网络低能耗范文（精选7篇）
网络低能耗 第1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
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网络低能耗 第2篇
随着通信技术、嵌入式芯片技术、传感器技术、微电子技术的飞速发展和日益成熟以及多媒体信息获取和处理的迫切需求, 无线多媒体传感器网络 (Wireless Multimedia Sensor Network, WMSN) 被提出来并引起研究人员的密切关注[1]。与其他传感器网络不同的是, 多媒体传感器网络侧重于音频、视频、图像等大数据量媒体信息的采集与处理。已有结果表明, 传感器网络的能耗跟传输的数据量成正比, 因此多媒体传感器网络传输信息时节点能量消耗较快。为了延长网络生命周期, 在设计多媒体传感器网络时要充分考虑数据量大的特点。另外, 研究人员还发现将传感器网络分簇能够节省网络总能耗[2,3]。综上所述, 设计一种考虑数据量的节能分簇协议, 对多媒体传感器网络来说具有十分重要的意义。
目前关于多媒体传感器网络的研究主要在路由[4]和分布式信息处理两个方面, 而分簇方面的研究结果相对较少。文献[5]中提出了一种基于两跳簇结构的图像传输方案。该方案在LEACH协议的基础上, 把相机节点独立出来, 增加中继节点负责图像的压缩编码和转发, 大大缓解了相机节点和簇头的图像处理能耗压力。它的不足之处是在成簇的过程中没有考虑普通节点信息传输时数据量大的特点, 以至于普通节点过快死亡。
文献[2,3]中提出的LEACH协议是传感器网络的经典分簇协议, 它的主要思想是把网络的工作过程分成若干轮, 在每一轮中网络被分成若干个簇, 簇成员节点向簇头发送信息, 信息经簇头处理后再发送给基站。簇头的选举规则是每个节点产生一个0～1之间的随机数, 当该随机数小于一个门限值时, 该节点被选为簇头。门限值T (n) 的计算公式为:
式中:p是一个随机的概率值, 实验证明p取0.05时网络的寿命最长;r是轮数。选好簇头以后, 非簇头节点根据通信代价最小规则选择加入某个簇。
LEACH协议存在一些固有的局限性, 如部分节点会因为能量消耗过快而过早死亡。为此, 很多人在它的基础上提出改进的分簇协议。例如, M.J.Handy等提出的簇头选举算法[6]综合考虑了簇头的地理位置分布以及网络的整体能量水平, 引入了新的门限undefined, 这样进行簇头选举后能够延长网络生命周期。M.Ye等提出的EECS[7]考虑了通信距离引起能耗大的问题, 在节点加入簇时引入一个代价函数cost (j, i) =wf (d (Pj, CHi) ) + (1-w) g (d (CHi, BS) ) 。这个代价函数包含了节点到簇头的距离及簇头到基站的距离等因素。引入这个代价函数后也能够延长网络生命周期。
以上这些协议或算法在节省网络总能耗, 提高网络生命周期方面都很有效, 但较少考虑数据量。在多媒体传感器网络中, 数据量非常大, 而网络的能耗又与数据量成正比。通过实验分析得出这样的结论:当数据量增加1倍时, 网络的死亡速度快3倍以上。因此, 提出一种考虑数据量的WMSN低能耗分簇协议。仿真结果表明, 该协议能使网络生命周期相比LEACH协议的提高50%以上。
1能耗模型
随着传感器网络的持续工作, 很多节点会因为能量耗尽而死亡。网络生命周期是刻画这个过程的一个重要指标。网络生命周期的定义有很多种, 通常将它定义为从网络开始工作到第一个节点死亡的时间[8]。
要知道网络生命周期, 就要选用某种能耗模型计算每个节点的能耗。这里采用的能耗模型与文献[2]中的一样, 某个节点发送k b的信息到和它距离为d的另一个节点所消耗的能量为:
式中:Eelec是发送或接收信息时的电路能耗;Efs和Eamp是电路功放的能耗。而节点接收k b信息消耗的能量为:
此外, 簇头节点需要进行信息融合及处理, 其消耗的能量用EDA表示。
2考虑数据量的WMSN低能耗分簇协议
该协议主要考虑多媒体传感器网络节点的剩余能量、数据量和地理位置, 选择簇头和让非簇头节点加入簇。
2.1 簇头选举阶段
由于WMSN的数据量比一般的传感器网络大得多, 因此在选举簇头时, 希望数据量大的节点成为簇头, 这样就能避免大量数据在簇内传输而消耗过多的能量。网络生命周期的延长不是靠降低某个节点的能耗, 而是平衡各个节点的能耗。为此将门限值T (n) 修改为:
式中:Dn_current和En_current分别是当前节点的数据量和剩余能量;Dmax和Emax分别是整个网络中数据量最大的节点的数据量和剩余能量最多的节点的能量。
