能耗最小能耗控制系统

能在指定时间内以最少的能量消耗完成规定控制作用的最优控制系统。这种控制系统广泛应用于各类工程实际问题中。例如，对直流他激电机施加反向电流进行制动，要求在指定时间内把电机控制到完全停转，并使控制过程中消耗的电能为最少。这种控制问题就可采用最小能耗控制方式来实现。下图1是用开环方式构成的最小能耗控制系统。计算机通过计算提供每一时刻的各个最优控制变量的函数值，经过信号放大和功率放大驱动执行机构，对被控对象以最小能耗方式进行控制。

线性被控对象的最小能耗控制问题通常采用极大值原理来求解。设被控对象的状态方程和初始状态（见状态空间法）为

λ（t）=Ax（t） Bu（t）

x（0）=x0

式中A和B是由被控对象的结构和参数所决定的系数矩阵，x（t）是状态向量，u（t）是控制向量；控制向量u（t）的各个分量满足下面的约束：

-Mi≤ui（t）≤ Mi　（i=1，2，…，m）

则使被控对象在指定时刻τ达到终态x（τ）=0，并使表示耗能值的性能指标

取极小值的最优控制向量u*（t）必须具有如下的形式：

式中λj（t）（j=1，2，…，n）是系统的协态变量。最优控制向量u*（t）是协态变量λ（t）的非线性函数（饱和特性）。在最小能耗控制系统的构成中，为了求解最优控制向量u*（t），需要在系统中设定被控对象的协态变量方程。

能耗的一种衡量单位叫做夸德（quad），1夸德=10¹⁵英热单位（Btu）。一个英热单位代表的数量相当于在1个大气压下将1磅水加热到1华氏度所需的热量（1 Btu=1 055 J）。

美国每年的能耗约为94.3夸德，根据1998年美国地质勘探局的数据，这一数字还将逐渐升高。

今天人们使用的大部分能源是通过矿物燃料（石油，天然气，煤）燃烧得到的，乙醇、木材和植物材料也可以燃烧。核裂变反应时，放射性物质的原子核发生衰变，所以核裂变是化学能。太阳电池的工作原理是，在阳光的作用下，电子飞入并飞出硅的最外价电子层，所以它是化学能。其他能源是物理能：水电、地热、风能。

尽管经济效益在增长，但德国的一次能耗在东、西德统一后却适度地下降，主要得益于由于重新统一后的德国在经济和能源相关领域的结构调整。从1995年以来，除了随着气温和经济的改变而发生的波动，德国的能源需求是相对稳定的，如图2所示，2007年的一次能耗在14000PJ左右。

2009年一次能耗的明显降低主要是由于2008年能源价格的强进增长和后续的金融危机。

化石燃料在一次能耗中仍占主导地位，其市场占有率从1990年的87%减少到2010年的78%：煤炭和褐煤市场占有率下降，同时期天然气的占有额由15%上升至22%：2010年主要在交通行业的推动下，石油产品的需求几乎又回到1990年的水平-在过去几年中核能的占有率稍微下降，2010年降到约1530PJ。

德国严重依靠进口来满足能源需求，所需化石燃料的净进口份额由1990年的53%增加到2010年的77%。德国最重要的外国能源供应商是俄罗斯，份额几乎占到整个能源进口的30%。

可再生能源在一次能耗中的贡献由1995年的275PJ（1.9%）上升至2010年1322PJ（9.4%），如图3所示。

这样大幅度的增长要归因于生物质能，该物质主要用于产生热，今后会用于生物质燃料，生物质能和生物垃圾处理的份额将超过可再生能源的78%。另外10%主要是风能，从2000年起风能增长势头很高。利用太阳热量和光伏电池使用太阳能的形式在过去几年中也明显增加，但其对能源供给的贡献率仍然非常低，地热能的情况也一样。水电能源的利用份额在1995年已达到约77PJ，之后未能再增加。

能耗我国能耗特点

1．南方和北方能耗差异大

我国处于北半球的中低纬度，地域广阔，南北跨越严寒、寒冷、夏热冬冷、温和及夏热冬暖等多个气候带。夏季最热月大部分地区室外平均温度超过26℃，需要空调；冬季气候地区差异很大，夏热冬暖地区的冬季平均气温高于10℃·，而严寒地区冬季室内外温差可高达50℃，全年5个月需要采暖；我国北方地区的城镇约70%的建筑面积冬季采用了集中采暖方式，而南方大部分地区冬季无采暖措施，或只是使用空调器、小型锅炉等分散采暖方式。

