問題の再説明
その背景として、「ダブルカーボン」とはカーボンピークとカーボンニュートラルの略称であり、我が国は2030年までにカーボンピークを達成し、2060年までにカーボンニュートラルを達成することを目指していることを学びました。この目標を達成するために、我が国は炭素排出量削減のペースを加速し、グリーン・低炭素技術革新を精力的に推進してきました。低炭素建築は「二酸化炭素」目標を達成するための重要な方法であり、建築資材や設備の製造、建設のライフサイクル全体を通じて、化石エネルギーの使用を削減し、エネルギー効率を改善し、二酸化炭素排出量を削減することに取り組んでいます。 、建物用途です。
質問 1
この問題を解決するには、まず建物の毎月の冷暖房の必要量を計算する必要があります。次に、対応する電気エネルギー消費量を計算し、最終的に電気エネルギー消費量を炭素排出量に変換します。
まず、壁、屋根、ドア、窓、床の熱伝達係数を計算する必要があります。
ただし、これらの係数は質問には示されていないため、計算には次の一般的に使用される値を使用します。
- レンガコンクリート構造壁の熱伝導率：1.4W/m・K
- 鉄筋コンクリート屋根の熱伝導率：2.0W/m・K
- ドアや窓の熱伝導率：2.5W/m・K
- コンクリート床の熱伝導率：1.6W/m・K
建物の総熱伝達面積は次のとおりです。
- 壁: 2 * (4 + 3) * 3 = 42 平方メートル
- 屋根: 4 * 3 = 12 平方メートル
- ドアと窓: 5 平方メートル
- フロア: 4 * 3 = 12 平方メートル
次に、毎月の冷暖房の必要量を計算します。
屋外の温度と建物内の温度基準を比較することでニーズを判断します。
月平均気温が18度を下回る場合は暖房が必要になります。
月平均気温が26度を超える場合は冷房が必要になります。
月ごとに、壁、屋根、ドア、窓、床からの熱損失または熱取得を計算し、冷暖房の性能係数に基づいて電力消費量を計算できます。
冷房と暖房の成績係数は、それぞれEER（Energy Efficiency Ratio、冷凍エネルギー効率比）とCOP（Coefficient of Performance、ヒートポンプ性能係数）です。これら 2 つの係数はそれぞれ、消費電力量単位に対するエアコンの冷房時および暖房時に発生する冷房または熱の単位の割合を表します。
電力消費量を計算する場合、熱損失または熱利得を対応する性能係数で割った値に基づいて電力消費量を求めることができます。具体的な計算方法は以下の通りです。
- 暖房（暖房）：月平均気温が18℃以下の場合は暖房が必要です。温度差（18－月外平均気温）を算出し、熱損失（ヒートポンプ性能係数×熱伝導率×温度差）を算出します。次に、熱損失を COP (ヒートポンプ性能係数) で割って、電力エネルギー消費量を求めます。
- 冷蔵：月平均気温が26℃を超える場合は冷蔵が必要です。温度差（月平均外気温度－26）を計算し、得られる熱量（伝熱面積×熱伝導率×温度差）を計算します。次に、取得熱量を EER (冷凍エネルギー効率比) で割って、電力消費量を求めます。
このようにして、毎月の電力消費量を取得できます。すべての月の電力消費量を合計すると、年間を通じて建物の空調による温度調整に必要な総電力消費量がわかります。次に、総電力消費量に電力 1 キロワット時あたりに発生する炭素排出係数 (この質問では 0.28 kg/kWh) を乗じて、温度調整のための空調による建物の年間炭素排出量を求めます。
最後に、電気エネルギー消費を炭素排出量に変換できます。
計算プロセスが面倒なので、例のみを示します。
- 1月：平均外気温は-1℃で暖房が必要です。温度差は(18 - (-1)) = 19℃です。
- 熱損失 = 伝熱面積 * 熱伝導率 * 温度差 = (42 * 1.4 + 12 * 2 + 5 * 2.5 + 12 * 1.6) * 19 = 1417.3 W
- 電力消費量 = 熱損失 / COP = 1417.3 / 3.5 = 404.93 Wh
- 炭素排出量 = 電力消費量 * 0.28 kg/kWh = 404.93 * 0.28 = 113.38 kg
同様に、他の月の炭素排出量も計算できます。最後に、すべての月の炭素排出量を合計して、空調によって制御される建物の温度からの年間炭素排出量を取得します。
サンプルコード
import numpy as np
monthly_avg_temps = np.array([-1, 2, 6, 12, 22, 28, 31, 32, 26, 23, 15, 2])
# 热导系数
wall_conductivity = 1.4
roof_conductivity = 2.0
window_conductivity = 2.5
floor_conductivity = 1.6
# 热传导面积
wall_area = 2 * (4 + 3) * 3
roof_area = 4 * 3
window_area = 5
floor_area = 4 * 3
# 性能系数
COP = 3.5
EER = 2.7
def calculate_carbon_emission(monthly_avg_temp):
if monthly_avg_temp < 18:
temp_diff = 18 - monthly_avg_temp
heat_loss = (wall_area * wall_conductivity + roof_area * roof_conductivity +
window_area * window_conductivity + floor_area * floor_conductivity) * temp_diff
electricity_consumption = heat_loss / COP
elif monthly_avg_temp > 26:
temp_diff = monthly_avg_temp - 26
heat_gain = (wall_area * wall_conductivity + roof_area * roof_conductivity +
window_area * window_conductivity + floor_area * floor_conductivity) * temp_diff
electricity_consumption = heat_gain / EER
else:
electricity_consumption = 0
carbon_emission = electricity_consumption * 0.28
return carbon_emission
total_carbon_emission = sum([calculate_carbon_emission(temp) for temp in monthly_avg_temps])
print("Total yearly carbon emission:", total_carbon_emission, "kg")
まず numpy ライブラリをインポートし、月平均気温、熱伝導率、伝熱面積、パフォーマンス係数を定義します。次に、calculate_carbon_emission という関数が定義されており、月平均気温に基づいてその月の炭素排出量を計算します。最後に、各月の平均気温に対してこの関数を呼び出し、その結果を加算することで、空調によって加熱された建物の年間炭素排出量が計算されます。
Numpy は Python の 3 番目のライブラリです。Baidu にインストールして実行してください。
詳細については、こちらをご覧ください。