可再生能源在超低能耗建筑中的應用研究

文麗

（太原學院建筑與環境工程系 山西太原 030032）

伴隨著建筑能源消耗問題逐漸被更多人關注，建設綠色建筑的需求程度日漸增長，行業內的技術研發人員以超低能耗甚至是零能耗為建筑結構、系統和體系的設計目標，引入多種資源類型。而可再生能源因其能夠循環利用，現已成為可利用資源的重點研究對象。可再生能源包含水能、生物質能、海洋能、風能、地熱能、太陽能。在建筑領域太陽能、風能、地熱能的應用較為廣泛，技術人員通過設計各類建筑系統結構，從能源利用端著手，降低建筑能耗，滿足超低能耗建筑建設需要。

1 太陽能在超低能耗建筑中的應用

太陽能占據可再生資源中的絕對比例，其來源較為豐富，且轉化為其他能量的過程中無污染風險，屬于最為常見的綠色能源之一。現階段，太陽能應用于超低能耗建筑中主要以空調和供電系統形式發揮作用，下文將予以細致說明［1］。

1.1 太陽能空調

1.1.1 暖通空調

暖通空調的應用是在太陽集熱器的熱能收集與轉化作用下，為系統提供運轉動能的過程。共分為2 種形式：①主動式，即以供電技術作為輔助技術手段，通過設計構建熱水循環泵系統為建筑不斷供熱；②被動式，即借助科學建筑空間規劃技術，收集利用外部環境中的太陽能，從而達到供暖目標。

以某太陽能暖通空調為例，說明其太陽能的具體應用方式。此太陽能暖通空調的運行原理見圖1［2］。

圖1 太陽能暖通空調的運行原理圖

整個暖通空調系統中的閥組均為通斷型閥組，生活熱水熱泵機組和供暖空調熱泵機組共同作用，達到制冷制熱機組穩定運行的效果。在接收太陽能后，基于太陽能光生伏特效應使得PVT 組件陣列能夠實現能量轉化，太陽能轉變為電能。直流電流流經逆變器將轉變為交流電流形式，以此與國家電網連接，實現從電網取電維持第一二水泵、生活熱水熱泵機組和熱泵機組正常運行的目的。

在所設計的太陽能暖通空調基本結構的支持下，能夠切換不同工況：

（1）供熱源為PVT 熱泵：此種模式主要在供暖季開啟，在PVT 組件陣列的溫度觸及開啟臨界點后，系統開啟第一二水泵、第一二五閥組、供暖空調用戶末端和供暖空調熱泵機組。

（2）供熱源為土壤源熱泵：此種模式主要在供暖季開啟，并通過開啟第一二水泵、第二四五七八九閥組、供暖空調用戶末端和供暖空調熱泵機組實現。

（3）制冷源為土壤源熱泵：此種模式主要在供冷季開啟，通過開啟第一二水泵、第二四五七八九閥組、供暖空調用戶末端和供暖空調熱泵機組實現（土壤源熱泵供暖模式和土壤源熱泵供冷運行模式原理見圖2）。

圖2 土壤源熱泵供暖模式和土壤源熱泵供冷運行模式原理圖

（4）PVT 土壤補熱：此種模式在非供暖季開啟，在PVT 組件陣列的溫度觸及開啟臨界點后，系統開啟第一水泵、第一三七八九閥組。

（5）PVT 熱泵供生活熱水：此種模式為全年開啟狀態，在PVT 組件陣列的溫度觸及開啟臨界點后，系統開啟第一水泵、第一六閥組以及生活熱水熱泵機組。

（6）土壤源熱泵供生活熱水：此種模式為全年開啟狀態，通過開啟第一水泵、第四六七八九閥組以及生活熱水熱泵機組實現［3］。

以上運行模式的開閉要結合土壤溫度變化、PVT 組件陣列溫度變化和外部環境溫度變化情況而定，具備運行穩定性高、用電能耗低、太陽熱能和土壤熱能提取利用率高的特點，符合超低能耗建筑暖通空調系統的應用需要。

1.1.2 冷凝水分級回收空調

我國部分地區的淡水資源較為匱乏，普通城市建筑中水源多來自于市政自來水，大量用水將加大用水壓力，因此為提高供水系統的穩定性，設計應用冷凝水回收空調系統十分必要。目前，常見的空調機組在處理冷凝水方面以直接排放室外為主，對冷凝水的利用率較低。部分空調機組應用冷水噴淋至蒸發冷凝器的方式達到能耗降低目的，但此種方式并未將其余冷量有效利用，不滿足超低能耗建筑建設的要求［4］。因此，通過與建筑維護結構相適應，設計光-電太陽能板將減小不可再生能源消耗，有助于全面降低建筑能耗。

