可再生能源在建筑節能中的應用

孫建梅　劉云昭

摘要：針對我國建筑用能居高態勢及其對環境影響的問題，概述了建筑節能的現狀和將可再生能源應用于建筑節能的意義。詳細解析了太陽能、地熱能等可再生能源在建筑節能中的主要應用形式，并指出了其在應用過程中存在的一些成本、技術等問題，從因地制宜、新技術研發等方面提出了幾點提高可再生能源利用效率的建議。

關鍵詞：可再生能源；建筑節能；太陽能；地熱能

1引言

中國現有建筑面積約為400億m2，每年新建建筑面積約20億m2，其中95%以上仍是高能耗建筑[1]。隨著城市建設的高速發展，我國建筑能耗逐年大幅上升，已達全社會能源消耗量的32%，加上建筑材料生產能耗約13%，建筑總能耗已達全國能源總消耗量的45%。建筑用能的增加對全國的溫室氣體排放“貢獻率”已達到了25%[2]。到2020年我國建筑耗能將達到1089億t標準煤，建筑能耗已成為中國經濟發展的軟肋，建筑節能已刻不容緩。我國建筑節能始于20世紀80年代，節能政策由單一技術政策轉為政策體系的構建，由強化規制約束向激發鼓勵導向性政策發展，逐漸向節能政策與環境間互動開放性轉變。然而由于我國建筑節能基礎薄弱，相關法律法規不健全，政策落實不到位，設計標準實行率較低等原因我國建筑節能發展水平遠低于發達國家。

能源是經濟發展的引擎，社會進步的動力，而如今能源需求不斷增長，化石燃料幾近枯竭。可再生能源以其分布廣，儲量大，環保清潔等優點，得到了極大的關注并得以應用。財政部和住房城鄉建設部聯合發布[2011]61號文件《關于進一步推進可再生能源建筑應用的通知》明確指出在“十二五”期間：切實提高太陽能、淺地層地能、生物質能等可再生能源在建筑用能中的比重，到2020年新增可再生能源在建筑領域的消費比例占建筑耗能的15%以上[3]。隨著我國建筑節能的發展，可再生能源在建筑中應用也將愈來愈廣泛。這一應用極大豐富了建筑節能的形式，降低了建筑能耗，從而可極大推動建筑節能的發展。同時也會為能源結構多樣化，應對全球氣候環境問題和實現可持續發展起到舉足輕重的作用。因此，可再生能源技術的研究將成為建筑界永恒的課題，把可再生能源技術應用于工程是我國建筑節能發展的必然趨勢，也是改善我國生態環境，促進社會、經濟全面協調發展的必由之路[4]。

2可再生能源在建筑節能中利用形式

可再生能源主要包括：太陽能、風能、生物質能、地熱能和海洋能等。在建筑中主要利用太陽能、風能、地熱能等能源直接與間接或被動與主動地為建筑物提供熱水、采暖、空調、動力等一系列功能，以滿足人們生活生產需要。其應用形式多種多樣，本文主要圍繞以下幾種形式進行研究。

2.1太陽能熱水系統

太陽能熱水系統是一種太陽能光熱利用技術，即利用溫室原理，把太陽能轉變為熱能，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種系統[5]。太陽能熱水系統是太陽能利用技術最成熟、最經濟，應用最廣泛，產業化發展最快的領域。系統主要由太陽能集熱器、蓄熱容器、控制系統及管道等組成。目前，我國投入使用的太陽能熱水系統僅提供生活熱水的家用小型太陽能熱水系統。據統計，2012年太陽能熱水器產量約4968萬m2（2484萬臺），以2012年全國太陽能熱水器保有量2億m2測算，每年可節能3000萬t標準煤，減少CO2排放7470萬t，具有良好的經濟效益、社會效益和環境效益。從系統規模化降低成本以及系統控制的角度，集中式太陽能熱水系統優于家用小型系統，以單棟集合住宅等為供熱基本單元的集中式太陽能熱水系統開始在國內工程中得到應用。隨著城市高層建筑的普及，人均屋面面積越來越少，集熱器采光面積與采暖面積配比受到限制。因此立面太陽能熱水系統可能將成為未來發展的熱點，要做到集熱器與建筑立面相匹配，立面系統對太陽能熱水系統要求較高（集熱器設置于外墻表面會引起圍護結構熱工性能的變化以及安全方面問題等等），必須對傳統模式加以改進；同時應調整太陽能集熱器的形式使其與墻面的色彩和風格協調一致；太陽能熱水系統配備的電纜、設備及輸水管路等應與建筑物其他管線統籌安排、集中布置，便于安裝維護。

