寒冷地區(qū)辦公建筑節(jié)能改造中使用可再生能源的可行性分析

席 暉 高志紅

（1.河北工程大學(xué) 建筑學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.邯鄲市滏山房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河北 邯鄲 065038）

當(dāng)今，節(jié)約能源、開放新能源、減少環(huán)境污染是世界各國普遍面臨的主要問題之一，我國是世界第三位的能源生產(chǎn)國，也是世界第二位的能源消費(fèi)國。2011年，國務(wù)院發(fā)布了《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，在節(jié)能方面，提出到2015年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869 噸標(biāo)準(zhǔn)煤（按2005年價(jià)格計(jì)算），比2010年的1.034 噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降16%，比2005年的1.276噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降32%。工作方案中還提出要調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。在做好生態(tài)保護(hù)和移民安置的基礎(chǔ)上發(fā)展水電，在確保安全的基礎(chǔ)上發(fā)展核電，加快發(fā)展天然氣，因地制宜發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉础?/p>

我國已建成的建筑物能源浪費(fèi)嚴(yán)重，其中辦公建筑面廣量大，加之在建筑結(jié)構(gòu)、使用功能以及能耗設(shè)備等方面具有自身的特點(diǎn)，導(dǎo)致其能源消耗存在著很大的浪費(fèi)，存在在全生命周期中能耗量大、能耗不經(jīng)濟(jì)等問題。辦公建筑的節(jié)能改造具有極大的節(jié)能潛力，成為公共建筑節(jié)能改造工作的主要研究對象之一。多數(shù)改造主要集中在改善建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、 提高供暖設(shè)備效率、冬季供暖改為分戶計(jì)量等，基本處于節(jié)約不可再生能源的階段。其中辦公建筑數(shù)量多面積大，在使用周期中采暖、制冷、照明等能耗大，是公共建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)，尤其是在可再生資源的利用上有很大的發(fā)展?jié)摿Γ缣柲艿臒崮堋⒐饽艿霓D(zhuǎn)化，地?zé)崮艿睦玫取?/p>

1 寒冷地區(qū)氣候條件

我國《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，寒冷地區(qū)是指最冷月平均氣溫在0℃～10℃與之間、日平均氣溫≤5℃的天數(shù)在90～145d 之間的地區(qū)，其設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足冬季保溫要求，部分地區(qū)兼顧夏季防熱。氣候條件較差，對該地區(qū)的辦公建筑節(jié)能改造具有較大的實(shí)際意義。

2 辦公建筑現(xiàn)狀調(diào)查

本研究對邯鄲市區(qū)的54 棟辦公建筑進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研和能耗測試，調(diào)研的辦公建筑包含16 棟政府辦公樓、27 棟商務(wù)辦公樓和11 棟綜合樓。

調(diào)研結(jié)果表明，不同年代建筑的結(jié)構(gòu)形式、節(jié)能構(gòu)造等存在較大差異。

20 世紀(jì)80年代的辦公建筑，其結(jié)構(gòu)形式以磚混結(jié)構(gòu)為主，層數(shù)在2～6 層，且進(jìn)深較短，面積規(guī)模較小，大多在2 500m2以內(nèi)。沒有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫措施，外窗以單層單玻塑鋼窗為主。夏季以分體式空調(diào)為主，外墻隨意打孔外掛空調(diào)機(jī)，冬季采暖以暖氣片和地暖為主。

20 世紀(jì)90年代以后的辦公建筑，結(jié)構(gòu)形式以框架結(jié)構(gòu)為主，層數(shù)大多在6 層以上，進(jìn)深和面積規(guī)模明顯加大，面積大多在25 000m2。外窗以單層雙玻玻塑鋼窗為主，2000年以后以雙層雙玻塑鋼窗、 鋁合金窗為主。夏季空調(diào)以中央空調(diào)集中控制為主，冬季采暖以暖氣片和地暖為主。

3 太陽能

太陽能是綠色無污染能源，在很多國家和地區(qū)都得到應(yīng)用和推廣。寒冷地區(qū)大部分在北緯35°～45°之間，處于太陽較豐富的二類、三類地區(qū)，冬季晴天天數(shù)在一半以上，太陽能資源比較豐富，有良好的利用條件。

太陽能的利用主要是光熱轉(zhuǎn)換和光伏發(fā)電兩個(gè)方面。光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)因?yàn)榍捌谕顿Y較少、維護(hù)成本較低，應(yīng)用較廣，但是能量轉(zhuǎn)換率較低，在既有辦公建筑的節(jié)能改造中可操作性更強(qiáng)一些；光伏發(fā)電技術(shù)前期投資較多、維護(hù)成本較高，目前應(yīng)用范圍較小，但是對將來的發(fā)展有更深遠(yuǎn)的影響。

3.1 太陽能光熱轉(zhuǎn)換

太陽能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)比較成熟，能量轉(zhuǎn)換的媒介主要水和空氣，一般晴天的白天能滿足生活熱水的供應(yīng)，晚上和陰天天氣需要輔助電能發(fā)熱。

以水做媒介，是利用太陽能集熱器加熱水作為生活用熱水。整個(gè)系統(tǒng)利用溫差循環(huán)進(jìn)行運(yùn)作，當(dāng)集熱器的溫度探頭測到水溫高于預(yù)設(shè)值時(shí)熱水開始循環(huán)，將熱水輸入貯熱水箱。當(dāng)貯熱水箱中的溫度探頭測到水箱與集熱器的水溫差大于預(yù)設(shè)值時(shí)，啟動(dòng)熱水循環(huán)泵，使集熱器與水箱中的水進(jìn)行交換循環(huán)。太陽能熱水器已經(jīng)廣泛使用，但在寒冷地區(qū)，冬季室外氣溫低于0℃時(shí)，水容易結(jié)冰，必須輔助熱泵進(jìn)行加熱，可結(jié)合太陽能光伏發(fā)電，在必要時(shí)啟用熱泵進(jìn)行補(bǔ)充。

