淺析建筑節(jié)能可再生能源技術(shù)與應(yīng)用

　　關(guān)鍵詞:建筑,節(jié)能,可再生 ,能源,技術(shù)

　　引言

　　采用可再生能源技術(shù)是建造低能耗建筑的重要途徑。利用可再生能源可以減少或完全代替常規(guī)能源，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。在建筑中應(yīng)用廣泛的是太陽能和地能。

　　1.國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　可再生能源的典型代表是太陽能。太陽能的輻射能量層出不窮，但太陽能集熱效能是有限的，太陽能復(fù)合其他能源形式和實(shí)時(shí)儲(chǔ)能是太陽能高效利用的有效途徑，并需進(jìn)一步與建筑環(huán)境協(xié)調(diào)構(gòu)成。國(guó)際上非常重視太陽能與其他能源復(fù)合利用和創(chuàng)建新的集熱形式，提高能源的綜合利用率和經(jīng)濟(jì)性。

　　作為燃燒供熱方式的替代，以巖土為基礎(chǔ)的地下淺層能量開發(fā)利用在國(guó)際供熱供冷工程中得到了極大重視和發(fā)展，熱泵可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和可再生能源綜合利用。在北方地區(qū)，土壤源熱泵存在冷、熱負(fù)荷失衡，導(dǎo)致地溫逐年降低，影響長(zhǎng)期運(yùn)行效能，因此需要融合包含地能、太陽能、余熱能和蓄能技術(shù)。

　　實(shí)施地下蓄能(underground thermal energystorage，UTES)已經(jīng)成為眾多國(guó)家解決地源熱泵能源補(bǔ)充的有效途徑。考慮到北歐和加拿大等國(guó)家和地區(qū)與中國(guó)北方氣候條件相近，在此引述這些國(guó)家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。2002年，瑞典在Emmaboda工業(yè)園區(qū)開設(shè)40口200 m深地下?lián)Q熱器，利用太陽能和電力余熱，實(shí)施地下蓄能，每年冬季供熱量補(bǔ)充約1 500 MWh，夏季提供冷量約800 MWh;在Anneberg地區(qū)的商業(yè)住宅建筑中利用太陽能地下蓄能，開鑿了100個(gè)豎孔U形換熱器，吸收2 400m2太陽能集熱量，每年可彌補(bǔ)70%～80%的熱量，地下?lián)Q熱器選擇在巖體上，實(shí)現(xiàn)地下巖體蓄能應(yīng)用的嘗試。2004年，加拿大Ontario大學(xué)在校區(qū)建成了大型的豎孔式地下蓄能與地源熱泵應(yīng)用系統(tǒng)，共384孔，孔深約213 m，為8個(gè)學(xué)校建筑設(shè)施供熱和暖通空調(diào)系統(tǒng)所用。日本熊本大學(xué)與Fujita公司合作，對(duì)一座新建的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館實(shí)施了地下蓄能和熱泵技術(shù)。

　　事實(shí)上，不論太陽能利用、地能利用，還是地下蓄能、相變蓄能，近些年我國(guó)都已開始了一些嘗試性研究和應(yīng)用，先后開展了一些探索性工作和應(yīng)用，盡管技術(shù)水平有限，但是已經(jīng)有了良好的開端。目前，更加需要一些關(guān)鍵的共性技術(shù)突破，整合和創(chuàng)新相關(guān)產(chǎn)品，優(yōu)化系統(tǒng)，完善應(yīng)用。最近，吉林省的一些建筑工程中，許多建設(shè)者希望選擇節(jié)能環(huán)保的熱泵供熱系統(tǒng)，但苦于沒有成熟的技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，沒能得到實(shí)施，如吉林水產(chǎn)研究所水產(chǎn)培植環(huán)境室建筑、吉林中醫(yī)學(xué)院的藥材種植生態(tài)園建筑、吉林建工學(xué)院節(jié)能生態(tài)示范建筑以及吉糧花園住宅樓宇等。

　　2、太陽能在建筑中的應(yīng)用技術(shù)

　　太陽能可以成為建筑物供熱(生活熱水、采暖)、空調(diào)及照明、供電的主要能源。太陽能與建筑結(jié)合，使建筑物的屋面、墻體、外窗等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)成為太陽能集熱器和光電版的附著載體，既充分利用了太陽能源，又不破壞建筑物外觀，甚至可以成為很好的建筑景觀。

　　2.1太陽能熱水系統(tǒng)

