建筑冷热源优化设计的新理念与新方法

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1、建筑冷热源优化设计的新理念与新方法一、能源科学概揽能量与功率/能流密度(W/M2)一、能源科学概揽人类耗用能率(powerconsumption)一、能源科学概揽人类耗用能率(powerconsumption)2002世界人口62亿,消耗的能源为451EJ(1EJ=1018J),其中化石能源提供了约75%.目前探明:煤还可用大约200年;石油40年;天然气60年;且石油开采水平将在2010年左右达到峰值,以后就逐年下降.一、能源科学概揽人类耗用能率耗用能率呈指数（exponential）曲线

2、上升。当耗用率达到现在耗用率的一倍的时候，称该时刻为倍时（DoublingTime），用tD表示：tD=ln2/a=0.7/a一、能源科学概揽人类耗用能率从现时到倍时之间的能消耗量为：回顾自古至今，人类的总能消耗量为：一、能源科学概揽人类耗用能率如果a=0.07/year则tD=0.7/（0.07/y）=10year即每十年能消耗率将翻一倍也即未来十年的能消耗量=自古至今人类总消耗量一、能源科学概揽人类耗用能率能源危机并非妄言！十年以后能源消耗量会更快增加！能源问题会更加严重！以石油为例，按

3、照此模式计算，最后一滴石油将在百年内耗去。一、能源科学概揽能源供应能力能开采供率PP（powerproduction）假定能储量ER（energyreserve）为一个定量,数学模式为：一、能源科学概揽能源供应能力当某种能源（如石油）初发现被开采时，ATt=-∞，PP=0，呈指数曲线上升。Pproduction=Pconsumption其后开采费渐增，开采率势必逐减，故：PP=0，ATt=+∞因为是对称函数最大开采率在t=0发生一、能源科学概揽能源供应能力以此模式推演，此种能源76%将在峰开

4、采率附近（4/a）时段内被开采。如果a=0.04/y，即表示76%能储量将在100年内被采。上述数学模式在美国石油采供统计上显示了惊人的准确度。美国的峰采率出现在1976年。一、能源科学概揽能源供需平衡问题目前世界能源90%以上来自化石燃料（fossilfuel），比较其供需曲线可见二者之差越来越大，如何保证人类将来有足够的能源是一个高挑战性问题。一、能源科学概揽能源供需平衡问题能源从何处来？化石燃料——太阳太阳能——太阳风能——太阳能约10%被空气吸收导致温差风水差能——洋面水蒸发(太阳能)

5、冷却成雨流往低处海洋温差——洋面吸收太阳能产生洋面高温，洋底低温潮汐能——日月吸力导致位能差等由此可见，绝大多数能源来自太阳一、能源科学概揽地球能量平衡如图一部分太阳能率进入地球大气层，地球又辐射能率到外太空，二者必须平衡，否则地球温度会有变化。S：大气层外太阳能率强度（约1400W/m2）r：反射系数，约0.35一、能源科学概揽地球能量平衡RE：地球半径，约6.4×106mε：辐射系数（Emissivity系数）约0.6TE：地温近二百年来，地球温度变化不大，上述二能率大致相等，地温为：一、

6、能源科学概揽地球能量平衡抵达地面的总太阳能率是(1-r)s(πR2E)，约1019W，远超过人类耗能率1013W。故如果能有效运用各种不同方式的太阳能，解决能源危机大有希望！一、能源科学概揽人类用能对地球的影响（A）污染（pollution）大量使用化石燃料产生大量燃烧后化学产品（production）：其中，CO，SO2，NSOT对人体有害，CO2（与玻璃性质相似，在长波辐射longwaveradiation中抑制大气辐射系数），导致温室一、能源科学概揽人类用能对地球的影响效应。微粒固体灰

7、尘漂浮在空中会增加大气反射率r。（B）热污染（thermalpollution）燃烧化石燃料产生大量热进入大气，地球能率新平衡改为：一、能源科学概揽人类用能对地球的影响其中：PH：人耗能率废热人耗能率废热导致地温增加，地温增加的数学推演是(TE)0：原地温（未考虑人耗废热）TE：新地温（考虑人耗废热）一、能源科学概揽人类用能对地球的影响δ=约0.00006但是δ是以指数曲线上初步推算一百年以后将比现在增加250倍，将导致地温1℃升高。一、能源科学概揽人类用能对地球的影响（C）微固体及二氧化碳

8、地温又与大气之r（反射系数）及（辐射系数）有关，数学微分显示：一、能源科学概揽人类用能对地球的影响大气中愈多固体粒子就有愈高的大气反射率（r），愈多的太阳能率反射回太空，导致地温降低。反之，大气中愈多二氧化碳（CO2）就会使大气的辐射系数（ε）降低，地球辐射能率降低，导致地球增温。上述二种因素均可导致地球变温。何种更为重要是一项科学家久辨迄今仍未有定论的课题。一、能源科学概揽人类用能对地球的影响温室效应(CO2,CH4)年份CO2/含量*10-4%目前,CO2含量每年增加3%