节点产生一个0～1之间的随机数, 若它小于T (n) , 则该节点被选为簇头。簇头向其他节点发送广播信息, 等待成员节点的加入, 然后收集各个簇成员的信息, 进行数据融合之后把信息发送到基站, 再由基站通过万维网或卫星发送到控制中心。
2.2 成簇阶段
非簇头节点根据通信代价最小规则选择加入某个簇。这里引入通信代价函数:
式中:Dc_current是簇头的数据量;d是节点n到簇头的距离。在选择加入某个簇头所在簇时, 希望加入的簇的簇头数据量比较少, 这样簇头的通信负荷不会很大, 也便于其进行信息融合。
节点遍历已经选举出来的簇头, 若对应的通信代价函数cost (n) 值最小, 则加入该簇头所在的簇。
3仿真结果及分析
在Matlab环境下对提出的协议进行仿真。具体采用与文献[2]中相同的能量消耗模型, 将能量参数分别设置为Eelec=50 nJ/b, Efs=10 pJ/b/m2, Eamp=0.001 3 pJ/b/m4, EDA=5 nJ/b。节点随机分布在100 m100 m的观测区域, 基站的位置在 (50, 150) 。节点数目为100个, 每个节点的初始能量均为1 J。随机产生长度位于4 000～10 000 b之间的数据包, 控制包长度是50 b。簇头收到的信息融合后压缩到只剩80%。
经过100轮运行后, 各节点的剩余能量如图1所示。从图1可知, 该协议对应各个节点的剩余能量相对均衡, 而LEACH协议对应出现了好几个能量特别低的节点。但是, 该协议对应的节点剩余能量并没有明显比LEACH的多, 这是因为运行轮数比较少, 该协议的优势没有显现出来。
为了更好地显示该协议的优势, 对提出协议与LEACH协议及EECS协议进行了比较。如果网络中剩余节点过少, 那么整个网络就不能正常工作, 因此仿真只运行到剩余节点大于50个时就结束了。图2所示的仿真结果表明, 考虑了节点数据量后, 整个网络的生命周期相对于LEACH提高了60%。图2中, LEACH对应的生命周期是179轮, EECS对应的是272轮, 提出协议对应的是468轮。提出协议的另外一个优点是对应的生命周期曲线斜率明显比LEACH的大, 缩短了首末节点死亡时间间隔, 使节点死亡时间更加集中[9]。EECS由于考虑了通信距离, 对应的网络生命周期及其曲线斜率都比LEACH的大。但在多媒体传感器网络中, 网络数据量大, EECS的优势并没有体现出来, 整体性能还是比提出的协议差。
4结语
在LEACH协议的基础上, 在考虑数据量以及节点能耗的均衡时, 提出了一种多媒体传感器网络低能耗分簇协议。仿真结果表明, 该协议有效地延长了网络的生命周期。
摘要：多媒体传感器网络面临的主要挑战是在能量受限的情况下传输大量数据。在经典分簇协议LEACH的基础上, 提出一种考虑数据量的多媒体传感器网络低能耗分簇协议。在簇头选举阶段, 选择剩余能量多和数据量大的节点作为簇头;在成簇阶段, 同时考虑节点到簇头的通信距离和节点的数据量让节点加入簇。仿真结果表明, 提出的协议能有效提高网络的生命周期。
关键词：多媒体传感器网络,分簇,低能耗,网络生命周期
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低能耗居住建筑节能设计研究 第3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.
一种新型低能耗隧道窑 第4篇
问:请简单介绍一下你们的新概念隧道窑及其工作原理!
答:这种窑的基本原理是它的“焙烧室”有四个固定面:两面墙、一个顶和一个底(炉)。对于烧结制品,它们的支撑和移动载体都被完全封装在“焙烧室”中,所以其中的三个面总是处在同样的温度下。另外,与传统技术所用的窑车相比,制品的支撑和移动载体的重量会大幅降低:一般情况下其只占制品重量的8%~10%,而不是传统方式的50%~100%。
问:制品在斯卡特窑中如何向前移动?
答:所有制品都被码放在Si C支撑上并沿着Si C滑道移动。这些滑道的设计是一项专利,也是此发明中的关键因素之一。
问:对于耐火材料或耐火性而言有什么特殊需求么?你们都使用哪些耐火材料?
答:由于涉及到材料承受的高负荷和高温,我们只使用Si C,不同的等级允许不同的最高温度。目前来说,我们采用的材料能承受的最高温度是1450℃,但对于焙烧低负荷和高附加值的产品,我们相信材料可以承受更高的焙烧温度,可以使更多的高温材料得以应用,尽管这还不是我们目前工作的重点。
问:滑道必须要满足什么要求?对于预热带耐火材料长度的变化你们采取了哪些措施?
