可再生能源在民用建筑節能中的應用

方 紅(上海中森建筑與工程設計顧問有限公司， 上海 200120)

1 引言

可再生能源是指自然界中可以不斷利用、循環再生的一種能源，主要包括太陽能、風能、水能、地熱能、海洋能和生物質能等。電氣用電是一個耗能大戶，其每年要消耗總發電量的10%以上，如果節電5%，則每年可節約照明用電60億kWh，為國家節省投資約30億元[1]。民用建筑作為能耗大戶，其節能設計顯得尤其重要，本文著重探討可再生能源在民用建筑節能設計中的應用。

2 光伏發電

2.1 概況

太陽照射到地球大氣層上界的能量達173 000TW，照射一秒鐘的能量就相當于500萬噸煤，照射三天的能量就相當于地球所有礦物燃料能量的總和[2]。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源。我國地處北半球，有著十分豐富的太陽能資源。據估算，我國太陽能總輻射量在930～2 300kWh／m2/年。約有2/3以上的地區年日照時間大于2 200h，特別是青藏高原和新疆、甘肅、內蒙古一帶，擁有優良的太陽能資源[3]。

近年來，國內主要大中城市相繼出臺了鼓勵推廣太陽能利用的法規及條例。例如，2011年最新頒布的北京建筑節能標準中規定，新建、改擴建12層及以下居住建筑將安裝太陽能熱水系統;12層以上居住建筑將根據能夠設置集熱器的有效面積等因素，確定是否強制要求安裝太陽能熱水系統。集中安裝的太陽能系統效率更高，也更美觀，將實現與建筑的一體化。2011年1月1日起施行的上海市建筑節能條例規定，鼓勵既有民用建筑在節能改造時，設計、安裝太陽能等可再生能源利用系統。

截至2012年9月底，國家電網公司經營區域內并網光伏發電裝機270.58萬kW，較前年同期增加218.09萬kW，同比增長415%。僅2012年1～9月份，收購光伏發電電力24.8億kWh，同比增長537%。

2.2 太陽能光伏發電系統的組成

太陽能光伏技術的工作原理是光伏效應。光伏效應是指一些特殊的半導體材料，在光線的照射下，內部產生電動勢的現象。太陽能光伏發電系統由太陽能電池組、控制器、蓄電池、負載等組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。整個系統組成如圖1所示。

圖1 太陽能發電系統示意圖

2.3 太陽能光伏系統運行方式的分類

太陽能光伏發電系統的運行方式可分為兩大類：離網運行方式和并網運行方式。

1)離網運行方式

離網運行方式分為獨立系統和集群控制系統。獨立系統即本身就帶有一套完整設備的系統，主要應用于太陽能的路燈、草坪燈、庭院燈這些位置相對分散的燈具，也經常應用在辦公樓、住宅樓等場合的公共走道燈；集群控制系統多用于多個分散燈具位置和接收陽光比較好的地點分開的場合，比如住宅樓之間、有高大樹木的公園的路燈、庭院燈等。離網運行方式的突出優點是發電與用電可以不同步。缺點是會增加電能—化學能轉換的損耗，蓄電池必須占用大量空間，而發電容量卻不能很大，經過幾年的使用后還需要進行維護。

2)并網運行方式

并網運行的光伏發電系統由光伏電池方陣、控制器、并網逆變器組成。光伏發電系統發出的直流電通過逆變器變換成交流電向電網發送，或輸出到低壓負載，也就是即發即用。并網系統由太陽能光伏發電和公共電網同時向負載供電，在陰雨等不利天氣條件下保證負載的正常運行，提高了供電可靠性。并且在光線充足的情況下，太陽能光伏多發的電量可反饋給電網，對電網有調峰作用。還可以加入柴油發電機作為備用電源，形成并網混合供電系統，進一步提高系統的負載供電保障率，達到最佳的工作狀態。由于逆變器輸出與電網并聯，必須注意保持兩組電源電壓、相位、頻率等電氣特性的一致性，否則會造成兩組電源相互之間的充放電，引起整個電源系統的內耗和不穩定，如諧波污染、孤島效應等。并網運行方式原理圖如圖2所示。

