数据远程传输到指定用户终端,最终实现定位工作,使系统达到最佳功能。

关键词：GPS/GSM,低能耗,动态休眠算法,智能小车,控制

参考文献

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[10]师树恒,孙明,师素娟.基于MC9S12XS128的智能循迹小车设计[J].自动化与仪表,2012(4):50-60.

低能耗设计论文 第5篇

体育馆作为体育教育、竞技运动、身体锻炼和体育娱乐等活动之用的建筑, 在城市现代化发展与百姓日常生活中占有很大的分量。但随着各个城市对体育建筑投入的增加, 其能源消耗问题被日益关注。中国严寒地区的体育馆建筑总能耗中, 为保证热舒适环境的热能耗约占30%~60%。[1]

根据《民用建筑热工设计规范》 (GB 50176-93) 第三章第一节“建筑热工设计分区及设计要求”规定, 严寒地区是指累年最冷月平均温度低于或等于-10℃ (主要指标) 、日平均温度小于等于5℃的天数大于等于145天 (辅助指标) 的地区, 设计要求包括须满足冬季保温要求, 一般可不考虑夏季防热;根据附录中的全国建筑热工设计分区图所示, 严寒地区主要包括黑龙江、吉林全境及辽宁、内蒙古、新疆、西藏、青海北部。[2]严寒地区的气候对建筑内热环境具有很大的影响, 因此, 应依据不同地区的气候温度特征进行适温设计, 在满足室内人员使用需求的前提下, 通过建筑内部结构、功能、形态的相应变化, 争取气候环境中的有利条件, 以减少建筑为保证热环境的热量消耗。换言之, 建筑设计要在满足建筑室内环境 (热环境、光环境与风环境) 要求的基础上, 提高建筑的能源利用效率, 尽可能降低建筑用能。

因此, 对体育馆建筑, 尤其是严寒地区体育馆建筑, 进行适温设计研究十分必要。然而, 由于中国在建筑低能耗设计、生态化设计、绿色设计方面的研究起步较晚, 相应地, 在严寒地区体育馆低能耗设计方面的理论及策略研究也非常匮乏。本文通过理论分析及计算机模拟, 提出严寒地区体育馆建筑形态的低能耗适温设计策略, 以期完善并强化严寒地区体育馆低能耗建筑设计的理论框架与设计方法, 并进一步发展严寒地区建筑设计思想、原则和方法。

一、建筑朝向的适度控制

对供暖能耗基数较大的严寒地区体育馆建筑设计而言, 在不影响建筑规划及布局的前提条件下, 应该对建筑朝向进行适度控制, 尽量选择能够获得最多太阳能的最佳朝向。建筑所能获得的太阳能量越多, 对降低体育馆冬季热能耗越有利。

基于能耗最小的目标, 本文利用Autodesk公司的Ecotect模拟软件来进行建筑最佳朝向的分析。Ecotect模拟软件可以快速计算不同气候条件下的建筑热能耗 (供暖及制冷能耗) 及太阳辐射等情况, 为建筑师进行优化设计起到辅助作用。

《体育建筑设计规范》 (JGJ 31-2003) 中将体育馆按照观众席容量分为小型、中型、大型与特大型四种规模[3], 本章选取建筑体型适中、建筑形态最为常见的中型的矩形平面体育馆为代表进行能耗模拟与研究。按照4 000座席规模进行平面设计, 并根据视线分析进行剖面设计, 最终生成建筑面积5 000 m2、形体尺寸80 m×62.5 m×12.5 m (高) 的体育馆建筑, 以此进行建筑能耗的模拟计算。依据《公共建筑节能设计标准》 (GB50189-2005) 中围护结构热工设计的相关规定, 严寒地区公共建筑非透明围护结构传热系数不得超过0.5 W/ (m2·K) [4], 本文将屋面和墙体的传热系数设定为中间值0.3 W/ (m2·K) 。由于立面开窗对热能耗计算的建筑最佳朝向影响较小, 为便于模拟计算, 建筑立面上不设置开窗。[5]

本文选择Ecotect模拟软件数据库中中国所有的22个严寒地区城市进行最佳建筑朝向模拟计算, 以体育馆全年供暖和供冷能耗最小为目标, 各城市的最佳朝向如表1所示。