答:滑道其实相当简单,在很多方面类似普通的轨道。要考虑到耐火膨胀的两个关键方面:一方面是窑内固定滑道的膨胀,另一方面是窑长内支撑体的膨胀(窑宽度的膨胀并不是一个考虑因素)。对于第一个问题,重要的是采用正确的膨胀联结方式,需要在伸缩缝处添加一个专有的“轨道”,使得滑道在经过伸缩缝时不会产生额外的负担。第二个问题只有在热态下引起支撑体膨胀时用“槽烧成”的方案来解决。对于“过低或过高”的焙烧方案来说,制品和烧嘴的位置对于此问题而言并无关系。
问:在你看来斯卡特窑相比传统隧道窑的主要优势是什么?
答:完全密封“焙烧室”可防止任何热量泄漏到外部或车下空间(特别是当钢套管技术被应用到隧道的所有四个面上)。不需要为任何附加热质量保持冷却(就像窑车底盘的绝缘材料)。当这些条件都满足时,斯卡特窑具有三个优势:(1)更快的烧结——因此能减少烧结成本;(2)燃料效率大幅改善——相比目前使用最优技术标准的生产线,我们估计能提高20%的燃料效率,对于某些有特殊应用的生产线来说,它还具有更大的潜力(详见下文);(3)产品质量的提高——得益于窑内温度分布的改善。
该窑可能还有第四个优点,就是它能够实现对窑内气氛的完全控制,因为它杜绝了热量泄露。需要还原烧成条件时,这是特别有帮助的一点。
与传统的窑车相比,这种新概念烧成制度中,产品的支撑物和移动载体大概占产品重量的10%。除了大幅减少产品承载体的重量,相对于标准窑车,该材料不能被真正视为附加物,因为它与产品保持相同的温度而且几乎不会产生能耗:Si C支撑具有高导热性并完全暴露于通风系统中,所以当它离开窑时能保持和刚入窑时相同的温度。
问:你一直在强调该系统完美的密封性。它在工作系统中要用到哪些密闭方式?如果没有,怎么保证窑的密封性?
答:我在前面提到过,窑的气密性主要由窑的四个面保证。但是,在大多数应用下,窑的气密性完全由每一端的门封闭和(或)空气封闭进行有效的控制来保证。在窑门处,双封闭并不总是必要的,因为此处的压力通常较低,一个简单的门就足够。
问:在有限的宽度中使用侧烧嘴,有哪些可行方案?
答:如果只是在“过低或过高”的焙烧方案中使用侧烧嘴,宽度就会被限制在4.5 m左右,但是,在砖垛上方额外的空间中,我们可以在窑顶安装小型烧嘴,能让整体宽度达到6 m~7 m。而有了“槽烧成”方案,实际宽度可以达到窑顶的宽度,也就是10 m~11 m。因为我们不需要砂封槽和窑车侧裙,所以仍可以通过在窑内安装立柱来增加整体宽度。然而这并不是我们目前重点考虑的问题。实际上,我们被横跨在3.9 m宽滑轨上的Si C支架限制住了,但我们可以在宽度范围内无限复制这一配置,只需在它们之间留出所需的空隙。
问:你们期望的节能潜力是什么?该从何而来?
答:正如前面提到的,相比如今采用最高技术的标准生产线来说,我们看到了20%的节能潜力。对于一些特殊的生产线,比如异型屋面瓦,窑车的质量相对于产品的质量来说是非常高的,我们相信其还有50%甚至更多的节能潜力可挖。这主要是由于“焙烧窑”中完美的气密性,杜绝了窑车底部的空档以及支撑物和移动载体的热损失。如前所述,事实上,我们必须认识到,隧道窑中的窑车因为自身的加热和冷却需要,会造成25%~30%的能耗。根据计算,通过窑车下方和上方(穿过制品的空气)的额外通风需要会显著增加窑室的排风量。
问:你们在慕尼黑陶瓷工业博览会中有什么收获?有没有签到具体的项目或订单?
答:实话实说,我们从潜在客户那里得到的反馈是非常热烈和积极的。很明显,我们的工程师创造了潜力无限的新概念,我们也因为向大家呈现了一个真正能帮助烧结制品行业在未来取得显著发展的新概念而收到了无数的赞许。
大家对我们提出的概念表现出极大的热情,经常有人问我们:“你们建窑了吗?我在哪里能看到它?”对此我们只能回答“还没有”。但是,我们已经完成了原型设计,并且和一些客户签署了保密协议,有超过一半的客户对我们的方案抱有极大的兴趣,他们要求我们提供预算方案,以便他们能够对该技术更深层的潜力进行发掘。
除此之外,已经有一家颇具影响力的公司和我们展开了正式合作,以完成对原型设计的收尾工作,一旦这项工作结束,将会建成第一条斯卡特窑。这对我们来说是巨大的迈进,因为一方面,我们充分认识到仍有许多工作要做,以完成测试和优化技术;另一方面,我们已经找到了这个特殊的客户/合作伙伴,他会在达到这个阶段后修建并使用斯卡特窑。所以,我要说,“敬请期待!”
