建筑設計中可再生能源的利用探究

王雪梅 吳海燕

(1.上海聯創設計集團濟南分公司，山東 濟南 250014；2.濟南市規劃院，山東 濟南 250100)

建筑是全球能源需求不斷增長的關鍵驅動因素，而建筑行業內部的發展，例如空調使用數量的增加正在對全球能源和環境趨勢產生重大影響。根據國際能源署(IEA)發布的《2019年全球建筑現狀報告》數據顯示：建筑行業仍然占據與能源相關的二氧化碳排放總量的39%，以及終端能源消耗量的36%。追求更高能效的建筑一直是世界各國降低能耗，應對氣候變化的重要手段之一。2019年，首部引導性建筑節能國家標準《近零能耗建筑技術標準》GB/T51350-2019頒布，政策標準的頒布在很大程度上可推動可再生能源在建筑設計中的利用。

1 可再生能源在建筑設計中的重要性

可再生能源具有環保、節能等突出特點。我國越來越多地方相繼出臺了關于支持超低能耗建筑發展的專項規劃、實施方案及指導意見等綱要性文件。截止到2020年6月，我國共有10個省及自治區和17個城市出臺了共計47項政策，對超低能耗建筑項目給出明確發展目標或激勵措施。政策文件上的支持促使要注重可再生能源的利用。

其一，將可再生能源應用于建筑設計中，能夠極大程度地緩解因建筑物建設帶來的環境污染，通過利用可再生能源，提高了能源的利用效率，為促進建筑物實現零能耗、超低能耗有十分明顯的幫助，有效降低建筑物施工過程中能源浪費水源污染等問題。同時，利用可再生能源不僅能夠滿足建筑低能耗的需求，也進一步降低了建筑耗能，對推動建筑行業的可持續發展也有重要意義。

其二，通過在建筑設計中合理、恰當、科學、有效的利用可再生能源，不僅能夠幫助建筑工程達到節能目標，與我國提出的相關政策要求一致，還能極大程度地減少能源浪費，改善能源結構。

2 可再生能源在建筑設計中的利用

2.1 太陽能的利用

通過對太陽能的深度利用，從而實現將其轉化為熱能、化學能、電能、機械能，極大程度地降低建筑物耗能。特別是通過利用光伏發電，對于解決能源短缺和環境污染有重要價值。太陽能具有光伏清潔、安全、便利、高效的特點，不僅已經成為新興產業之一，利用光伏發電對于平衡建筑能耗有重要價值。據統計自2013年起，我國光伏發電新增裝機容量連續4年超過10GW，穩居全球第一。通過將春夏秋三季的太陽能儲存起來，從而在冬季用于集中采暖的熱水供應，是目前我國常用的一種太陽能光熱系統形式，這種方式能夠實現可再生能源的最大化利用。

在建筑設計中利用太陽能，首先，需要明確太陽能應用的建設設計結構，目前主要是分為5個部分，包括采光裝置或者是集光裝置、吸收熱量裝置、存儲能源裝置以及調控裝置，其中吸收裝置的作用在于吸收能源，因此考慮到能夠獲得最佳的能源吸收效率，其顏色通常為黑色，而為了保證能夠獲得最佳的資源儲備利用率，太陽能的建筑設計結構的蓄熱裝置一般采用為導熱性較差的材料。也正是因為在建筑設計中太陽能的利用原理相對簡單，且能量獲取的過程也相對簡單，加上成本較低，因此是一種被廣泛應用的可再生能源。其次，為保證太陽能的利用最大限度的發揮出來，在進行設計的過程中，需要盡可能的避免建筑的光遮擋現象，因此必須要保證建筑的設計方向為坐北朝南。另外在設計吸收裝置的過程中，也需要充分結合當地的天氣情況，建筑類型以及對能源的需求量作為參考的重要標準。最后，在信息設計的過程中，還需要盡可能保證設計形體的緊密型，一定要嚴格按照室內的不同區域的功能進行劃分。