根据表1对不同最佳朝向角度的城市数量进行统计, 得到图1所示结果。可以看出, 体育馆最佳朝向集中在-10°~20°, 说明严寒地区体育馆建筑应该大体是南北向布局, 其中建筑朝向角度为2.5°~10°的城市数量最多, 即严寒地区体育馆建筑的最佳朝向应为南向稍偏东。在进行严寒地区体育馆建筑设计时, 应使建筑长边面向最佳朝向, 并在该朝向开窗。

综上所述, 严寒地区体育馆建筑朝向设计的策略是:对建筑朝向进行适度控制, 整体为南北向, 以偏东为优, 各城市可按照表1选择最优建筑朝向进行体育馆建筑设计。

二、平面形态的优化塑造

对体育馆建筑的平面形态进行优化塑造, 有助于在不影响其室内功能的前提下, 尽可能减少建筑热能耗。

体育馆的平面形态有矩形、多边形、圆形、椭圆形[6], 平面形态的差异会导致建筑热能耗的不同。本章利用Ecotect模拟软件对不同平面形态的体育馆建筑进行热能耗模拟计算, 表2中所列平面形态按照在中型体育馆实际工程中出现的频率[7]由上至下排列。

以严寒地区的代表城市哈尔滨为例, 室内温度控制在16℃~28℃时, 不同平面形态的体育馆总建筑热能耗如图2所示。由图可知, 在建筑面积相同的情况下, 圆形平面形态的体育馆建筑热能耗最小, 是进行适温设计的最优选择, 其次是椭圆形。这是因为在建筑面积相同的情况下, 圆形平面的体育馆建筑体形系数最小, 与室外环境进行热交换的外表面积最小。六边形的平面形态由于更接近圆形, 因而体形系数也相对较小, 建筑能耗与椭圆形相差不大。再次是正方形与长方形, 二者适合于任何级别的体育馆建筑, 但需要注意的是, 矩形平面的长宽比不可过大, 否则会造成建筑表面积的增加, 进而增大建筑热能耗。菱形、梯形与三角形平面形态的建筑热能耗相对较大, 在严寒地区体育馆建筑设计中, 除非建筑场地受限, 尽量不要选择这三种建筑平面形态。[8]

注:最佳朝向以南北向偏东为正值, 偏西为负值

根据图2的模拟计算结果, 得出建筑热能耗与体形系数的相关性分析 (图3) 。由图可知, 建筑热能耗随着体形系数的增加而增加。因此根据建筑热能耗由小至大进行平面形态的选择排序, 应该依次为圆形、椭圆形、六边形、正方形、长方形、菱形、梯形、三角形。这与中型体育馆实际工程中各平面形态出现的频率排序有些差别, 建筑师在进行严寒地区体育馆建筑设计时, 应尽可能参照此表进行优化选择。

综上所述, 严寒地区体育馆建筑平面形态的设计策略是:优化塑造, 尽量按照圆形、椭圆形、六边形、正方形、长方形、菱形、梯形、三角形, 即体形系数由低到高的排列顺序来进行体育馆平面形态的优化选择, 以减少建筑热能耗。

三、纵向体型的曲线构成

基于建筑美学、自然通风及建筑结构需求的考虑, 体育馆纵向体型多样 (图4) 。[9]严寒地区体育馆纵向体型的优化选择更应该考虑减少建筑热能耗。

严寒地区不同纵向体型的体育馆建筑热能耗特点分析如下。

1. 平直型

图4中1号所示的体育馆纵向体型是严寒地区体育馆建筑最常见的剖面形态。平直的纵向体型利于施工, 建筑造价低廉, 中小型体育馆尤其是中小学体育馆中应用较多, 但其建筑热能耗较大, 因为当设有观众座席时, 观众区域与比赛场地区域建筑高度要求不同导致观众区域上方的部分空间浪费, 增加了建筑的体形系数, 从而增加建筑热能耗。[10]