问:你认为这项新技术的主要应用方向是什么,更偏向于烧结黏土制品还是白色洁具?生产的具体产品又会有哪些?
答:由于没有窑车,以及“焙烧室”的高气密性,可以用来烧结很小或很重的制品,基本上也可以在任何的烧结气氛中实现长短不同的焙烧周期,因此我们认为该技术在行业内拥有非常广泛的应用。从理论的角度来看,我们应该这样想,这种新技术既可以替代辊道窑,也可以取代使用窑车的隧道窑,成为新的趋势。因此,我们有理由相信,这项技术具有可应用于所有烧结制品的潜力。我们甚至认为,只要是需要600℃或700℃以上热处理的任何行业,例如金属退火,都可以应用该技术。
问:多年来,已经有针对现有隧道窑的技术改进,但没有一项有如此成功的新发展。而现在,有了凯乐公司开发的Enviro窑和你们的斯卡特窑,两项烧结新概念被推向市场。在你看来,烧结黏土制品行业对改变现有烧结技术有多么迫切的需要?
答:一项新的烧结技术势必会帮助到我们的行业,但我不确定它是否能带来足够多的改变,也无法量化其紧迫性。但我相信,为整个行业服务的创新将使它再次成为市场的宠儿,而不是面对纷繁竞争的建材市场被迫退缩。我想在此指出的一点是,我相信这个行业需要在各个方面(产品开发、市场营销、技术等)得以创新,以确保一个光明的未来。我希望我们在斯卡特窑上投入的时间、金钱和决心,不仅能够成功降低新建工厂的投入以及生产黏土制品的能耗,还能够激励行业内其他的利益相关者,勇于在自己的领域带来更多创新。
家庭便携监护设备的低能耗设计 第5篇
通常测量设备使用电池独立工作, 具有便携性, 且需要和处理主机之间无线通讯。处理主机负责接收测量信息, 并存储、分析和传送到后台服务器, 相对固定, 可以使用市电供电。
我们将从三方面来阐述测量设备的低功耗设计, 这三方面包括: (1) 降低无线通讯功耗, (2) 锂电池电量最大化使用, (3) 嵌入式程序的低功耗模式设计。
2 降低无线通讯功耗
现今众多的无线传输技术, 诸如蓝牙、wifi, 各有优缺点。比如蓝牙, 人们在使用过程中, 发现蓝牙技术尽管有许多优点, 但仍存在许多缺陷。对工业, 家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言, 蓝牙技术显得太复杂, 功耗大, 距离近, 组网规模太小等。本系统首选采用zigbee网络技术, Zigbee技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。Zigbee节点有几十米的覆盖范围, 且可以增加路由节点, 扩展覆盖范围, 因此适用于家庭住宅。同时由于生理监护信号的数据传输流量不大, 传输速率为250kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求。Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络, 具有低功耗和低成本的特点。
Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景。本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上, 对其在移动监护的应用进行了研究。
2.1 选择星形网络
如图, zigbee一般有星形结构和网格结构以及族状结构, 视不同的应用环境选择不同的网络形式, 在家庭监护中, 我们应采用星形机构。
星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成, 中央节点执行集中式通信控制策略, 因此中央节点相当复杂, 而各个站点的通信处理负担都很小。
星形拓扑结构具有以下优点: (1) 控制简单。在星形网络中, 任何一站点只和中央节点相连接, 因而媒体访问控制方法很简单, 致使访问协议也十分简单。 (2) 故障诊断和隔离容易。在星形网络中, 中央节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位, 单个连接点的故障只影响一个设备, 不会影响全网。 (3) 方便服务。中央节点可方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。
2.2 自动入网, 永远在线
Zigbee网络的组建既可以由主节点发起, 也可以由子节点自动申请, 模块间还可以通过重新寻找通信对象, 确定彼此间的联络, 对原有网络进行刷新。这就是zigbee的自组织网技术, 它可以保证zigbee相对来说永远在线, 也就可以保证通讯的即时和可靠。
双唤醒机制
Zigbee模块, 在无任务时就进入深度睡眠, 功耗非常低, 只有两种方式可以唤醒, 一是当测量设备发起通讯的要求时, 一般要由若干特定的又不是有效的数据作为前导, zigbee瞬间唤醒, 接下来才进行有效数据的传输;二是空间存在与本机有关的信令时唤醒, 这些信令有可能是下行数据的传输或者网络维护的命令, 通常这些时间都很短, 处理结束后, zigbee很快又进入深睡眠状态。
