建筑節能與建筑設計中的新能源利用

吳修孟

建筑節能與建筑設計中的新能源利用

吳修孟

面對著能源短缺的現狀，建筑節能減排成為必然趨勢。在建筑設計中利用新能源實現節能減排的目標是一項重要的措施。本文主要結合筆者多年工作經驗闡述了建筑節能設計中的新能源的利用。

建筑；節能；設計；新能源；太陽能；發電

引言

從狹義的角度，新能源包括風能、太陽能、潮汐能、地熱能等等，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。以下主要闡述新能源在建筑節能設計中的利用。

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，但需采用先進方法和技術進行開發利用、對環境和生態友好、可持續發展、資源豐富的能源。即：在新技術基礎上，系統地開發利用的可再生能源，如太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能、氫能等。我國定義的新能源：除常規化石類能源和大中型水力發電、核裂變發電之外，太陽能、風能、地熱能、海洋能、潮汐能、生物質能、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，可供人類永續利用；能量密度低，開發利用需要較大空間；不含碳或含碳量很少，對環境影響小；分布廣，有利于小規模分散利用；間斷式供應，波動性大，對連續供能不利；目前除水電外，可再生新能源的開發利用成本較化石能源高。

1.3 發展新能源必要性

發展新能源是實現低碳經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，以應付糧食危機；④發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濟發展方向。

1.4 我國新能源發展趨勢

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

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

2 建筑節能的意義

我國目前處于工業化、城鎮化快速發展階段，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。據統計，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、熱水供應、炊事、照明、家用電器、電梯、通風等方面的能耗。據統計，我國建筑能耗在總能耗中所占的比例已經達到27.6%，并且這一比例還將提高。因此，建筑節能對應對全球氣候變化和實施可持續發展戰略都意義重大。

無論是“綠色”，還是“低碳”、“生態”，其理論核心是基本一致的，即通過城市生態環境保護，通過節能減排，通過資源循環再生利用，實現人與自然的和諧相處，建立資源節約、環境友好、社會和諧的現代城市，實現經濟社會可持續發展。建筑層面的綠色和低碳設計主要體現在太陽能利用裝置、風能利用裝置、地熱利用裝置、能量循環利用裝置等，實現“低能耗、高舒適度”的完美結合，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計中，可再生能源應用是重要和必不可少的。地源熱泵成功應用于奧運網球中心、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 建筑節能設計中的新能源的利用

3.1 太陽能利用

太陽能在建筑節能中的應用形式主要分為太陽能光熱應用和太陽能光電應用。

3.1.1 太陽能熱水系統

太陽能熱水系統是太陽能光熱利用最成熟的方式之一，因其技術成熟且經濟效益顯著（一般投資回收年限3～5年），已實現大規模商業化應用。太陽能熱水設備由集熱器、蓄熱水箱、循環管道、支架、控制系統及相關附件組成，必要時還要增加輔助熱源。太陽能熱水系統按運行方式有三種：自然循環式系統、直流式系統和循環換熱式系統。

3.1.2 太陽能熱水系統建筑一體化

通過太陽能熱水器與建筑一體化的設計，可將太陽能熱水器與建筑充分結合，實現整體外觀的和諧統一。太陽能熱水系統的建筑一體化，可通過將建筑使用功能與太陽能熱水利用有機結合，形成多功能的建筑構件，巧妙高效的利用空間，使建筑可利用太陽能的部分——向陽面或屋頂得以充分利用。

3.1.3 太陽能采暖系統

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

3.1.4 太陽能空氣集熱采暖系統

太陽能空氣集熱采暖系統由太陽能空氣集熱器、風機、散流器、溫控器等部件組成。當太陽能輻射較好時，風機開啟，循環加熱室內空氣，以解決建筑室內采暖問題。太陽能空氣集熱采暖系統具有初投資低（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，冬季不存在凍結特點。

3.1.5 太陽能空調系統

太陽能空調系統目前的主要形式是太陽能吸收式空調，系統主要構成包括太陽集熱器、吸收式制冷機和輔助熱源。一般夏季空調周期，太陽集熱器負責向吸收式制冷機提供所需要的熱媒水，吸收式制冷機負責將吸收制冷轉化后的冷水提供至建筑室內，供空調使用；冬季采暖周期，由太陽能集熱系統直接向建筑供暖。

3.1.6 光伏發電

光伏發電系統由太陽能電池板、充電控制器、逆變器、蓄電池組及線纜等組成；并網光伏發電系統則是將太陽能光伏電站產生的電能通過光伏并網逆變器及控制設備輸送到外部電網上，經過電網進行電能分配至用戶終端使用。光伏發電構件與建筑結合形式有附著于建筑物上的光伏構件以及集成到建筑物上的光伏發電系統，附著于建筑物上的光伏構件是指光伏構件以一定傾角安裝于建筑的諸如屋頂等部位的安裝形式。該形式主要側重光伏構件的太陽能發電量獲取。集成到建筑物上的光伏發電系統是指光伏構件經集成、成為建筑構配件的安裝形式。該形式側重光伏構件與建筑結合的美觀實用性，合理的太陽能發電量獲取。

3.2 結合地源熱泵技術的淺層地熱能利用

淺層地熱能是指地表以下一定深度范圍內（一般為恒溫帶至200m埋深）、溫度低于25℃、在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源。其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫。淺層地熱能通過熱泵技術進行采集利用后，可以為建筑物供暖。淺層地熱能分布廣，儲量大，再生迅速，利用價值大。目前淺層地熱能主要通過水源熱泵和地源熱泵技術采集。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、工業廢熱等）轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節約部分高位能（如煤、燃氣、油、電能等）的目的。淺層地熱能利用與地源熱泵技術結合構成的系統，可為建筑提供采暖、空調和生活熱水。

3.3 生物質能供暖技術

生物質能供暖可利用生物質發電或通過沼氣、生物質燃氣實現。其中，生物質燃氣是一種新興的可再生能源，它以較干燥的（含水率一般< 20%）生物質為氣化原料，其中，主要是農業、林業生產和木材加工的副產物、剩余物和廢棄物，如農作物秸稈、稻殼、玉米芯、枯木、樹頭、枝椏、板皮、碎木、刨花、鋸末等，經干燥、粉碎和去除雜物后，將其投入生物質氣化爐中，并向爐內輸入適量的氣化劑（如空氣、水蒸氣等）點燃，氣化原料在缺氧的條件下進行氧化-還原反應（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，稱之謂生物質燃氣，其主要可燃成分為CO，H2，CH4等。生物質燃氣在發達國家已廣泛用于供熱及發電。

4 結語

隨著建筑工程規模的不斷擴大，能源消耗不斷增加，如何做好建筑節能設計顯得非常重要。利用新能源可以有效的解決建筑能源消耗大的現狀，在建筑中有效的利用包括太陽能、水能、地熱能在內的新能源，可以在節約能源的同時提升人類的生活質量。

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TU201.5

A

1004-7344（2016）15-0297-02

2016-5-12

吳修孟（1975-），男，工程師，大學專科，主要從事建筑設計方面工作。