2．城乡住宅能耗差异大

我国城乡住宅使用的能源种类不同，城市以煤、电、燃气为主，而农村除部分煤、电等商品能源外，在许多地区，秸秆、薪柴等生物质能仍为农民的主要能源；另外．我国目前城乡居民平均每年消费性支出差异较大，城乡居民各类电器保有量和使用时间差异较大，这也是城乡住宅能耗差异的原因。

3．面积能耗差异大

当单栋面积超过2×10⁴ m²，采用中央空调时，其单位建筑面积能耗是小规模不采用中央空调的公共建筑能耗的3～8倍，并且其用能特点也与小规模公共建筑不同。因此，将公共建筑分为大型公共建筑与一般公共建筑两类。

能耗我国民用能耗分类

1．北方城镇建筑采暖能耗

黄河流域以北地区，包括黑龙江、吉。林、辽宁、内蒙古、新疆、青海、甘肃、宁夏、山西、北京、天津、河北的全部城镇及陕西北部、山东北部、河南北部的部分城镇，这些地区采暖能耗与建筑物的保温水平、供热系统状况和采暖方式有关。

2．长江流域住宅采暖能耗

长江流域一带冬季也有短期出现0℃左右的外温，但日均温很少低于0℃，一年内日均温度低于10℃的天数一般不超过100天。历史上这些地区都不属于法定的建筑采暖区，除少数高档建筑外，一般都采用局部采暖方式。传统上这一地区采用木炭烤火，改革开放后，城镇建筑的采暖方式变成电暖气、电热毯、热泵式空调以及一些以燃气、燃油为燃料的采暖装置。

3．城镇住宅除采暖外能耗

城镇住宅除采暖外能耗包括照明、家电、空调、炊事等城镇居民生活能耗。除空调能耗因气候差异而随地区变化外，其他能耗主要与经济水平有关。

4．大型公共建筑除采暖外能耗

大型公共建筑是指单体面积在2×10⁴ m²以上且全面配备中央空调系统的’高档办公楼、宾馆、大型购物中心、综合商厦、交通枢纽等建筑。其能耗主要包括空调系统、照明、电梯、办公用电设备、其他辅助设备等。

5．一般公共建筑除采暖外能耗

一般公共建筑是指单体建筑面积在2×10⁴ m²以下的公共建筑或单体建筑面积超过2×10⁴ m²但没有配备中央空调的公共建筑，包括普通办公楼、教学楼、商店等，其能耗包括照明、办公用电设备、饮水设备、分体式空调等。

6．农村建筑能耗

农村建筑能耗包括炊事、照明、家电等用能。农村秸秆、薪柴等非商品的消耗量很大，而且此类建筑能耗因地域和经济发展水平不同而差异很大。

能耗建筑节能技术

1．建筑节能的概念

与建筑能耗相对应，建筑节能也有两个层次的概念。建筑节能目的是在建筑全寿命周期内，从建筑材料（建筑设备）的开采、生产、运输，到建筑寿命期终止销毁建筑，在保证建筑功能和要求的前提下，达到降低能源消耗、减轻环境负荷。

广义的建筑节能是指在民用建筑的建设、改造、使用过程中，以及在工业建筑和城市基础设施的施工过程中，按照有关法律、法规、技术标准的要求，采取有效措施，降低能源消耗，提高能源利用效率的活动。

狭义的建筑节能是指在建筑物正常使用期限内，提高建筑设备的能效系数，降低建筑物通过外围护结构的能量损失，同时充分利用可再生能源，在保证建筑功能和要求的前提下，达到降低能源消耗、减轻环境负荷的目的。《民用建筑节能条例》中对民用建筑节能的定义是：在保证民用建筑使用功能和室内热环境质量的前提下，降低其使用过程中能源消耗的活动。

2．节能技术的保障体系

建筑节能的核心是提高建筑能源的使用效率，而效率的提高最终将落实在技术的支撑上。从目前专业技术工种的划分来看，节能技术的保障体系大致可以分为以下两个方面。

（1）建筑规划与设计节能

合理的建筑规划和设计，可以结合当地的四季气候特点，为建筑创造一个良好的风环境、水环境、光环境、热环境和洁净环境等。比如朝向的选择、植被体系的选择与设计、水体和山体的合理利用等，可以为合理应用自然环境、降低建筑能耗、提高室内人工环境的舒适度和健康水平奠定基础。