3 锂电池电量最大化使用
便携设备一般采用锂电池供电, 要保证锂电池电量的最大化使用, 首先要用合理的方式给里电池充电。在各种充电电池里, 锂电池的充电属于很简单的了, 比镍镉、镍氢电池要简单太多了。
锂电池的充电方式是限压恒流方式。充电开始时, 应先检测待充电电池的电压, 如果电压低于3V, 要先进行预充电, 充电电流为设定电流的1/10, 一般选0.05C左右。电压升到3V后, 进入标准充电过程。标准充电过程为:以设定电流进行恒流充电, 电池电压升到4.20V时, 改为恒压充电, 保持充电电压为4.20V。此时, 充电电流逐渐下降, 当电流下降至设定充电电流的1/10时, 充电结束。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间, 电流越大, 充电越快, 同时电池发热也越大。而且, 过大的电流充电, 容量不够满, 因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样, 倒太快的话会产生泡沫, 反而不满。
术语解释:充放电电流一般用C作参照, C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、m Ah表示, 如M8的电池容量1200m Ah, 对应的C就是1200m A。0.2C就等于240m A。
图2是锂电池典型充电曲线图:
要保证锂电池电量的最大化使用, 其次必须用正确的方式放电。对电池来说, 正常使用就是放电了。锂电池放电只需要注意很少的几点:第一, 放电电流不能过大, 过大的电流导致电池内部发热, 有可能会造成永久性的损害。在手机上, 这个倒是没有问题的, 可以不考虑。第二, 绝对不能过放电!锂电池最怕过放电, 一旦放电电压低于2.7V, 将可能导致电池报废。好在锂电池的电池内部一般都已经装了保护电路, 电压还没低到损坏电池的程度, 保护电路就会起作用, 停止放电。
从图3典型放电曲线图上可以看出, 电池放电电流越大, 放电容量越小, 电压下降更快。因此要保证锂电池电量的最大化使用, 我们还要重点考虑这个电压的问题。
另外除了电池本身的原因, 电路的额外开销的压降也会导致电池的单次使用时间缩小, 譬如电源开关的压降、稳压芯片的压降。一般的机械波动开关, 使用一段时间后, 接触电阻会增加到几时欧姆, 到电路的电流较大时, 就会有零点几伏的压降, 这将导致后端电路电压下降, 从而导致设备无法工作。因此, 使用电子开关是理想的选择, 且要选用压降很小的管子。2AP9最典型低压降二极管, 在开关管的选择上, 要选用背靠背的功率Mos FET。稳压芯片是一般嵌入式电路里必不可少的器件, 选用CYT系列的稳压芯片, 压差最低可达0.2V。这样就可以最大的减少电路上的压降损耗, 充分的使用锂电池的电量。
4 嵌入式的低功耗模式设计
MCU面临的又一挑战是对产品电池续航能力的要求。“便携式”通常意味着设备由电池供电。通常情况下, 新增加的功能会产生更多的功耗, 但是开发人员在设计便携式医疗设备时不能要求终端用户使用又大又重的电池, 也不能要求他们频繁更换电池。
MCU应当支持三方面的低功耗策略:主动模式下功耗低、待机模式下功耗低以及处于主动状态的时间少。在大部分时间内, 便携式医疗设备将处于关断或低功耗状态, 因此, MCU也将处于关断或低功耗状态。不过, 不使用设备时, 一般会维持时钟/日历或闹钟等功能。尽管主动功耗至关重要, 但是最小唤醒时间是延长电池寿命的关键。MCU设计人员必须找到一种唤醒MCU时钟和模拟电路的设计方法, 实现快速测量, 然后使MCU返回到低功耗状态。例如, 使用ADC测量电压需要参考电压, 而通常情况下该参考电压需要几十毫秒的时间打开并稳定, 然后才能进行测量。在这个过程中, MCU处于上电状态, 一直在耗电。
单片机系统的功耗是否只是由单片机的功耗决定?回答是, 以单片机为核心构成的系统, 其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗, 除了要降低单片机自身的运行功耗外, 还要降低外围电路的功耗。
所以我们需要从硬件和软件两方面入手。在选择CPU内核时切忌一味追求性能。选择的原则应该是“够用就好”。8位机够用, 就没有必要选用16位机。一般来说, 单片机的运行速度越快, 功耗也越大。一个复杂的CPU集成度高、功能强, 但片内晶体管多, 总漏电流大, 即使进入STOP状态, 漏电流也变得不可忽视;而简单的CPU内核不仅功耗低, 成本也低。