2.4 太陽能光伏系統在建筑節能中的應用

圖2 光伏發電系統并網原理圖

1)太陽能LED照明

(1)住宅太陽能LED樓道燈

許多住宅小區的樓道照明系統普遍存在著一個問題：樓道燈由于頻繁地啟閉而經常損壞，許多樓道因此都成了“盲道”。太陽能LED樓道燈系統由太陽能電池、蓄電池、LED燈泡、控制系統及控制開關組成，在控制方面可以采用充放電控制系統、光控系統及時控系統[4]。白天，太陽能電池組件將太陽能轉化為電能，再通過充放電控制器存儲到蓄電池內；晚上，蓄電池為負載提供電能。為保證陰雨天的照明，可增大蓄電池的容量或選擇并網運行。

(2)小區太陽能LED草坪燈

太陽能LED草坪燈由太陽能電池、超高亮LED燈、蓄電池、自動控制電路等組成。由于其獨特的優點，近年來得到迅速發展。LED草坪燈電源由太陽能電池供給，太陽能電池在白天收集太陽能并轉換為電能儲存在蓄電池內，在夜間供給LED草坪燈。可根據太陽照射的實際情況，選擇獨立系統或集群控制系統的控制方式。

(3)太陽能LED路燈

普通的路燈需要鋪設較長的輸電線路，線路上電壓損失較大，超過一定距離還需要采取補償措施，鋪設電源線路也需要很大的投入。太陽能路燈(如圖3所示)由于獨立運行，節省了輸電線路的鋪設，節約了建設費用，很好地解決了上述問題。太陽能LED路燈由太陽能電池、燈具、蓄電池和控制器組成，應用非常廣泛。

(4)地下停車場照明

地下停車場的照明有它的特殊性。由于在地下，無法進行自然采光，又屬于晚上用電少，白天用電多，不管白天黑夜都需照明的場所。在設計采光井的基礎上增加太陽能光伏發電系統，可大幅度地節能，產生較好的經濟效益。

圖3 太陽能路燈

2)太陽能熱水器

太陽能熱水器以其節能環保及使用簡單等優點，得到了快速發展和廣泛應用。太陽能熱水器具備吸熱、導熱與保熱等功能，能效比大，在同樣環境下，熱水器所產生的熱水量最大[5]。

為避免普通太陽能熱水器存在的諸多缺陷，如熱效率低下和換熱水量太少等，目前廣泛推廣的太陽能熱水器新技術，主要有以下幾個方面：

(1)平板太陽能熱水器，不僅熱效率優于真空管，而且能靈活地與建筑物和周圍環境相結合，在高層、小高層住宅中得到廣泛使用。

(2)壁掛式太陽能熱水器，不僅能與建筑物相結合，而且集熱器和水箱分離，集熱器靈活安裝于陽臺外或南向墻面，水箱則放置在陽臺內或室內墻角，減少了太陽能熱水器的使用限制。

(3)太陽能熱水系統與建筑一體化，屋頂覆蓋層或保溫層可完全由太陽能集熱器來替代，既能對樓房起隔熱、防漏的保護作用，又避免了重復投資，減少了成本。

3)太陽能屋頂

太陽能屋頂，也稱為光伏建筑一體化。在實際應用中，太陽能電池板被安裝在建筑物的外墻及屋頂上，以并網運行方式由太陽能電池板、電網并聯向用戶供電。太陽能屋頂有兩種主要的施工方式，一種是光伏組件作為建筑物外立面的一部分，以替代一部分外墻的建筑材料；另一種是將光伏方陣通過支撐件安裝于建筑物上。

太陽能屋頂已經成為我國的熱門研究課題。以上海為例，上海的10萬屋頂計劃，計劃將為10萬個屋頂安裝太陽能發電系統，估計每年至少發電4.3億kWh。上海世博會，光伏建筑的太陽能發電規模達到4.68MW，年均發電可達406萬kWh，減排CO2總量逾3 400t。在法國阿爾薩斯案例館(如圖4)，“水幕太陽能墻”外層同樣覆蓋太陽能電池板，能把照射到墻體外層的太陽光轉換成電能，正好能維持“水幕太陽能墻”不斷運作，為建筑帶來冬暖夏涼的感覺。