（2）建筑围护结构节能

建筑围护结构的节能措施体现在对热工参数的控制上。在建筑实体墙部分，利用保温隔热技术，在冬季采暖季节，降低通过围护结构向外的热损失；在夏季空调季节，降低通过围护结构向外的冷损失；在过渡季节，充分利用自然通风，调节室内环境。

在建筑物透明结构部分，主要控制的是太阳能的热流方向。通过选择合适的窗户结构及遮阳技术，在冬季采暖季节，增加太阳能向室内的渗透，阻止室内热量通过透明结构辐射到室外；在夏季空调季节，热流的控制过程与冬季恰好相反；过渡季节则根据实际情况，在上述两个过程中选择。

3．能耗设备与系统的节能

建筑内的能耗设备与系统主要包括建筑的空调系统、照明系统、热水供应系统及电梯设备等。其中空调系统和照明系统在大多数的民用建筑能耗中占主导地位，成为主要的控制对象。

4．用能控制与管理

由于建筑内部设备与系统的设计往往是以满负荷运行为假设条件的，而实际上，设备和系统往往运行在非满负荷条件下，这就要求配备优良的控制和调节系统以及具备敬业精神和专业技能的专门管理人员，根据不同负荷特点对有关设备和系统进行自动或人工调节，避免大马拉小车现象。用能控制与管理对于建筑运行能耗的节约具有特殊的意义。

5．综合节能技术

由于建筑及其设备系统是一个有机的整体，在建筑节能方面，往往需要多工种的协调工作，从而产生一些综合的节能措施。例如，可再生能源利用的建筑一体化技术、多能耗系统之间的联动技术等。综合节能技术体现了未来节能工作的主流方向。

该指标说明一个国家经济活动中对能源的利用程度，反映经济结构和能源利用效率的变化。2100433B

建筑业能耗中包括建材生产、建筑施工、建筑日常运转等能耗。建筑日常运转能耗又称民生能耗，也称建筑能耗，它包含供暖、通风、空调、热水供应、照明、电梯、烹饪等的能耗。我国城镇建筑能耗占全国商品能耗的22%~24%，发达国家占1/3左右。

能源消耗又对环境污染，影响城市大气环境的悬浮粒子、SO2、NOx、CO主要是能源消费的后果；影响“全球环境”的CO2等温室气体的排放也主要来自能源消费。城市中能源的消费还导致“城市热岛”现象。为了实现我国可持续发展战略，建筑节能也是势在必行。建筑的方向是“绿色建筑”。

空调系统耗能特点之一是系统同时存在需热（冷、湿）和排热（冷、湿）的处理过程，如夏季低温低湿的排风可冷却干燥新风，冬季高温高湿的排风可加热加湿新风，利用这一特点，可对空调系统进行有效的热回收，从而降低空调系统的能耗。建筑中有可能回收的热量有排风热量、内区热量、冷凝器排出热量、排水热量等。

对压缩风的能耗而言，可以分为有效能耗和无效能耗，如何降低无效能耗是提高有效能耗的关键。据统计分析，企业用风70%左右的无效能耗消耗在设计压力匹配的不合理性上，主要表现在用户对压缩风压力的需求不够准确，而设计为了保险起见，往往采用就高不就低的原则，导致整体匹配经济性较差。如湿法搅拌用压缩风就属于此类情况，导致原配三级压缩只有两级发挥作用。

还有20%左右的无效能耗消耗在生产协调方面，不能统一、科学、合理地调用压缩风资源，一味强调供给侧满足需求侧，导致在往往只需要在需求侧付出少量的管理成本就可以大幅度降低供给侧成本方面毫无建树，这就是条块分割管理导致的效能碎片化现象，不能形成有效的资源调配机制。

另有7%左右的无效能耗是选择了不合理的压缩空气配套处理工艺。由于空气干燥工艺不断发展，针对离心式空压机热能的利用也日益得到重视，尤其利用大型离心式压缩机的压缩余热实现零耗气的干燥工艺在国内也日益成熟，该种工艺不但可以省去电加热成本，还可以大幅度降低成品气损耗，因此其在该领域替代微热干燥工艺已成为必然。

剩余3%左右的无效能耗表现在其他方面，如控制系统的不完善、循环冷却水参数匹配不合理等等方面。