以某光-電太陽能板與建筑圍護結構聯合應用的空調系統為例，說明冷凝水回收系統的實踐應用。此系統包含輔助電源、控制主板、光-熱太陽能集熱器、光-電太陽能板、空調室內機組模塊。其中，空調室內機組模塊中設有驅動泵組和電磁閥組，驅動泵和電磁閥的數量分別為4 和9 個，共同組成冷凝水回收管路。脫鹽箱中的離子反滲透膜為關鍵過濾除鹽結構，當水流經此處后，符合反滲透膜粒徑范圍的微粒通過，其他微粒被隔離。逆變器的外表面與蓄電池組均與容納槽內部緊貼，共同設置在低溫儲水箱下側。緊密貼合的連接狀態將在低溫水箱箱中流動冷凝水時，將所產生的熱量帶走。電磁閥、飲用水箱置于應用水管路內部，與生活水管路中的電磁閥、生活熱水箱組成整體管路，與脫鹽箱連接。初級過濾器的作用是初步凈化空調機組產生的冷凝水，并在回收管路處匯集。受電磁閥控制由驅動泵提供的壓頭，完成初處理冷凝水進入低溫儲水箱的動作［5］。光-熱太陽能集熱器與熱水鍋爐通過輸水管路連接，鍋爐中的小型循環水泵可加熱水箱和光-熱太陽能集熱器，空調調控人員根據操作界面所顯示的蓄電池剩余電量、蓄電池表面溫度、逆變器表面溫度、水箱溫度、水箱水位等信息，判斷當前空調機組的運行情況。

將以光-電太陽能板為能量來源的帶有冷凝水回收系統的空調機組應用于建筑工程中，其可實現溢流工況、制水工況和輔助工況。其中，溢流工況是在低溫儲水箱中水位達到極值后，將存滿信號傳遞給內部的傳感器，傳感器向系統控制中心發出信號，開啟處于溢流管處的電磁閥，排出多余冷凝水，保持低溫儲水箱的吸熱效能。

制水工況是在控制主板接收到室內機組給出的啟動信號后，開啟控制驅動泵，啟動空調系統和冷凝水收集處理系統，回收管路處匯集冷凝水，并經由驅動泵、電磁閥和初級過濾池匯入低溫儲水箱。進入儲水箱的冷凝水在二次過濾的作用下，經活性炭過濾器輸送至太陽能熱水鍋爐，通過煮沸蒸騰作用，將冷凝水中的細菌病毒殺死［6］。此環節的能量提供為光-熱太陽能集熱器設備，蓄電池維持電路供電能力。繼續流入至脫鹽箱后，冷凝水轉變為可供盥洗和飲用的精加工水。

輔助工況是在低溫儲水箱出現沽空情況后，傳感器接收水位過低信號，將其作為控制命令，執行關閉儲水箱電磁閥的命令。

1.2 風力-太陽能光伏供電系統

當下建筑節能降耗的一大方向為形成一體化能源控制利用結構、將能源的作用發揮到最大、設計互補供能的體系。其中，風光互補供電系統的設計與應用是研究的重中之重。

以某風力-太陽能光伏供電與建筑結合的形式為分析案例，說明風能和太陽能如何與建筑形成一體化運行體系。首先，此系統由放電控制器、逆變電源、蓄電池組、太陽能電池組和風能發電機組成。在充電控制器的控制下，蓄電池組中的電能來源于太陽能電池組和風力發電機，經直交流轉換后，逆變電源輸出交流電流，經由配電器分配給建筑內的所有用戶。其中，風力發電機由發電機、尾翼、風架和支架構成，啟動風速為3 m/s，額定風速為40 m/s，風速可處于3～25 m/s 的范圍內，風力直徑約為2 m，輸出電壓為AC 24 V/36 V，輸出額定功率為150 W。風力資源聚集地處將尾翼和風槳固定。太陽能電池組的主要材料為單晶硅，該模塊的輸出功率為150 W，空載電壓處于30～40 V 的范圍，短路電流為5 A。蓄電池組的容量為300 Ah，工作電壓為24 V，主要材料為鉛酸。逆變電源是將直流電流轉變為交流電流的核心組件，組件中包含CPU 控制、保護電路、逆變電路和濾波電路［7］。