应选用低电压供电的系统。低电压供电可以大大降低系统的工作电流。目前单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电, 降低单片机的供电电压可以有效降低其功耗。供电电压降低也是未来单片机发展的一个重要趋势。
当然还应该选带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的Idel (闲置) 、Stop (停止) 和Suspen (暂停) 模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。
另外, 要用合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感, 有两方面的问题要注意:
其一、系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗分为:运行电流和漏电流。单片机集成度越高, 环境温度越高, 漏电流也越大。单片机的运行电流几乎和其时钟频率成正比。降低时钟频率, 就可以有效降低单片机的功耗。
其二、关于时钟方案。是否使用锁相环, 使用内部振荡器还是外部振荡器。现代单片机普遍使用锁相环技术, 使单片机的时钟频率可以由程序控制。单片机使用外部较低的振荡器, 通过软件控制, 系统时钟可以在一个很宽的范围内调整, 得到比较高的总线时钟。使用锁相环会带来额外的功耗。单就时钟方案来讲, 使用外部晶振且不使用锁相环是功率消耗最小的一种。有的单片机带有内部时钟, 也可使用外部时钟。这可以根据实际系统的需要使用双时钟:一个高速时钟和一个低速时钟。处理事件时使用高速时钟, 空闲时使用低速时钟。这钟双时钟系统可以有效地降低功耗。
应用软件设计, 用“中断”代替“查询”。在没有要求低功耗的场合, 程序使用中断方式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合, 这两种方式相差甚远。使用中断方式, CPU可以什么都不做, 甚至可以进入等待模式或停止模式;而查询方式下, CPU必须不停地访问I/0寄存器, 这会带来很多额外的功耗。
用“宏”代替“子程序”。子程序调用的入栈出栈操作, 要对RAM进行两次操作, 会带来更大的功耗。宏在编译时展开, CPU按顺序执行指令。使用宏, 会增加程序的代码量, 但对不在乎程序代码量大的应用, 使用宏无疑会降低系统的功耗。
尽量减少CPU的运算量。减少CPU的运算工作量, 可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手:其一, 用查表的方法替代实时的计算。其二, 不可避免的实时计算, 算到精度够了就结束, 避免“过度”的计算。其三, 尽量使用短的数据类型, 例如, 尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据, 尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。其四, 让I/O模块间歇运行, 即不用的I/O模块或间歇使用的UO模块要及时关掉, 以节省电能;不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入, 用上拉电阻拉高。
5 结语
本文主要从降低无线通讯功耗、最大化使用锂电池电量、嵌入式程序的低功耗模式这三方面来阐述了家庭监护测量设备中的低功耗设计, 在实际设计中, 还有其它方面需要兼顾低功耗设计, 以上三点只是最典型也最关键的部分, 由此举一反三, 才可能从整体上延长便携式监护设备的使用时间。
摘要：本文主要针对家庭监护仪中便携测量仪器的低功耗进行理论分析和一般性设计, 以一套实际研制的基于无线传输的家庭监护设备为案例具体阐述。
油田低能耗集输与密闭处理工艺研究 第6篇
1 配备原油处理工艺所需的设备
提高油气集输的效率, 贯彻节能的生产理念, 要依靠先进的节能设备。笔者经过研究和试验测试认为油气水三相分离器和电脱水器在处理原油上降低能耗效果显著, 所以在此作详细的介绍:
1.1 油气水三相分离器
如何将油井采集上来的水和油进行有效的分类, 是集输的源头工作, 经过多年的实践和理论研究油气水三相分离器的效果最好, 能够实现油气水的初步分离。油气水三相分离器将含水的原油密闭沉降处理, 使其降到符合电脱水器的含量要求, 在这一环节中密闭处理技术是最为关键的环节。而分离器的设计应当是符合原油处理的要求, 能够进行快速破乳、有效分离的设备, 这一设备经过多年的研究和改进, 目前具有诸多的有点, 在集输系统中发挥着重要的作用。
油气水三相分离器结合了动量吸收器, 用来减少水珠破裂和泡沫的形成;还加置了补雾器, 促使气体流态变化, 使液体滴落的距离变短, 使天然气资源能够有效分离出来;乳化层微分加热装置的应用使得集输中的阻力大大减小以及乳化液对流向和流速的改变, 乳化液与水滴一经遇见就发生结合, 油与水迅速完整分离。