注:体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值

2. 向上凸出型

图4中3~13号所示的体育馆纵向体型是严寒地区体育馆建筑的最优选择。通过屋面弧线有效解决观众区域与比赛场地区域的空间高差问题[10], 减少了空间浪费与多余的建筑外表面积, 减小了建筑的体形系数, 进而减少体育馆建筑热能耗。

3. 多层次型

图4中14~16号所示的体育馆纵向体型相对于向上凸出型较为不利, 因为会造成围护结构表面积的增加, 增加体形系数与建筑热能耗。[11]

4. 向下凹进型

图4中2号所示的体育馆纵向体型最为不利, 为满足中央比赛场地的空间高度, 会造成观众区域空间高度的浪费、建筑体形系数的增加, 进而导致建筑热能耗过大。[12]

因此, 严寒地区体育馆建筑的纵向体型的设计策略是:尽量选择向上凸出的曲线构成, 避免选择向下凹进的形式。

结论

本文利用计算机能耗模拟等方法, 分析严寒地区体育馆的建筑朝向、平面形态及剖面形态对热能耗的影响, 得出严寒地区体育馆建筑形态的低能耗适温设计三策略——建筑朝向的适度控制、平面形态的集约塑造及纵向体型的曲线构成。

建筑朝向的适度控制策略为:整体建筑朝向为南北向, 以南北向偏东为优, 具体城市的最佳建筑朝向尽可能按照文中表1进行选择。平面形态的集约塑造策略为:尽量按照圆形、椭圆形、六边形、正方形、长方形、菱形、梯形、三角形的排列顺序来进行体育馆建筑平面形态的优化选择, 以此减少建筑热能耗。纵向体型的曲线构成策略为:尽量选择向上凸出的曲线构成, 避免选择向下凹进的形式。

参考文献

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[2]中华人民共和国建设部.民用建筑热工设计规范 (GB 50176-93) [S].北京:中国计划出版社, 1993.

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低渗透油田油井低能耗集油技术 第6篇

关键词：外围油田,掺水量,掺水温度,集油温度,井口回压

目前,常用的外围低渗透油田集输及处理工艺技术有环状掺水集油工艺、电加热集油工艺、双管掺活性水集油工艺、提捞采油工艺等。但是在环状掺水集油工艺、双管掺活性水集油工艺中均为掺热保温集油,热保温系统庞大,燃料消耗大,造成集油能耗高,吨油耗气量上升,这将直接导致外围油田生产运行成本过大。

随着大庆外围油田进入高含水后期开发,原油集输热力系统自耗天然气呈上升趋势[1]。与此同时,采出液含水逐渐升高,采出液的流动性向有利于集输方面发展。这将为降低油井集油温度,优化生产运行参数创造有利条件。因此,需开展相关的现场试验,确定适合大庆外围低产低渗透油田的掺水集油参数。

1 试验区概况

为了给出大庆外围低渗透油田环状掺水集油流程的最佳工艺参数,达到节能降耗的目的,选择了具有代表性的某厂某计量间,该原油集输系统采用三级布站流程,计量间是典型的环状掺水流程。在此计量间开展了降低集油温度的试验。

该采油厂现有生产油井1 900口,综合含水42.5%,平均单井产油1.93 t/d,按照平均单井1.2m3/h的掺水量,集油系统内的含水为90%。选取的计量间共有4个环位,管辖11口油井。由于油井出油温度低(约15℃),凝固点高(约37℃),该系统掺水温度在75℃左右,平均单井掺水量1.2~1.3 m3/h,单环进集油阀组间平均温度47℃,进转油站平均温度45℃,吨油耗气达到53.2 m3。

2 室内试验

2.1 原油一般物性参数

试验区块的原油一般物性参数见表1。可以看出,此区块原油凝点、蜡含量和胶质含量都比较高。

2.2 含水原油乳状液流变性研究

根据检测不同温度、不同剪速、不同含水情况下,乳状液表观黏度变化情况,对该区块的含水原油流变特性进行了室内研究。得出原油表观黏度随含水率变化关系、原油乳状液表观黏度随集油温度变化关系,为下一步的优化运行提供理论依据。

