吳修孟

建筑節(jié)能與建筑設(shè)計中的新能源利用

吳修孟

面對著能源短缺的現(xiàn)狀，建筑節(jié)能減排成為必然趨勢。在建筑設(shè)計中利用新能源實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)是一項重要的措施。本文主要結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗闡述了建筑節(jié)能設(shè)計中的新能源的利用。

建筑；節(jié)能；設(shè)計；新能源；太陽能；發(fā)電

引言

從狹義的角度，新能源包括風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊?，這是以前沒有作為能源來利用的；從廣義的角度，新能源包括生物燃料、核能、水能、水電，甚至還包括清潔能源技術(shù)。以下主要闡述新能源在建筑節(jié)能設(shè)計中的利用。

1 新能源概述

1.1 新能源定義

新能源指一些雖屬古老的能源，但需采用先進(jìn)方法和技術(shù)進(jìn)行開發(fā)利用、對環(huán)境和生態(tài)友好、可持續(xù)發(fā)展、資源豐富的能源。即：在新技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地開發(fā)利用的可再生能源，如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、氫能等。我國定義的新能源：除常規(guī)化石類能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能、生物質(zhì)能、小水電、天然氣水合物等。

1.2 新能源特點

資源豐富，一般具備有可再生特性，可供人類永續(xù)利用；能量密度低，開發(fā)利用需要較大空間；不含碳或含碳量很少，對環(huán)境影響??；分布廣，有利于小規(guī)模分散利用；間斷式供應(yīng)，波動性大，對連續(xù)供能不利；目前除水電外，可再生新能源的開發(fā)利用成本較化石能源高。

1.3 發(fā)展新能源必要性

發(fā)展新能源是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的一個非常重要的措施，具備四大好處：①可以減少二氧化碳的排放；②可以減少人類對化石能源的依賴；③可以通過用纖維素和半纖維素為原料來制造生物原料，這樣可以騰出更多的耕地種糧食，以應(yīng)付糧食危機；④發(fā)展新能源將會給世界和我國在金融危機以后提供一個新的經(jīng)濟發(fā)展方向。

1.4 我國新能源發(fā)展趨勢

水能2010年可達(dá)到1.9億kW，到2020年可達(dá)到3億kW。核能目前是910萬kW，到2020年有可能達(dá)到6000萬kW。風(fēng)能裝機容量大概可以到2000萬kW以上，到2020年有可能達(dá)到1億kW。太陽能發(fā)電現(xiàn)在大概有30萬kW，到2020年可發(fā)展到500萬kW。生物燃料是550萬kW，到2020年可發(fā)展到3000萬kW。到2020年有希望將煤發(fā)電的比重從目前的70%下降到60%。目前我國地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展階段，至2007年底工程數(shù)量達(dá)到5000多個，使用的總建筑面積超過8000萬m2，總體市場規(guī)模超過100億。2008年、2009年每年新增的應(yīng)用面積估計都在3000～4000萬m2。

從未來發(fā)展趨勢看，隨著國家對建筑節(jié)能和可再生能源利用要求的不斷提高及地源熱泵比傳統(tǒng)供熱制冷系統(tǒng)顯著的節(jié)能減排效益，地源熱泵系統(tǒng)項目所占比例還有很大上升空間。

2 建筑節(jié)能的意義

我國目前處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，GDP增長較快，能源消費和二氧化碳排放總量仍呈較快上升趨勢。據(jù)統(tǒng)計，全世界住在城市的人口只有50%，城市卻消耗著全球85%的資源和能源，排出了85%的廢物和二氧化碳。建筑能耗主要指采暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)、炊事、照明、家用電器、電梯、通風(fēng)等方面的能耗。據(jù)統(tǒng)計，我國建筑能耗在總能耗中所占的比例已經(jīng)達(dá)到27.6%，并且這一比例還將提高。因此，建筑節(jié)能對應(yīng)對全球氣候變化和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都意義重大。