以空氣作媒介，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由壓縮器、膨脹閥空氣、蒸發(fā)器、冷凝器等4 部分組成，將從空氣中吸收的低位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粺崮埽瑥亩糜谥迫崴鳠峤橘|(zhì)吸收空氣熱能后由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)；氣態(tài)的介質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)，通過輸入少量電能，傳熱介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w；在冷凝器中，高溫高壓的氣體與冷水進(jìn)行熱交換，釋放大量熱能，變回液態(tài)進(jìn)入下一次循環(huán)，而冷水就可以轉(zhuǎn)換成熱水。

圖1 空氣源熱泵機(jī)組工作原理

目前市面上常見的太陽能熱水器具有一定的缺陷：（1）熱水管路長，使用時(shí)需要大量放水。（2）舒適性差，不能保證24 小時(shí)熱水供應(yīng)，水溫不穩(wěn)定。（3）雖然在太陽能熱水器上增加了電加熱器，太陽能不足時(shí)主要靠電加熱制熱水，但不能恰當(dāng)實(shí)現(xiàn)光電互補(bǔ)，冬季很難保證有充足的熱水。（4）市場主流產(chǎn)品還是“落水式”，其進(jìn)水、出水只有一根水管，使用非常不方便。

辦公建筑節(jié)能改造時(shí)，太陽能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以和地暖結(jié)合起來，地暖需要的熱水溫度較低，一般在40℃～50℃之間，這恰好是太陽能熱水系統(tǒng)在冬季能達(dá)到的溫度。

3.2 太陽能光伏發(fā)電

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由發(fā)電板、蓄電池、充電控制器、防反沖二極管、逆變器、測量設(shè)備等組成。發(fā)電板為了方便安裝，一般設(shè)置在辦公建筑屋頂或墻面上。現(xiàn)有技術(shù)條件下，光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)化率在5%～20%，利用率較低，太陽能光伏發(fā)電一般輔助光熱轉(zhuǎn)換，在冬季或陰天時(shí)提供電能。根據(jù)荷蘭鹿特丹市立檔案局的改造經(jīng)驗(yàn)，15 000m2的辦公樓屋頂設(shè)置1 840m2的光伏電池，能滿足自身80%的電力需求。所以，提高我國的太陽能光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率后，將大大減少一次性能源——煤的使用，減少環(huán)境污染。

4 地?zé)崮?/h2>

地?zé)崮苁且酝寥阑蛩疄闊嵩础⑺疄檩d體在封閉環(huán)路中循環(huán)進(jìn)行熱交換。地源熱的利用通常包括地下埋管、井水抽灌和地表水盤管等系統(tǒng)。地源熱泵技術(shù)，利用地球表面淺層 （通常小于400 米深）地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。地表淺層收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500 倍還多。使用地源熱泵，沒有燃燒過程，對周圍環(huán)境無污染排放；不向周圍環(huán)境排熱，沒有熱島效應(yīng)，沒有噪音。

土壤源熱泵系統(tǒng)是用土壤作為熱源，由地?zé)釗Q熱器和熱泵機(jī)組形成封閉的環(huán)路，環(huán)路根據(jù)制冷劑運(yùn)行方向的不同形成了制冷和制熱兩種循環(huán)。夏季，循環(huán)介質(zhì)將室內(nèi)熱量釋放到地下土壤中； 冬季，循環(huán)介質(zhì)將土壤中的熱量提取出來釋放給室內(nèi)空氣。從理論上分析，土壤源熱泵的熱源溫度比較穩(wěn)定，每消耗1kw 的熱量可得到4kw 左右的能量，比燃煤鍋爐節(jié)約近1/2 的能耗，運(yùn)行費(fèi)用是普通中央空調(diào)的50%～60%。但是，北方寒冷地區(qū)供熱期比供冷期長，土壤熱源系統(tǒng)的供熱效率也下降，所以在使用前，必須針對不同地區(qū)的水文地質(zhì)條件和工程情況，分析在使用壽命內(nèi)地下土壤溫度的變化，保證其不存在土壤溫度降低或者在可接受范圍內(nèi)。

傳統(tǒng)的空氣源熱泵在室外溫度低于0℃時(shí)，供熱效率大幅降低，水源熱泵因?yàn)榈叵滤某啥艿较拗疲寥涝礋岜迷诤涞貐^(qū)使用，長期的冷熱負(fù)荷不均衡容易導(dǎo)致土壤的溫度逐年下降。

5 結(jié)論

可再生能源的利用和開發(fā)對緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染具有重要的戰(zhàn)略意義，應(yīng)用可再生能源是既有辦公建筑節(jié)能改造發(fā)展中跨越式突破：（1）利用太陽能，冬季采暖系統(tǒng)結(jié)合光熱轉(zhuǎn)換，輔助光伏發(fā)電；（2）利用地?zé)崮埽照{(diào)系統(tǒng)結(jié)合地源熱泵。

[1]阮帆.咸寧地區(qū)既有辦公建筑節(jié)能改造技術(shù)措施研究[D].沈陽建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012年.

[2]趙忠超，Branko Simanic，程林.既有建筑采用可再生能源節(jié)能改造技術(shù)分析[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2009年第2期 （總316期），p96～6.