建筑节能教案 第1章 能源、环境与可持续发展

第一章能源、环境与可持续发展第一节能源概论一、能量（1）机械能是与物体机械运动或空间状态相关的能量，包括固体和流体的动能、势能、弹性能和表面张力能。设质量为m的物体的运动速度为v，该物体的动能Ek可以用下式表示：QUOTEEk=12mv受重力作用，不同位置高度的物体具有不同的重力势能。设物体的质量为m，高度为H，重力加速度为g，则物体的重力势能Ep可用下式表示：QUOTEEk=12mv2物体由于弹性变形而具有做功的本领，这种能量叫做弹性势能。设物体弹性系数为k，物体的变形量为x，则物体的弹性势能EτQUOTEEk=12mv2（1在不同物质和同一物质不同相的界面上，由于表面张力的存在而具有的做功能力称为表面张力能。设物体的表面张力系数为σ，界面面积为S，则表面张力能Es可表述为：QUOTEEk=12mv2（2）热能设温度为T的系统的熵的变化为dS，则热能Eq可以表述为：QUOTEEk=12mv2（3）辐射能（1-6）（4）化学能（5）电能以电子的流动传递的能量。设驱动电子流动的电动势为U，电流强度为I，则电能Ee可以表示为：（1-7）（6）核能是原子核内部粒子相互作用所释放的能量。核能要通过核反应释放能量。核反应有三种形式：①放射性衰变；②核裂变；③核聚变。在热力学第二定律中，熵是不可用能的度量。熵的增加意味着系统的能量数量不变，但质量变差，做功的能力变低。因此熵增加意味着能量在质量上的贬值。如果环境温度为T0，系统的熵增为△S，则能量的贬值E0为：QUOTEE0=T0∆S（1图1-1示意图设在图1-1中，一台卡诺热机从高温热源吸收热量Q，对外做功W，向低温热源放热Qo。热量Q的为：（1-9）（1-10）在一定的能量中，占的比例越大，其能质越高。我们定义一个能质系数φQ。（1-11）（1-12）（1-13）二、能源一次能源和二次能源表1-2一次能源二次能源煤炭、石油、天然气、水力、核能、太阳能、地热能、生物质能、风能、潮汐能、海洋能电力、城市煤气、各种石油制品、蒸汽、氢能、沼气从资源的角度出发，还可以将能源分为可再生能源和不可再生能源。国际公认的可再生能源有六大类：太阳能；风能；地热能；现代生物质能；海洋能；小水电。图1-22005年世界各国的能源消费比例图1-32005年世界一次能源消费量构成图1-4纽约石油期货市场油价的变化（截止至2008年6月）第二节能源与环境一、能耗引起的环境污染二、能耗引起的全球气候变化问题大气污染和酸雨（雪、雾），即跨国界的大气污染问题；温室气体排放问题；臭氧层破坏问题；土地退化和荒漠化问题；水资源短缺和水污染问题；热带雨林的迅速减少；生物多样性（包括基因、物种和生态系统）的破坏；有害废弃物的越境转移；海洋污染；人口增长过快。这十大问题或多或少都与人类消耗能源有关，也或多或少与人类大规模的建设活动有关。其中最直接的，也是影响最大的问题是温室气体排放、酸雨和臭氧层破坏。图1-5温室效应示意图图1-6从公元元年开始大气中温室气体浓度的变化1图1-7有气象记录以来地球表面温度的变化（以1961～1990年平均值为基准）1图1-8海平面的变化（以1961～1990年平均值为基准）1为了评价各种温室气体对全球温暖化影响的相对能力大小，可以用“全球变暖潜势（globalwarmingpotential，GWP）”的指标参数：（1-14）图1-9地球大气层构造图1-10美国航空航天局（NASA）提供的南极上空图像（2006年9月）（1-15）图1-11HCFCs淘汰时间表（2007年9月）a）发达国家；b）发展中国家第三节中国的能源与环境（1-16）。图1-122005年我国人均能耗（电耗）与世界各国的比较纵观我国的能源消费状况，有以下几个显著特点：图1-13我国能源消费的增长（亿吨标准煤）图1-14我国电力装机量的增长（亿千瓦）（1）我国的能源消费以工业为主图1-152005年我国各部门能耗比例（2）能源效率低图1-16我国能源效率与2005年国际水平的比较（每千美元GDP消耗油当量）图1-17我国GDP（以PPP计算）与2005年国际水平的比较（每千美元GDP消耗油当量）（3）人均能源消费量低，人均生活能耗量更低图1-18我国人均生活能耗（电耗）的增长（4）农村用能水平很低（5）能源消费结构以煤为主图1-192006年我国能源消费结构图1-202006年世界能源消费结构图1-212005年各国和地区温室气体（GHG）排放份额第四节能源与可持续发展图1-21中国化石燃料的碳排放系数（t[C]/TJ）图1-22中