實際應用中應當從光伏建筑一體化和風能建筑一體化2 方面予以細致探索。設計安裝光伏器件的工作質量將決定一體化水平，通過在建筑外表面安裝光伏器件的方式，搭建光伏墻和光伏屋頂，形成建筑體與太陽能有機結合的整體結構。光伏墻指的是在外墻表面安放電池組，組合成幕墻結構，一般設置在南墻面，充分利用此方向上采光的優勢。并將光伏組件外表面設計為半透明或透明材料，調整組件間距，防止過密影響透光效果。光伏屋頂的設計安裝是將太陽能電池組置于屋頂防水層上，組合成陣列，提高太陽能接收水平。光伏列陣架設于外維護結構上，吸收散射光和直射光，在不浪費土地資源的基礎上，為低層建筑住戶采光效果提升起到促進作用。而光伏組件在吸收太陽能后，經供電系統轉變為電能，可供整棟建筑人員使用。

風能建筑一體化設計主要是在遮陽結構、屋頂、玻璃窗和墻體上融入光伏組件，在綠地、前后院等位置設置風能組件。且風能組件一般設在距離主體建筑有一定距離的位置，不僅解決因組件過大、美觀性無法保障的問題，還能夠避免受到建筑體風能阻擋作用的影響，提高可利用風能的水平。建筑高度與風能資源間具備正相關關系，建筑體高度越高，高處可利用的風能總量越大，因此，要將風能組件安裝于屋頂。由于城市建筑以集群方式存在，整體密度較大，對風能利用起到抑制效果。如此，要將風電機組按照風道垂直方向設立，配合風場分布狀況，確定安放位置。

為實現一體化供電系統建設目標，在系統運行層面要秉持著安全穩定原則，所形成的系統結構要方便檢修和后續維護工作開展，著力應對公共電網并網難題，為系統增添自動化和智能化色彩；在結構層面，要根據建筑體承重和防水性能，探究自然災害對電池板的沖擊作用，考量現有結構的抵御能力，以此正確安裝光伏電池板；在管路層面，要注意控制管路運行后的可能損失，通過預留太陽能管路的方式，避免電量損失過大；在外觀層面，要結合建筑體的結構形態，從美觀角度考慮如何在不遮擋視線、不損害外觀整體性的基礎上，確定光伏電池板的安裝地點。

2 自然通風系統

對于高層建筑來講，通過布控空調機組的形式調節室內溫度和濕度將加大建筑體總體能耗，為此，應用自然通風系統可在室內創設良好舒適的半戶外環境，降低空調系統的使用頻率，以此降低總體能耗。

結合風廊對內外風環境的作用機理，設計滿足不同建筑結構的風廊，置換室內污濁空氣的同時，將熱量帶走，調節室內溫度和濕度，為建筑內部熱舒適性目標達成給予支持。具體按照圖3 所示充分利用自然風，為建筑內外風環境優化提供支持。

圖3 建筑辦公室室外及室內風廊模式示意圖

圖3 中，（a）為風廊貫通建筑，背風面和迎風面在氣流連接下貫通，適用于炎熱天氣，具備半室外活動環境的特點；（b）為室外與中心豎高庭連通的形式，通過設置多個水平廊道，室外風可從不同方向進入到室內；（c）為風廊中心布置形式，室外與室內連接依靠進出風口，風口設置在單元頂端和底端；（d）為風廊外圍散布形式，適用于風向多變的建筑體中。此種風廊對于提升熱壓通風效率起到促進作用，太陽能煙囪的形成支持熱壓通風效率的提升；（e）為垂直風廊與水平風廊相互作用的形式，熱壓與風壓共同作用，形成協同效應。依據風向條件選定風口的具體朝向。

3 結語

綜上所述，太陽能、風能是可再生能源應用于超低耗能建筑結構中的兩大能源類型。為保證建筑體能耗降至最低，利用太陽能設計光伏板，鋪設于建筑體上，不斷為建筑提供電能；利用太陽能設計無需電能驅動的空調機組，節約電能，并通過設計應用冷凝水回收系統，提高水資源利用率，契合超低能耗建筑運行特點。利用自然風設計滿足建筑不同結構環境的風廊，充分借助自然風，調節室內溫濕度，力求降低建筑整體能耗。