圖4 上海世博會法國阿爾薩斯案例館

太陽能屋頂也在不斷吸收新的創新技術，對系統進行優化改善。其中，能量管理優化智能系統和屋頂冷卻系統的結合應用尤為突出。能量管理優化智能系統實現對各相關機電設備優化控制，配合使用太陽能光伏發電，滿足建筑物對能量的需求，提高設備間的聯動，以達到整體優化。而對于沒有采用光伏組件的屋頂，安裝屋頂冷卻系統，采用由特殊材料制成的反射涂層，在夏季隔絕大量的太陽輻射，在有效減低屋頂溫度的同時，使太陽能電池的轉換效率得到提高。

3 天然光利用

天然光導光系統作為現代的建筑采光形式，其工作原理是通過采光裝置聚集室外的天然光線并將其導入系統內部，再經過導光裝置強化和高效傳輸后，由系統底部的漫射裝置把天然光均勻地導入到室內任何需要光線的地方。歐美及日本等發達國家，已開發出一系列天然光導光系統(如圖5所示)，并在學校、博物館、辦公樓、體育場館、公共廁所、垃圾處理廠等公共設施及工業與民用建筑中廣泛應用。

圖5 天然光導光系統

3.1 天然光導光系統的優越性

天然光導光系統不僅提供健康的光源，而且實現了大幅度節能。據統計，全球每年要消費2萬億kW/h的電力用于人工照明。在商務樓宇中，電燈照明的實際使用率占到總能耗的40%～50%，制造25%～30%的溫室氣體排放。但是如果建筑物中一半的電燈照明以天然光照明技術進行替換，總能耗將降低20%～25%，溫室氣體排放降低10%～15%[6]。與之前人們認識相反，在相同的照度要求下，天然光帶來的熱量比絕大多數人工光源的發熱量都少。用天然光對室內進行采光、照明，會大大減少房間的空調負荷，有利于減少建筑物能耗。而對于地處溫帶或者寒帶地區的建筑來說，天然光的熱效應能為建筑提供免費的熱能，減少冬季取暖所需要的能耗。

3.2 天然光導光系統的結構

天然光導光系統通過導光裝置將陽光傳輸轉彎，隨心所欲地到達任何位置，地下室、北面房都可以有陽光。與利用天窗、鏡子等進行集光的采光系統不同，光導照明不受房間的位置、窗戶的方位、太陽的高度等條件的限制，能夠進行穩定的采光。

天然光導光系統的結構主要分三部分，一是采光部分，采光器多由透明塑料注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱；二是導光部分，一般由三段導光管組合而成，導光管內壁為高反射材料，反射率可達92～95%，導光管可以旋轉彎曲重疊來改變導光角度和長度；三是散光部分，為了使室內光線分布均勻，系統底部裝有散光部件，可避免眩光現象的發生。天然光導光系統結構簡圖見圖6。

圖6 天然光導光系統結構簡圖

圖7 風力發電系統示意圖

3.3 天然光導光系統的應用要求

在應用天然光導光系統時，需對建筑體的日照及方位進行綜合經濟技術比較，因地制宜地采用不同組合的導光裝置。同時必須采用人工照明，應按相關標準和規范進行人工照明的設計和施工。采用智能照明系統對人工照明進行調光控制，當監控傳感器采集到的天然光照度水平達不到要求時，人工照明將自動開啟，以滿足照度要求。

4 風能發電

地球上風能蘊含量特別豐富。人們主要使用風車進行風力發電，工作原理是空氣動力推動扇葉，透過傳動軸，將轉子的旋轉動力傳送至發電機，把風的動能轉化為電能。風能屬于清潔可再生能源，環境效益好，并且風力發電設備基建周期短，裝機規模靈活。因此，大力發展風力發電已經成為中國新能源戰略的重點。2012年6月，中國取代美國成為世界第一風電大國，并網風電達5 258萬kW。中國用五年時間，走過了美國、歐洲十五年的風電發展歷程。這其中，甘肅酒泉是全國第一個開工建設的千萬kW級風電基地。

4.1 風能發電系統組成

風力發電系統(如圖7所示)包括葉輪、發電機、變換器、傳感器、控制器、蓄電池等。葉輪一般由兩到三個葉片組成，通過它將風能轉化為機械能；發電機一般采用永磁式交流發電機；變換器把發電機發出的電變成220V的交流電回饋電網；傳感器和控制器可以控制整個風力發電系統，可以控制葉輪的運行情況，使葉輪旋轉面垂直于風向，若風速過大可限制葉輪的轉速以防止部件損壞，也可以將發電機的輸出功率限制在一定范圍內，特別在蓄電池已經充滿時應控制葉輪停機；蓄電池多采用專用鉛酸蓄電池，也可選用鎘鎳堿性蓄電池。