2.2太陽能采暖技術

太陽能采暖分為主動式采暖和被動式采暖。被動式采暖通過建筑物朝向和周圍環境的合理分布、立面處理以及建筑材料與結構的恰當選擇，使建筑物合理汲取存儲熱能，解決采暖問題，同時減少常規能源的使用達到建筑節能目的。其形式有太陽房、太陽能溫室、太陽干燥等。其共有特點是控制陽光和空氣合理地進入建筑物并儲存、分配熱量。系統所需設備簡單，投資低，適用于中小型住宅建筑。不足之處是太陽能利用率低，室內溫度波動大，舒適性差，夜晚或連續陰天時無法維持室內溫度。主動式采暖需要借助機械設備實現太陽能采暖，其采暖系統一般主要包括太陽能集熱器、儲熱水箱、風機、管道、水泵、換熱器及控制系統等部件。系統多采用水作熱媒進行采暖，往往采取太陽能地板輻射采暖方式。盡管我國是太陽能熱水器生產和應用的第一大國，但人均集熱面積不到0.06m2，僅相當于日本、以色利等國的1/20。我國主動式太陽能供熱采暖系統發展緩慢，其工程應用尚處于起步階段。目前已建成了若干單體建筑太陽能供熱采暖試點工程，如北京清華陽光能源開發辦公樓，北京市平谷縣將軍關，門頭溝新農村等太陽能采暖項目，但是太陽能區域供熱采暖工程還沒有應用的實踐。太陽能采暖系統的主要障礙并不在于技術本身，而在于投資費用過高，春、夏、秋季熱水過剩等問題，可以通過季節蓄能技術與地源熱泵、生物質能等其他可再生能源的互為補充來實現全年的綜合利用。

2.3太陽能制冷技術

太陽能制冷主要包括太陽能光伏系統驅動的蒸氣壓縮制冷、太陽能吸收式制冷、太陽能蒸汽噴射式制冷、太陽能固體吸附式制冷、太陽能干燥冷卻系統等。基于經濟性、可靠性及實用性等因素的考慮，太陽能溴化鋰吸收式制冷技術研究和應用相對較多，發展也較為成熟，目前國內已有廠家實現了產品化。在太陽能溴化鋰吸收式制冷系統中，太陽能集熱器對于技術的發展有較大限制。平板集熱器在超過90℃的高溫下效率過低，真空管集熱器與聚焦集熱器在國際上成本普遍較高，因此太陽能驅動的溴化鋰吸收式制冷系統，目前應用較多的是單效溴化鋰吸收式制冷系統。北京太陽能研究所曾成功地在山東乳山完成了一個太陽空調示范項目，集熱器面積為540m2，由2160根熱管型真空管組成的高效集熱器陣列，可提供88℃的高溫熱水，集熱器在88℃的高溫下集熱效率可保持在40%。溴化鋰吸收式制冷機采用大連三洋單效機組，太實現了100kW空調制冷或采暖量，可供給1000m2面積空調，每日可供生活熱水32t。endprint

2.4光伏建筑一體化（BIPV）技術

作為太陽能發電的一種新理念的光伏建筑一體化，就是將太陽能光伏發電方陣安裝在建筑的維護結構外表面來提供電力，屬于分布式發電的一種[6]。BIPV系統一般由光伏陣列、墻面（屋頂）和冷卻空氣流道、支架等組成，與建筑完美的結合在一起。具有建筑、節能、技術、經濟和環保相結合的優勢，可以有效利用圍護結構表面，減少土地資源的占用；有效降低圍護結構溫升，改善室內環境；無污染，無噪音，可有效降低建筑物對一次能源的依賴，同時可減輕公共電網的壓力。例如：上海世博園區作為亞洲最大的光伏建筑一體化工程，是“綠色世博”、“生態世博”理念的直接展現者。園區中國館、主題館、世博中心和未來館四座標志性建筑上大規模應用太陽能建筑一體化技術，太陽能電池板總裝機容量4.6MW，年均發電達406萬kW·h，減排CO2總量逾3400t，大大緩解電網壓力的同時實現了良好的環境效益，使發電與建筑完美地融為一體。

截止到2011年，我國光電建筑已建成的裝機容量為535.6MW，在建筑中的應用尚處于示范與探索階段。從發展趨勢來看，今后光伏建筑技術的重點將以開發高效率、低成本新型光伏電池為主，在應用上將以并網屋頂系統和大型并網系統為主攻方向。

2.5地源熱泵技術

地源熱泵作為一種利用可再生能源的暖通空調新技術，是建筑節能領域的高效節能技術之一[7]。地源熱泵技術是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩定的特性，通過電能輔助，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱的地方，在夏天還可以將室內的余熱轉移到低位熱源中，達到制冷降溫的目的。地源熱泵系統可分為3種：以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵；以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統；以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統。地源熱泵系統一般由三部分組成：室外地溫能地下換熱系統、水環管路與水源熱泵機組和室內采暖空調末端系統。具有能量消耗低，運行靈活，經久耐用，全年滿足溫度要求等優點。世界上最大的地源熱泵系統位于美國的路易維爾市，它使用地下水作為熱源，空調面積達161650m2，系統制冷和制熱量分別為15.8MW和19.6MW。在15年的運行中沒有發生系統問題，與臨近的一棟相似的建筑相比節約了47%的能源。