無論是“綠色”，還是“低碳”、“生態(tài)”，其理論核心是基本一致的，即通過城市生態(tài)環(huán)境保護，通過節(jié)能減排，通過資源循環(huán)再生利用，實現(xiàn)人與自然的和諧相處，建立資源節(jié)約、環(huán)境友好、社會和諧的現(xiàn)代城市，實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。建筑層面的綠色和低碳設(shè)計主要體現(xiàn)在太陽能利用裝置、風(fēng)能利用裝置、地?zé)崂醚b置、能量循環(huán)利用裝置等，實現(xiàn)“低能耗、高舒適度”的完美結(jié)合，最大限度利用自然能源，盡量減少能源與資源浪費。在這種綠色和低碳設(shè)計中，可再生能源應(yīng)用是重要和必不可少的。地源熱泵成功應(yīng)用于奧運網(wǎng)球中心、國家體育場（鳥巢）、國家游泳館（水立方）、國家體育館、奧運村、曲棍球館、自行車館、羽毛球館、奧林匹克森林公園、天津奧運體育場。

3 建筑節(jié)能設(shè)計中的新能源的利用

3.1 太陽能利用

太陽能在建筑節(jié)能中的應(yīng)用形式主要分為太陽能光熱應(yīng)用和太陽能光電應(yīng)用。

3.1.1 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能光熱利用最成熟的方式之一，因其技術(shù)成熟且經(jīng)濟效益顯著（一般投資回收年限3～5年），已實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。太陽能熱水設(shè)備由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)管道、支架、控制系統(tǒng)及相關(guān)附件組成，必要時還要增加輔助熱源。太陽能熱水系統(tǒng)按運行方式有三種：自然循環(huán)式系統(tǒng)、直流式系統(tǒng)和循環(huán)換熱式系統(tǒng)。

3.1.2 太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化

通過太陽能熱水器與建筑一體化的設(shè)計，可將太陽能熱水器與建筑充分結(jié)合，實現(xiàn)整體外觀的和諧統(tǒng)一。太陽能熱水系統(tǒng)的建筑一體化，可通過將建筑使用功能與太陽能熱水利用有機結(jié)合，形成多功能的建筑構(gòu)件，巧妙高效的利用空間，使建筑可利用太陽能的部分——向陽面或屋頂?shù)靡猿浞掷谩?/p>

3.1.3 太陽能采暖系統(tǒng)

太陽能采暖系統(tǒng)是指將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，供給建筑物冬季采暖的系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括集熱器、貯熱器、供熱采暖末端設(shè)備、輔助加熱裝置和自動控制系統(tǒng)等。太陽能采暖結(jié)合生活熱水系統(tǒng)，近年得到國家政策大力支持下，正逐步在有條件地區(qū)推廣應(yīng)用。在國家財政部、科技部科技支撐計劃和建設(shè)部“可再生能源建筑應(yīng)用示范項目”中，均涵蓋太陽能采暖綜合應(yīng)用技術(shù)的研究和工程示范項目。

3.1.4 太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)

太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)由太陽能空氣集熱器、風(fēng)機、散流器、溫控器等部件組成。當(dāng)太陽能輻射較好時，風(fēng)機開啟，循環(huán)加熱室內(nèi)空氣，以解決建筑室內(nèi)采暖問題。太陽能空氣集熱采暖系統(tǒng)具有初投資低（屋頂集熱器造價在400～500元/m2集熱面積左右）、需要較低水平維護和可靠性高，冬季不存在凍結(jié)特點。

3.1.5 太陽能空調(diào)系統(tǒng)

太陽能空調(diào)系統(tǒng)目前的主要形式是太陽能吸收式空調(diào)，系統(tǒng)主要構(gòu)成包括太陽集熱器、吸收式制冷機和輔助熱源。一般夏季空調(diào)周期，太陽集熱器負(fù)責(zé)向吸收式制冷機提供所需要的熱媒水，吸收式制冷機負(fù)責(zé)將吸收制冷轉(zhuǎn)化后的冷水提供至建筑室內(nèi)，供空調(diào)使用；冬季采暖周期，由太陽能集熱系統(tǒng)直接向建筑供暖。