1)研究原油乳状液表观黏度随含水率变化关系,根据原油乳状液表观黏度随含水率变化关系,确定合理的掺水量。

图1是温度为40℃时,不同剪切速率情况下乳状液表观黏度与含水率变化关系曲线。在各种剪切速率下,含水达到90%以上时,黏度对含水率不敏感。因此,在相同温度下,集油系统内的含水至少可以降到90%,对集输压力或输送状态不会产生大的影响。

2)研究原油乳状液表观粘度随集油温度变化关系,根据原油表观粘度随集油温度变化关系,确定合理的集油温度和掺水温度。

图2是含水85%时,不同剪切速率情况下原油乳状液表观黏度与温度变化关系曲线。从含水85%的乳状液黏温曲线可见,反常点为40℃左右。高于40℃时,黏度不受剪切速率影响,而且对温度不敏感。因此,集输温度在40℃时较为理想。目前集油管线的集输温度约44~47℃,可见,至少还有4~7℃的优化空间。因此,可以通过降低掺水温度,来降低集油温度。

通过以上分析可知,集输系统存在优化运行的潜力。但是,以上对掺水量和集输温度的分析属于单因素分析,而系统运行是多因素相互影响的一个过程,因此分析结果只具有指导性。室内试验结果还要通过现场试验来验证。

2.3 管壁结蜡量与含水率关系

室内试验表明,在同一温度、流速、管壁温差条件下,随着原油含水的增加,管壁结蜡量逐渐减少。当原油含水率超过转相点后,结蜡量显著降低。当含水率达到80%以后,管壁上只有少量结蜡。

室内试验表明,含水原油转相后,黏度大幅降低,流动性能变好,有利于低温集输。当剪切速率和温度一定时、含水率低于60%时,原油黏度随着含水率的升高而缓慢增大,当含水率接近60%,其黏度急剧上升,含水率达到60%~65%时,黏度达到最大值,此后,随着含水率的进一步升高,粘度急剧下降,当含水率达到85%以上时,含水原油黏度变得较低,其输送的水力条件较好,这就为实现不加热集输创造了有利条件。

大庆外围油田在目前掺水集油的情况下,管道综合含水已经在90%以上,这为降低油井集油温度创造了有利条件。

3 现场试验

在计量间的4个环位上开展了不同掺水量和掺水温度的试验。在掺水温度分别为60℃、55℃和50℃的条件下,找出各环集油参数变化规律。试验选取冬季最冷季节进行,历时2个月。

3.1 掺水温度为60℃、保持掺水量不变情况下集油试验

掺水温度为60℃情况下,2#集油环集油参数及掺水参数等的变化趋势见图4。

从图4可以看出,掺水温度由75℃降为60℃后,在掺水量不变的情况下,单环进站温度(回油温度)由试验前的47℃降为40~41℃,回油温度降低了6~8℃,掺水温度比原来降低15℃,单环进站压力、集油环回压等生产参数与原来相比无明显变化,集油环生产运行平稳,可以保持正常生产。

3.2 掺水温度为55℃、掺水量增加10%情况下集油试验

掺水温度为55℃、掺水量增加10%情况下,2#集油环集油参数及掺水参数等的变化趋势见图5。

试验表明,在掺水温度控制在55℃,使掺水量增加10%左右,集油环回油温度可以保持在40℃左右,生产同样运行平稳,连续运行未发现堵环现象。

经现场跟踪试验,油耗气由53.2 m3/t降到36.18 m3/t,节约天然气32%,在此条件下生产上是可行的。

3.3 掺水温度控制在50℃、48℃时集油试验

掺水温度控制在50℃、48℃的条件下,随着掺水温度的降低,在掺水量不变的情况下,集油温度也随之降低,从而导致管道中含水油的表观黏度增大,出现黏结管壁现象。随着时间增加,管壁粘油越来越多,以至最后出现堵环现象。试验表明,在保持掺水量不变的情况下,在掺水温度低于50℃时,经常发生堵环现象,加大生产管理的难度,无法保证正常生产。

在掺水温度控制在60℃,保持掺水量不变,集油环回油温度可以保持在40℃左右,生产运行平稳;在掺水温度控制在55℃,使掺水量增加10%,集油环回油温度可以保持在40℃左右,生产同样运行平稳,连续运行未发现堵环现象。经现场跟踪试验表明,在此条件下生产上是可行的。