例如天津水岸恬園二期92#樓和天津生態城15號地塊二期2B期兩個住宅項目80%以上的生活熱水由太陽能光熱系統供應。可以發現，隨著對太陽能利用的研究不斷深入，利用太陽能已經不僅僅局限于太陽能熱水器或者是太陽能電池的安裝，而是將其與建筑物實際情況結合，將太陽能靈活應用其中，最終實現整個建筑物與太陽能的完美結合。

2.2 風能的利用

通過使用可再生能源系統對建筑能源消耗進行平衡和替代是近零能耗建筑發展的重要趨勢。風能作為可再生能源之一，在建筑設計中的合理優化利用，不僅能夠讓建筑物達到預期效果，還能夠有效降低機械能源的消耗。通過合理利用風能，采取自然通風的方式有效達到預期的效果，其中實現對主體結構與門窗等部位的合理設計，能有效提高自然通風的水平，從而實現建筑物整體在自然通風的條件下展現出更好的舒適性。

通過在建筑設計中應用風能，利用室內的通風換氣，形成良好的自然通風，能夠在很大程度上降低室內的溫度濕度以及促進室內空氣更好的流動，減少空調系統的應用節約電能有重要的意義。在進行建筑設計的過程中，需要充分考慮到當地的氣候條件以及風的特征，進行合理的建筑類型設計，從而確保每一個建筑單體都具有良好的通風效果。在具體設計的過程中，可以通過利用建筑物的背陽面和向陽面的壓力差，從而形成空氣的驅動，有利于建筑物內部更好的空氣對流。對于密集建筑群體而言，空氣的流動性本身較大，這種情況下則可以在建筑物中通過安裝補風裝置的方式，有利于增加內部的空氣對流。在進行建筑物規劃過程中，需要結合工程區域的風向特點，加強建筑物群體與建筑單體體量之間的組合與聯通。通過合理的設置建筑物的朝向以及間距，進一步細致分析建筑物的圍護結構，從而合理地設計建筑物門窗的高低以及面積，最大限度地保證室內有良好的空氣流通質量。

例如，由湖南省建筑設計院有限公司(以下簡稱HD)設計的澳門石排灣凈水廠工程為澳門特別行政區內大規模(13萬m3/d)、高水質(優于澳門當地的飲水水質標準)市政供水項目，見圖1。其在風能的利用上，考慮到該項目各季節的建筑前后壓差都較有利于室內自然通風，因此該項目主要考慮風壓通風，通過設置外窗開啟實現被動式通風節能，項目建筑周圍立面的通風口分布易形成“穿堂風”，有利于室內自然通風。另外該項目將主要功能空間辦公區域等布置在建筑的迎風面，通過設置外窗開啟實現被動式通風節能。

圖1 澳門石排灣凈水廠工程設計圖

2.3 地熱能的利用

地熱能也是目前建筑設計中廣泛應用的一種清潔能源，通過利用地源熱泵技術有效降低建筑能耗。通過借助地源熱泵技術，從而將原本低質的熱能轉化為高品位的熱能。地熱能作為一種可再生資源，可實現隨時的利用，并且在使用的過程中也不會產生任何可能影響到環境的物質。而使用地源熱泵進行運轉的相關儀器設備，在運行的過程中也不需要水，不會影響到水資源的利用，環保性能十分明顯。前期在設計階段，通過對建筑物所在的水文地質進行勘測，制定地熱資源的合理利用方案。

關于對地熱能的深度利用，目前使用的案例中可以參考北京大興國際機場中建立的地源熱泵工程1號能源站，該工程就是在充分挖掘并利用地熱能作用的基礎上建立的工程，通過利用地熱能建立的熱能中心，通過提取淺層的地熱能有效實現對大型機場接近250萬m2范圍內的制熱和制冷。利用地熱這種清潔且可再生的能源，比起既往采用的天然氣能夠發揮出更加明顯的價值，另外還可直接節省對天然氣的使用，也減少了使用煤帶來的碳排放。也正是因為地熱有著十分優異的性能，在北京多個地區，將進一步規劃和建設基于清潔能源的供應系統，通過挖掘淺層中深層地熱能，作為供熱的基礎熱源。