该设备已经在油田现场得到了应用, 在应用中各种化学因素的沉降脱水规律逐渐被集输系统的工作人员所掌握, 所以在相关的参数调整和设置上更加得心应手, 油气水的分离效果也将越来越高效。
1.2 电脱水设备
电脱水器是目前世界范围内都普遍采用的先进原油脱水技术设备, 电脱水器对提高原油破乳效果明显, 但是电脱水器目前还存在着不完善的地方, 所以在应用中关键是要对游离气进行有效控制。
游离气大量进入电脱水器中将会导致电脱水器无法正常运转, 严重的会影响整个系统的运行, 甚至会引起事故。所以未来保障原油密闭处理工序的顺利完成, 在电脱水器中加装防止游离气进入的装置十分必要, 经过试验研究和应用发现, 立式油气分离器的消气装置效果较好, 在原油进入电脱水器之前的位置安装, 对该系统设备的正常运转有重要作用。
电脱水器经过在某地油田的应用研究, 结果显示在游离气在单位体积的原有液体中含量在0.3m³/m³的条件下能够及时排出电脱水器, 此时原油的脱水分解能够有效顺利进行, 油与水的分离效果较好。笔者认为在控制游离气的技术装置上可以对原有的设备装置进行相应的改造, 例如可以直接在电脱水器上部直接装置一个自动排气阀, 就能使电脱水器内的游离气及时排出;还可以对电脱水器本身的电极设置进行简化处理, 也能起到控制游离气的作用, 一般电脱水器都是四层电极, 改造时直接改为两层电极, 就能在有效的降低能耗的同时实现原油的密闭处理, 使系统正常运转。
2 采用密闭处理工艺进行集输处理
本文所讲的密闭处理工艺是指利用油井井口处的剩余能量完成原油的集输处理过程, 从而节约能耗, 实现资源的有效利用。此外还可以综合利用油井所在矿区的风能、太阳能灯能源支持完成油气输送, 实现降低能耗, 节约成本, 提高经济效益的目标。
原油的集输是连续完成分离、脱水、沉降等工序, 在这一过程中油气连续不断的在压力状态下保持流动状态, 在集输管道和容器中完成上述程序。密闭处理工艺有以下几方面的特点, 值得在集输处理技术上加以吸收应用:
第一, 密闭处理工艺在对原油的处理上能够提高分离器的分离压力, 这样的重压下随气体排出的重烃少, 根据实践调查研究分离压力越大, 分离出的气体体积就越小、天然气密度也变小、甲烷和乙烷的重量也都随之减少;
第二, 密闭处理技术处理原油时, 因为在原油中有溶解气, 所以能够使原油的密度和粘稠度下降, 对集输系统中设备的运行状况都有积极的影响, 油和水的分离效果也表现良好;
第三, 在密闭处理中, 原油乳状液停留时间不长, 所以对分离过程的影响也微弱, 有利于油水的沉降分离工作进行;
此外密闭处理工艺还具有密闭性高、保证生产的连续性强、油气集输过程中耗能少等各方面的特点, 在这样的环境下集输能够使工作效率大幅提高, 还在节省开支, 提高效益上效果显著。目前密闭处理的工艺研究仍在继续, 旨在将设备与工艺不断改进完善, 更好的适应于现场的节能高效生产目的。
3 技术应用的效果分析
油田低能耗集输与密闭处理工艺在实践应用中对油田企业的生产效率和经济效益都有积极的影响和作用。在处理原油上照比传统工艺, 节能效果明显, 对矿区能源的综合利用效果显著, 在节约用电的成本支出上各应用企业有大幅的递减;处理的原油质量和产量都有提高, 油田企业经济效益也有显著地增加;生产不再频繁的受阻中断, 能够有效的实现连续生产, 保障了企业的生产效率提高。
4 结语
低能耗集输密闭处理工艺是目前最为先进有效的技术工艺, 在生产效率和经济效益上表现良好, 未来将成为油田企业油气资源集输的首选。密闭集输处理对提高油气资源的利用效率, 降低分离净化过程中的能耗效果明显, 今后的研究应在现有的技术基础上不断进行改进和完善, 对原油的脱水、稳定以及对外输送环节都要继续改进, 促进节能工艺的发展。未来挖掘油田油气集输的效率, 一定要积极引进吸收国外的先进工艺技术, 来完善我国油田油气集输系统的设备和工艺, 促进我国油田企业生产效率和经济效益的继续提高。
参考文献
[1]成庆林, 余涛, 袁永惠.油气集输系统的能损分布规律研究, [J].华北电力大学学报, 2009[1]成庆林, 余涛, 袁永惠.油气集输系统的能损分布规律研究, [J].华北电力大学学报, 2009
低辐射玻璃窗高层住宅建筑能耗计算 第7篇
使用软件为清华大学开发的居住建筑热环境模拟计算软件, 并应用它对高层居住建筑能耗模拟计算, 建筑室内热环境及采暖通风空调制冷系统动态过程中的状态下模拟计算环境;此软件由清华大学从1990年开始开发使用的, 在此期间曾得到国家建筑科学技术等项目资金支持, 至今已经形成技术完善、应用广泛的节能计算系统软件。居住建筑的功能房间较为简单, 一般有客厅、客房、厨房、洗手间等几种使用功能空间, 所以在模拟能耗计算软件中, 房间功能内扰和系统默认参数是根据功能空间来定义, 各功能房间上的人、光源和家具设备热扰都是固定的。也可以在庞大的构件库根据具体情况选择建筑构件。在模拟能耗计算软件中, 综合考虑了建筑遮阳、自然通风、自然天空辐射等因素, 使得被模拟居住建筑的真实能耗状态计算更加合理准确。