4 试验结论

通过现场试验,研究了不同掺水量、掺水温度、回油进站温度集油环回压之间的变化规律,确定出了适合于低产低渗透油田的掺水集油参数。

1)外围油田环状集油流程掺水温度可以由原来的75℃降到60℃左右,在掺水量不变的情况下,回油温度由原来的47℃降至39~41℃,可使集油环正常生产,可节约天然气32%。

2)当掺水温度为55℃时,加大掺水量(掺水量增加10%左右),回油温度应可保持在40℃左右,可使集油环正常生产,可节约天然气22%。

5 应用效果

在该区块现场试验基础上,选择了5个集油阀组间进行了低能耗集油考核试验见表2。该区块共有油井45口,日产液155 t,日产油72 t,综合含水53.5%,试验前,集输掺水温度72℃,平均单井掺水量1.3 m3/h,吨油耗气达到73.2 m3。

试验结果表明,在掺水温度由72℃降为55~58℃时,在掺水量不变的情况下,单环回油温度为39~41℃,运行正常。掺水温度降为55~58℃后,比原来掺水温度下降14~17℃,集输耗气下降了31.55%,由73.2 m3/t下降到63.8 m3/t。

目前,某厂实施季节性油井低能耗集油的油井为1 694口,掺水温度控制在60℃以内,计量间回油温度控制在40℃,年累计节气202×104m3。

参考文献

低能耗设计论文 第7篇

建筑能耗占我国总能耗比重30%以上, 而住宅建筑能耗占总建筑能耗的比例呈逐年上升趋势, 对住宅建筑实施节能优化措施刻不容缓。影响其能耗的因素有体型系数、围护结构、自然采光等, 其中围护结构对能耗的影响最大。文章对内蒙古寒冷区某一住宅建筑进行围护结构能耗影响因素分析, 运用De ST软件主要对建筑的外墙、屋顶、窗户玻璃、窗墙比等因素深入分析。

1 建筑概况及模型的建立

选取内蒙古自治区某一住宅建筑为模拟分析对象。该住宅建筑为6层砖混结构, 层高3m, 正南北朝向, 南、北向窗墙比分别为0.4和0.3, 为后续比较不同外围护结构对建筑能耗的影响效果, 基准建筑的外围护结构均未采取任何保温措施。建筑面积2103.32m2, 建筑体积6339.5136m3, 外表面积1832.60m2, 体形系数为0.289。建筑平面图和三维立体图见图1、图2, 围护结构构造见表1。

2 参数设置与模拟计算

2.1 气象参数设置

设计计算用采暖期的平均温度为18℃, 选取内蒙古吉兰太为典型气象年。

2.2 房间内部热扰参数设定

每一户的住户房间分别为主卧室、次卧室、客房、起居室、厨房和卫生间。主卧室最多2人、次卧室最多2人、客房最多2人、起居室最多3人、厨房最多1人、卫生间最多1人, 人均发热量均为53W/m2, 卧室和起居室照明最大发热量为5W/m2, 起居室设备最大发热量为9.3W/m2, 厨房设备的最大发热量为48.2W/m2。

2.3 系统设定

本次模拟中, 对主卧室、次卧室、客房、起居室进行采暖, 厨房和卫生间不考虑。三个卧室的空调启停统一为卧室空调启停, 起居室空调启停另设。周一至周五三个卧室空调开启时间为:1:00-7:00, 21:00-24:00, 起居室空调开启时间为:7:00-8:00, 17:00-21:00;周六周日三个卧室空调开启时间为:1:00-7:00, 12:00-14:00, 21:00-24:00, 起居室空调开启时间为:8:00-21:00。