根據相關報告顯示，2011年年底，我國地源熱泵總應用面積為2.4億m2，“十二五”期間將完成3.5億m2，發展潛力巨大。但是地源熱泵極強的地域適用性限制了它的使用區域。此外要促進地源熱泵的推廣還需要構建統一的地源熱泵標準體系，開展地源熱泵大規模應用對巖土長期影響的評價研究，制定相關技術與政策管理策略。

3可再生能源在建筑節能應用中存在的問題

（1）成本過高是可再生能源技術在建筑節能中應用的首要問題。目前太陽能光伏發電系統在建筑中使用時，由于造價過高，不能產生規模效應，所產生的電能效益與其系統造價嚴重脫節，投資回收極其困難；太陽能光伏電池制造成本雖逐年下降，但仍處于較高的水平，相應的發電成本與常規能源尚不具備可比性。太陽能采暖技術現仍處于試點階段，同地源熱泵都存在系統復雜，設備眾多，初投資巨大且回收期較長的缺點，使其擴大推廣的阻力增加。

（2）可再生能源的自身特性對其利用影響較大。就太陽能而言，輻射能量密度較低，需要較大的采光面積，而且太陽能具有不穩定性和間接性，隨季節、氣候、晝夜變化而變化，這與建筑太陽能可利用面積有限，所需能源的持續性產生矛盾，為太陽能利用增加了難度。在對地熱能利用過程中，由于地下巖土層導熱系數很小，熱容量極大，熱擴散能力極差，因此從地下取熱需要大量的埋管，初投資偏大、需用大面積土地；同時對冬夏負荷不平衡的情況下，會造成地下能量積聚，歷年累積的負荷總量隨時間增加而累加，可能導致大地失去自然調節能力，致使地源熱泵運行困難，造成夏季所需水源溫度過高，系統難以運行等問題。

（3）技術問題。目前在建筑光電利用過程中光電轉化率較低，用于商業生產的太陽電池板效率只有13%～15%，發電裝置產生的電能與建筑系統自然對接技術有待提高。而對于地源熱泵來說，對當地地質及氣候條件依賴性強，運行過程中泵體及管道極易結垢、堵塞、腐蝕，大大地降低換熱器的傳熱性能，使得系統效率下降，無法實現持續穩定的能量利用。且地源熱泵受到自身系統深埋地下（水下）的特點的影響，無法回避設備維護維修極其不便的缺點。對于水源熱泵，實際工程中回灌堵塞問題沒有根本解決，存在地下水直接由地表排放的情況，這將加重地面沉降對周邊環境的影響。目前國內缺少對地源熱泵系統性能專門的評價標準對行業約束形成有效約束，技術在推廣方面存在盲目性。

此外，新能源利用裝置的最長設計壽命只有20年，在此期間，因為工作環境的變化等會對設備產生一定的影響，最終導致使用壽命減少，無法實現整個建筑生命周期的全過程、最大化節能利用。

4總結與建議

2014年1月綠色科技第1期在建筑能源消耗大，能源緊缺的形勢下，把可再生能源應用于建筑節能是必然的發展趨勢。太陽能、地熱能等可再生能源在建筑上的有效應用，不僅可以代替有限的傳統能源，提高城鄉居民生活質量和住宅舒適度，而且可以減少污染物的排放，保護生態環境，可再生能源的開發和利用具有廣闊的前景和深遠的意義，必將在我國的建筑節能事業中發揮巨大的作用。作為建筑節能中的重要技術措施，可再生能源在利用時，也應注意以下3個方面。

（1）因地制宜就地利用。可再生能源在應用時，應充分考慮當地的能源狀況和氣候條件，有選擇、有側重地利用可再生能源，盡量做到就地利用。

（2）多種可再生能源相結合。將分項技術整合，發揮各可再生能源的優勢，彌補單一形式效率較低的缺陷，以期獲得更大的經濟和社會價值。

（3）新技術研發。加大可再生能源利用的新技術研發資金投入，優化系統模式，提高可再生能源的利用效率。

參考文獻：

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[3] 住房城鄉建設部.[2011]61號文件，關于進一步推進可再生能源建筑應用的通知[R].北京：住房城鄉建設部，2011.

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[5] 何江.太陽能建筑一體化技術應用[M].北京：科學出版社，2012.

[6] 韓利，艾芊.光伏技術在節能建筑中的應用術[J].低壓電器，2009（2）：5～8.

[7] 李元普，王曄華.中國地源熱泵發展 [J].建設科技，2009（10）：59～61.

[8] 付祥釗.可再生能源在建筑中的應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.endprint