　　太陽能熱水系統(tǒng)是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的太陽能應(yīng)用技術(shù)，主要用于為建筑物提供生活熱水。太陽能集熱器是太陽能利用的最重要組成部分，其性能和成本是太陽能熱水系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。集熱器分平板式和全玻璃真空管式。平板式集熱器突出的優(yōu)點(diǎn)是便于與建筑物相結(jié)合;真空管式集熱器相對(duì)熱效率比較高，我國(guó)的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先地位。為了適應(yīng)與建筑結(jié)合，成為建筑部品的需要，生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)出分離式熱水器，即水箱與集熱器分離。太陽能熱水器安裝的部位從只在屋頂上安裝，發(fā)展到安裝在陽臺(tái)板上或墻立面上，或與遮陽篷、景觀構(gòu)件相結(jié)合。熱水系統(tǒng)從以戶為單位發(fā)展到一個(gè)單元、一棟樓為一個(gè)熱水系統(tǒng)，采用集中水箱強(qiáng)制承壓循環(huán)水控制。熱水系統(tǒng)形式多樣，如定溫產(chǎn)水系統(tǒng)、溫差循環(huán)系統(tǒng)、雙回路水——水交換系統(tǒng)、定溫——溫差循環(huán)系統(tǒng)、直接式機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)、間接式雙回路排回系統(tǒng)等。

　　國(guó)家出臺(tái)了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以指導(dǎo)、規(guī)范太陽能熱水系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合提出具體要求，例如，集熱器的安裝方式：貼附在坡屋頂上，排列在平屋頂上的集熱器陣列被完全遮蔽，不破壞建筑立面美觀和城市景觀;系統(tǒng)形式：太陽能集熱器本體和貯熱水箱分離，水箱放在室內(nèi)——設(shè)備間、閣樓等;安全性：滿足建筑規(guī)范的抗風(fēng)、抗雪、抗震、防水、防雷要求，有確保不危及人身安全的措施;維護(hù)管理：便于維修和更換部件，至少15年以上的工作壽命。太陽能集熱器/系統(tǒng)各種預(yù)埋件及熱水系統(tǒng)管線(冷、熱、回水管，各種信號(hào)控制線纜)要有與建筑、結(jié)構(gòu)、電氣相配合的措施。

　　2.2太陽能采暖系統(tǒng)

　　太陽能采暖系統(tǒng)一般分為兩種模式：被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式太陽能采暖是根據(jù)太陽高度角冬季低夏季高的自然特征，通過合理設(shè)計(jì)，依靠建筑物結(jié)構(gòu)自身來完成集熱、貯熱和釋熱功能的采暖系統(tǒng)。被動(dòng)式采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)不高，節(jié)能效果顯著。目前已成為世界各國(guó)推廣的太陽能采暖主流技術(shù)。被動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)也存在缺陷，由于其蓄熱能力較差，致使夜晚和冬季供熱品質(zhì)較低，夏季降溫效果也比較差。

　　太陽能熱水系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展為主動(dòng)式太陽能采暖的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。采用主動(dòng)式太陽能采暖，降低系統(tǒng)溫度以提高集熱器效率是提高整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。采用地板輻射采暖恰好與太陽能熱水系統(tǒng)的特性相匹配。地板輻射采暖不需要較高溫度的熱水即可得到很好的采暖效果，同時(shí)混凝土地面又是良好的蓄熱體，可以儲(chǔ)存太陽能熱水的熱量。建造低能耗建筑，應(yīng)將被動(dòng)式和主動(dòng)式太陽能采暖系統(tǒng)有效地組合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，達(dá)到最大限度地利用太陽能。

　　3、熱泵技術(shù)

　　熱泵技術(shù)是通過動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作功，從低溫?zé)嵩粗腥�熱，將其溫度提升，送到高溫處放熱，由此可在夏季為空調(diào)提供冷源，冬季為采暖提供熱源�？衫�用的低溫?zé)嵩春芏�，包括有室外空氣、地表水、地下水、城市污水、地下土壤以及工業(yè)工藝過程中的低溫水，如電廠冷卻水。依據(jù)不同的熱源形成了各種不同的熱泵技術(shù)。采用熱泵技術(shù)可以大大降低采暖空調(diào)的電耗，是建造低能耗建筑的主要技術(shù)措施。

　　3.1地下水源熱泵技術(shù)

　　地下水的溫度相當(dāng)穩(wěn)定，一般等于當(dāng)?shù)厝�年平均氣溫或�?℃~2℃左右。地下水源熱泵系統(tǒng)，通過打井抽取地下水，利用熱泵機(jī)組提取地下水的低溫能量，實(shí)現(xiàn)供熱制冷。地下水源熱泵系統(tǒng)通常采用閉式系統(tǒng)，將地下水和建筑內(nèi)循環(huán)水之間用板式換熱器分開。