3.1.6 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制器、逆變器、蓄電池組及線纜等組成；并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)則是將太陽能光伏電站產(chǎn)生的電能通過光伏并網(wǎng)逆變器及控制設(shè)備輸送到外部電網(wǎng)上，經(jīng)過電網(wǎng)進(jìn)行電能分配至用戶終端使用。光伏發(fā)電構(gòu)件與建筑結(jié)合形式有附著于建筑物上的光伏構(gòu)件以及集成到建筑物上的光伏發(fā)電系統(tǒng)，附著于建筑物上的光伏構(gòu)件是指光伏構(gòu)件以一定傾角安裝于建筑的諸如屋頂?shù)炔课坏陌惭b形式。該形式主要側(cè)重光伏構(gòu)件的太陽能發(fā)電量獲取。集成到建筑物上的光伏發(fā)電系統(tǒng)是指光伏構(gòu)件經(jīng)集成、成為建筑構(gòu)配件的安裝形式。該形式側(cè)重光伏構(gòu)件與建筑結(jié)合的美觀實用性，合理的太陽能發(fā)電量獲取。

3.2 結(jié)合地源熱泵技術(shù)的淺層地?zé)崮芾?/p>

淺層地?zé)崮苁侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)（一般為恒溫帶至200m埋深）、溫度低于25℃、在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地球內(nèi)部的熱能資源。其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫。淺層地?zé)崮芡ㄟ^熱泵技術(shù)進(jìn)行采集利用后，可以為建筑物供暖。淺層地?zé)崮芊植紡V，儲量大，再生迅速，利用價值大。目前淺層地?zé)崮苤饕ㄟ^水源熱泵和地源熱泵技術(shù)采集。熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱能（如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢熱等）轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能（如煤、燃?xì)?、油、電能等）的目的。淺層地?zé)崮芾门c地源熱泵技術(shù)結(jié)合構(gòu)成的系統(tǒng)，可為建筑提供采暖、空調(diào)和生活熱水。

3.3 生物質(zhì)能供暖技術(shù)

生物質(zhì)能供暖可利用生物質(zhì)發(fā)電或通過沼氣、生物質(zhì)燃?xì)鈱崿F(xiàn)。其中，生物質(zhì)燃?xì)馐且环N新興的可再生能源，它以較干燥的（含水率一般< 20%）生物質(zhì)為氣化原料，其中，主要是農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)和木材加工的副產(chǎn)物、剩余物和廢棄物，如農(nóng)作物秸稈、稻殼、玉米芯、枯木、樹頭、枝椏、板皮、碎木、刨花、鋸末等，經(jīng)干燥、粉碎和去除雜物后，將其投入生物質(zhì)氣化爐中，并向爐內(nèi)輸入適量的氣化劑（如空氣、水蒸氣等）點燃，氣化原料在缺氧的條件下進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)（供氧量為氣化原料完全燃燒時所需的理論供氧量的20～28%），氣化后生成可燃性的混合氣體，稱之謂生物質(zhì)燃?xì)?，其主要可燃成分為CO，H2，CH4等。生物質(zhì)燃?xì)庠诎l(fā)達(dá)國家已廣泛用于供熱及發(fā)電。

4 結(jié)語

隨著建筑工程規(guī)模的不斷擴大，能源消耗不斷增加，如何做好建筑節(jié)能設(shè)計顯得非常重要。利用新能源可以有效的解決建筑能源消耗大的現(xiàn)狀，在建筑中有效的利用包括太陽能、水能、地?zé)崮茉趦?nèi)的新能源，可以在節(jié)約能源的同時提升人類的生活質(zhì)量。

[1]謝浩.住宅產(chǎn)業(yè)中新能源的開發(fā)與利用[J].建筑節(jié)能，2010（05）：58.

[2]王云冰.建筑節(jié)能與建筑設(shè)計中的新能源利用研究[J].中華民居（下旬刊），2013（09）：12～13.

[3]孫彥兵，郭紅，劉曉濤.太陽能熱水系統(tǒng)在建筑上的應(yīng)用[A].2007年山東省制冷空調(diào)學(xué)術(shù)年會論文集[C].2007（08）：45～46.

[4]劉景璐，李秋艷.新能源在建筑設(shè)計中的應(yīng)用[J].中外企業(yè)家，2013（35）：78～79.

TU201.5

A

1004-7344（2016）15-0297-02

2016-5-12

吳修孟（1975-），男，工程師，大學(xué)?？?，主要從事建筑設(shè)計方面工作。