2 模拟能耗计算软件参数设置及建筑模型
以广州穗园小区高层居住建筑为例, 对其能耗进行计算, 高层居住建筑的四种工作状况进行全年居住能耗模拟, 计算累计负荷值、负荷峰值、全年能耗等数值。对高层居住建筑的四种工作状况 (即建筑模型的内部空间划分、形状、大小、朝向和使用功能一致, 不同的是建筑玻璃外窗材料、技术) 进行模拟计算、分析与对比, 总结出各种工作状况对整个高层居住建筑能耗的情况。
2.1 模拟计算居住建筑模型
为了模拟计算合理性, 采用广东广州当地气候参数, 内部热环境按默认值设置。建筑坐北偏东南方向, 建筑用地面积258 m2, 一共28层, 层高2.8 m, 建筑总面积7 225 m2。非空调房间为空房间 (楼梯间) 、走道、卫生间、厨房。空调房间为客厅、主人房、卧房。
居住建筑围护结构热工参数按De ST-h软件建筑构件中的默认值, 根据原建筑设计结构图, 外墙为矿渣加气砖砌块导热热阻为0.845 (m2·K) /W, 传热系数0.976 W/ (m2·K) ;内墙为180双排孔砌块导热热阻为0.452 (m2·K) /W, 传热系数1.469 W/ (m2·K) ;屋面为煤矿加气混凝土保温屋顶, 导热热阻为1.069 (m2·K) /W, 传热系数0.798 W/ (m2·K) 。建筑窗户幅面采用尺寸为1 600 mm×2 100 mm;卫生间窗户尺寸为900 mm×1 200 mm。
2.2 温度、太阳直射辐射强度设定
1) 全年360 d干球温度统计如图1所示。
2) 全年太阳直射辐射强度统计如图2所示。
2.3 参数设定
内扰参数设定见表1, 表2。
3 能耗计算软件模拟计算居住建筑结果
工作状况:建筑模型的内部空间划分、形状、大小、朝向和使用功能一致;不同的是光学热工性能参数的建筑外窗设计。
下面首先是采用8厘玻璃铝合金窗 (工一) , K=5.768 W/ (m2·K) , SC=0.819 1;8厘遮阳型Low-E玻璃铝合金窗 (工二) , K=5.52 W/ (m2·K) , SC=0.468;建筑负荷计算结果见表3。
采暖季开始日期:11月15日;采暖季结束日期:4月13日;空调季开始日期:5月2日;空调季结束日期:8月28日。
表3模拟了居住建筑在同一工作状况下, 不同建筑外窗材料与技术能耗分析中, 建筑外窗应用8厘玻璃铝合金窗与8 mm低辐射玻璃铝合金窗进行对比, 得出:单层低辐射玻璃窗比单层普通玻璃窗的全年能耗要少1 039 822.23 k W·h;全年累计热负荷减少了69.78%;但使全年累计冷负荷增加了29.89%。由表3分析可以看出, 在我国夏热冬暖地区, 全年累计冷负荷的绝对值很大, 而全年累计热负荷的绝对值比较小, 空调能耗就是因为这种情况而影响。从统计得出, 模拟居住建筑应用遮阳型低辐射玻璃外窗对建筑冷、热负荷改良很有意义。
下面是采用中空玻璃铝合金窗6 mm+9A+6 (工三) , K=3.898 W/ (m2·K) , SC=0.729;中空玻璃铝合金窗6Low-E+9A+6 mm Low-E (工四) , K=3.10 W/ (m2·K) , SC=0.349;建筑负荷计算结果见表4。
采暖季开始日期:11月15日;采暖季结束日期:4月13日;空调季开始日期:5月2日;空调季结束日期:8月28日。
表4中建筑外窗应用8厘普通中空玻璃铝合金窗与8厘低辐射中空玻璃铝合金窗对比, 中空玻璃窗比8厘低辐射中空玻璃窗的全年能耗要少10 592.58 k W·h;全年累计热负荷减少了52.2%, 也使得全年最大热负荷减少了2.12%;但使全年累计冷负荷增加了41.7%, 全年最大冷负荷也增加27.98%。数据分析得出结论:模拟建筑应用8厘低辐射中空玻璃铝合金窗外窗对居住建筑冷、热负荷改良有节能意义。
居住建筑的四种设计工作状况通过能耗计算软件对全年能耗模拟计算, 计算冷热负荷峰值、累计负荷值、全年能耗, 结合数值对比, 得出结论:在夏热冬暖地区居住建筑中, 使用Low-E玻璃铝合金窗能把建筑能耗大幅度降低约38%~52%, 达到建筑节能。
摘要：在分析住宅建筑热环境模拟计算软件的基础上, 以广州穗园小区高层居住建筑单元为例, 用住宅建筑热环境模拟计算软件对居住建筑高层的节能情况进行全年能耗模拟计算, 结果表明:夏热冬暖地区高层居住建筑中, Low-E玻璃铝合金窗的使用能大幅度降低建筑能耗, 达到建筑设计节能效果。
关键词：低辐射玻璃窗,热环境模拟软件,建筑能耗计算
参考文献
[1]李岳, 孟庆林, 张磊.北京某高层写字楼幕墙热工性能与能耗模拟分析[J].建筑节能, 2009 (9) :8-22.