特別是近幾年來我國一直都通過利用各種手段有效推動綠色建筑的發展，綠色建筑的終極目標就是實現可持續性。通過合理且高效的利用地源熱泵實現對建筑供暖，將極大程度地實現建筑節能。

2.4 生物質能的利用

生物質能的主要應用是將砍伐木材或農林剩余物進行物化處理加工之后將其應用于建筑物中，從而有效減少石化能源的使用量。目前生物質能更多的使用價值是實現部分替代工業燃料，減少燃煤、燃油、燃氣的消耗，降低企業減排成本。在建筑設計中的應用不及太陽能的占比高。基于生物質能而研發的各種生物質能源技術可滿足特殊用戶的需求。生物質能分布比較分散，但是來源廣泛，因此需要有針對性的進行利用。在利用生物質能方面，可以將其作為居民生活燃氣以及供熱工業窯爐的燃料等。在進行垃圾處理的過程中，為避免影響到周圍環境，也為了保障建筑物有達到綠色性和環保性的要求，在進行設計的過程中，需要充分考慮到建筑物垃圾的重量種類以及處理方式，從而利用生物能的運行系統以及開發系統最大限度的利用建筑垃圾，從而減少能源資源的浪費。

但是，目前整個建筑市場中針對生物質能的應用率并不高，這是因為我國生物質能產業仍然處于初步階段，商業模式尚不成熟。面對這種情況，想要提升生物質能在建筑設計中的應用率，就需要提高生物能源設備系統集成能力，為進一步提升對生物質能的利用率，需要研發與設計使用生物質能的相關儀器設備，只有完善了相關的配套設備的研發與制造，才能夠進一步提高生物質能在整個市場中的利用率。另一方面還需要構建起生物質能相關的市場網絡體系在進一步完善對生物燃料的收集以及加工的投資，提供相應的售后服務，保證整個鏈條的完整性，這樣才能夠深入挖掘出生物質能的應用價值，而這對于進一步完善我國整個生物質能的應用市場有重要意義。

3 可再生能源在建筑設計利用中的注意事項

考慮到社會的快速發展，導致能源的消耗速度也在不斷的增加，通過借助先進的科學技術，極大程度地提高了對再生能源的利用效率。其中建筑行業作為促進經濟持續發展的重要行業，也是能源消耗最大的行業之一，現代建筑設計工作不僅要能夠滿足人們最基本的居住問題，更加需要為人民群眾提供高品質的生活。因此在進行建筑設計的過程中，不僅需要充分合理的將綠色環保的設計理念與材料相結合，更需要注意不同可再生能源在建筑設計中的具體利用，最大限度的發揮出不同可再生能源的應用價值。

在進行設計的過程中，建筑物采用的新風系統需要與通風設備匹配，避免空調系統使用的功率過大而導致不必要的資源浪費。另外，在應用不同的可再生資源的過程中，一定要充分結合當地的氣象資料，明確當地可再生能源的條件，了解其中可再生能源的優勢與劣勢，從而采取針對性的方案，最大限度地發揮再生能源的作用。

4 結 語

可再生能源作為我國建筑節能中一個十分重要的部分，通過利用有限的資源以及較少的能源消耗，從而對獲得較大的經濟和社會效益有著重要意義。可再生能源在建筑設計中的應用必然會成為建筑行業中的主流趨勢。特別是隨著社會的不斷發展，不可再生能源的消耗量越來越大，環境污染問題也越來越受到全社會乃至全世界的關注，實現綠色建筑必然會成為建筑行業發展的主要方向，而通過利用可再生能源，將成為保證建筑行業良好發展和維護環境的重要基礎之一。因此，在進行建筑設計的過程中一定要基于綠色建筑的理念，在建筑設計時充分、合理、有效的利用各種可再生能源，并合理的應用到建筑物當中，從而最大限度發揮可再生能源優勢，降低能源消耗，為建筑行業的可持續發展提供重要動能。