2.4 能耗计算

供暖期为10月15日至来年的4月15日, 全年累计热负荷205062.61k W·h, 全年累计热负荷指标124.23k W·h/m2。

3 对各个围护结构影响因素单项优化分析

3.1 单独增加不同的外墙保温层

EPS泡沫板、XPS挤塑板、岩棉板、聚氨酯保温板等是当前建筑应用较多的保温材料, 在基准建筑外墙的基础上分别加入四种常用的保温材料, 外墙外保温方案见表2。

除外墙材料改变之外, 其余参数均不变。软件模拟得出五种方案的建筑热负荷分别为124.23k W·h/m2、97k W·h/m2、94.41k W·h/m2、89.67k W·h/m2、88.36k W·h/m2。传热系数的大小与采暖热负荷呈线性关系, 传热系数越小, 采暖热负荷越小, 但同时负荷下降的趋势逐渐趋于缓和。

选取同种保温材料, 改变保温板的厚度, 模拟分析保温板厚度与能耗的关系。建筑模型仍采用上述基准模型, 保温材料选取EPS泡沫板, 其他参数均不变, 模拟外墙保温层为40mm、50mm、60mm、70mm、80mm厚的建筑全年热负荷, 模拟结果见表3。

观察表3, 随着外墙保温层厚度的增加, 相对节能率不断提高, 但相对节能率趋于缓和, 并不是厚度越大, 相对节能率就越大, 需要应用经济分析法算出合理的保温层厚度。

3.2 单独增加不同的屋顶保温层

在基准模型的基础上分别加入四种常用的屋顶保温材料, 屋顶保温方案见表4。

除屋顶材料改变之外, 其余参数均不变。软件模拟得出五种方案的建筑热负荷分别为124.23k W·h/m2、115.76k W·h/m2、112.11k W·h/m2、109.45k W·h/m2、108.99k W·h/m2。建筑热负荷相对节能率分别增加6.82%、9.76%、11.90%、12.27%, 上升曲线明显, 说明屋顶加入保温层, 有利于加强室内热稳定性。添加屋顶保温层使建筑热负荷相对节能率分别增加了6.82%、9.76%、11.90%、12.27%, 说明屋顶加入保温层, 室内热稳定和保温性能加强, 有利于能耗的降低。

3.3 单独改变窗户玻璃

改变原有的单玻, 换成一些常用的节能玻璃, 玻璃方案见表5。

除玻璃改变之外, 其余参数均不变。软件模拟得出四种方案的建筑热负荷分别为124.23k W·h/m2、96.2k W·h/m2、94.81k W·h/m2、95.23k W·h/m2、94.06k W·h/m2。热负荷总体呈下降趋势, 但负荷指标与窗户的传热系数并不是线性关系, 原因是传热系数是衡量由温差引起的通过窗户的热流量, 是传导、对流和表面辐射这三种热传递方式的综合体现, 能耗还与窗户的遮阳系数、可见光透过率、空气渗透性相关。

3.3.1 单独改变南向窗墙比

北向窗墙比为0.3, 南向窗墙比分别变化为0.4、0.5、0.6、0.7。软件模拟得出的建筑热负荷分别为28.28W/m2、27.31W/m2、26.47W/m2、25.75W/m2, 建筑热负荷相对节能率分别增加3.43%、6.40%、8.95%, 节能效果明显。

3.3.2 单独改变北向窗墙比

南向窗墙比为0.4, 北向窗墙比分别变化为0.3、0.4、0.5、0.6。软件模拟得出的建筑热负荷分别为28.28W/m2、28.80W/m2、29.29W/m2、29.76W/m2, 建筑热负荷相对节能率分别增加-1.84%、-3.57%、-5.23%, 北向外窗面积应在满足采光、通风的要求下控制在合适的范围内。

4 结束语

通过建筑能耗模拟软件De ST对建筑模型的外墙、屋顶、窗玻璃、窗墙比这四个能耗影响因素进行逐一模拟分析, 外墙保温材料和南向窗墙比对建筑热负荷影响最大, 窗户玻璃和屋顶保温材料次之, 北向窗墙比与热负荷成反比。因此, 住宅建筑的节能要加强外墙保温层的保温蓄热作用;在太阳能充足的地区, 加大南向窗墙比, 尽可能的利用太阳热辐射, 同时减少北向窗墙比, 减少室内热量的散失;注重屋顶的保温和节能玻璃的开发利用。

参考文献

[1]JGJ26-2010.严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[2]马秀丽.建筑围护结构的综合节能及经济性分析[J].工业建筑, 2006 (1) :16-18.