4.2 風能發電系統在建筑節能中的應用

根據應用場合的不同，風能發電系統分為獨立型和并網型發電系統。并網型與城市(地區)供電網聯網供電；獨立型應用在無電網地區，需與蓄電池和其他控制設備組成獨立運行風力機發電系統，一般容量較小。

1)風能建筑一體化

圖8 巴林世貿中心

風能與建筑一體化的結合有兩種形式，一種方式是在建筑周圍的綠地或較大的空地上設立風電機組，稱為間接結合；另一種方式是在建筑物上直接安裝風力電機，稱為直接結合。直接結合的一個成功案例是巴林世貿中心(如圖8所示)。分別在雙塔造型的建筑物之間的16、25層和35層處的跨橋上，安置了規模直徑為29 m的水平軸風力發電機組。這三臺機組的年供電量為110萬kWh～130萬kWh，占整個大樓用電量的15%左右。巴林世貿中心風力發電機組每年可減少55t的碳排放，成為世界上超高層建筑可再生能源利用的典范[7]。

2)風光儲能發電技術

風能、太陽能作為可利用的自然可再生能源，兩者在實際利用的過程中都受到季節、天氣和地理等多種因素制約。如果揚長避短、相互配合，則能發揮出最大的作用。風光互補系統，就是由風力發電機和太陽能電池組件、控制器、蓄電池、逆變器等組成的供電系統。在系統中配置必要的儲能設施，結合風能、太陽能的應用特點，構成風光儲發電系統，可以在電能質量和供電可靠性等方面有顯著的提高。

5 結束語

要實現可再生能源在建筑節能中的大量推廣與應用，需要一系列措施實現。國家政策引導甚至強制規定，是太陽能能夠大規模應用的關鍵。可以參考的措施包括：對傳統電力機構采取強力抑制措施，努力拉近工業發電與居民屋頂所發“綠電”的價格差；對太陽能光伏發電給予實質性的財政補貼和優惠政策的扶持；相關的技術專家獲得足夠支持，在工藝開發方面多下功夫，使居民家庭安裝及維護太陽能光伏系統變得較為容易；積極宣傳太陽能發電技術，將綠色觀念深入人心。國務院高度重視光伏產業發展，提出到2015年光伏發電總裝機容量達到3 500萬kWh以上的發展目標。在國家政策的支持下，光伏產業迎來了重要發展機遇，光伏發電將隨之快速增長。相信，如果再多一點“陽光政策”，屋頂發電就不再是紙上談兵的夢想。

風電的發展已經初見成效。然而，風力發電由于地理位置的限制，需要超長距離的輸配電，甚至要穿越廣袤的沙漠和戈壁。同時，風力發電的發電高峰一般是夜間，與日用電高峰不一致，使得發出的風電沒有得到很好地利用。并且，風電本身發電量極不穩定，需要有配套的調峰電源來削平這種波動。綜上所述，由于相關技術和國家輸配電基建建設上的限制，風電尚未得到最有效的利用。風電行業未來發展有巨大潛力和商業價值，只要電力等相關部門全力配合，進一步解決輸配電過程中的一系列問題，相信風電將得到更廣泛的發展。

隨著技術水平的不斷創新和提高，以及國家相關政策的大力扶持，可再生能源在建筑中的節能應用前景將更加光明。

[1]何麗梅.建筑電氣節能措施研究[J].科技致富向導,2011,(17):214-241.

[2]李蔚,吳婧華,張文良等.太陽能光伏技術與應用[J].智能建筑電氣技術,2009,3(2):8-12.

[3]張青虎.太陽能光伏技術應用[J].智能建筑電氣技術,2007,1(3):36-40.

[4]闞璇,馬名東.太陽能LED照明在住宅節能中的應用[J].智能建筑電氣技術,2010,4(2):8-10.

[5]唐謀生,余雷.太陽能熱水器利用與低碳生活淺談[C].第十二屆中國科協年會論文集.2010:1-4.

[6]何悅苑.光導照明在建筑節能設計中的研究與應用[J].科海故事博覽·科技探索,2011,(2):250-251.

[7]趙珩.風光儲發電技術在建筑節能中的應用[J].人民長江,2011,42(24):89-92.