　　地下水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用受到水文地質(zhì)條件的限制。回灌是地下水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為此地下水源熱泵系統(tǒng)必須具備可靠的回灌措施，保證地下水能100%的回灌到同一含水層內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)地下水源熱泵系統(tǒng)有兩種類型：同井回灌系統(tǒng)和異井回灌系統(tǒng)。同時(shí)要保證地下水不被污染。

　　3.2地表水源熱泵技術(shù)

　　地表水包括河川水、湖水、海水等，只要地表水冬季不結(jié)冰，均可作為低溫?zé)嵩词褂谩５卦礋岜孟到y(tǒng)還包括了原生污水、再生水和工藝?yán)鋮s水等水源。地表水源熱泵技術(shù)在實(shí)際工程中主要存在三個(gè)問題：冬季供熱的可行性，夏季供熱的經(jīng)濟(jì)性，長(zhǎng)途取水的經(jīng)濟(jì)性。技術(shù)上要解決水源導(dǎo)致的換熱裝置結(jié)垢引起換熱性能降低。海水源熱泵系統(tǒng)的海水腐蝕問題非常突出。

　　地表水源熱泵系統(tǒng)通常由取水構(gòu)筑物、水泵站、熱泵站、供熱與供冷管網(wǎng)、用戶末端供熱或供冷系統(tǒng)組成。冬季供熱從水源中提取熱量，會(huì)使水溫下降，須防止水的凍結(jié)。夏季利用地表水源作空調(diào)制冷的冷卻水有很大的經(jīng)濟(jì)性問題，需要與冷卻塔作比較。此外，利用地表水源要很好地計(jì)算水泵的耗能量，特別是遠(yuǎn)距離輸水，要進(jìn)行綜合性經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。再生水(中水)源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵的一種重要形式，污水夏季溫度低于室外溫度，冬季高于室外溫度，是一種比較好利用的低溫?zé)嵩础Ｎ鬯�源熱泵在安全性和環(huán)保性上更具優(yōu)勢(shì)。

　　熱電廠生產(chǎn)過程中的循環(huán)冷卻水，以及其他行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在工藝過程中的冷卻循環(huán)水，恰好可作為水源熱泵系統(tǒng)的冬季優(yōu)質(zhì)熱源。這樣可以提高企業(yè)的綜合能源利用效率，同時(shí)減少冷卻水蒸發(fā)量，節(jié)約寶貴的水資源，還可減少向環(huán)境的熱量和水汽排放，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

　　3.3埋管式土壤源熱泵技術(shù)

　　土壤具有良好的蓄熱性能，土壤溫度全年波動(dòng)較小且數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定。埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)正是利用了土壤的這一特性，使其運(yùn)行效率比傳統(tǒng)的空調(diào)運(yùn)行效率要高40%~60%，節(jié)能效果明顯。埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)包括土壤耦合地?zé)峤粨Q器，它或是水平安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井中。不同的熱交換器成并聯(lián)連接，再通過不同的集管進(jìn)入建筑中與建筑物內(nèi)的水環(huán)路相連接。通過循環(huán)液體(水或防凍液)在封閉地下的埋管中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。U形垂直埋管的深度分為淺層(30m以下)、中層(30-100m)和深層(100m以上)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮系統(tǒng)的冷熱平衡特性，以保證地下土壤的溫度波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。對(duì)于高層建筑，由于建筑容積率高，可埋管的地面面積不足，所以一般不適宜。

　　結(jié)束語

　　建筑是可再生能源應(yīng)用的重要領(lǐng)域，我國(guó)太陽能、淺層地能和生物能等資源十分豐富，在建筑中應(yīng)用前景廣泛。目前，雖然我國(guó)太陽能光熱利用、淺層地能熱泵技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展比較迅速，但與建筑結(jié)合的程度不夠，應(yīng)用范圍較窄，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)水平不高，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用還存在不少差距，甚至存在一些區(qū)域性利用問題，需要大力進(jìn)行扶持、引導(dǎo)，使其盡快達(dá)到規(guī)�；瘧�(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李慧，荀振芳.我國(guó)可再生能源管理體制現(xiàn)狀、問題及完善對(duì)策[J].中國(guó)電力教育，2010.9

　　[2]中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì).綠色建筑2010[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.3

　　[3]葛一春，屈峰.馮莉地源熱泵與建筑節(jié)能[J].陜西建筑，2007.12