可再生能源在建筑节能中的应用

孙建梅　刘云昭

摘要：针对我国建筑用能居高态势及其对环境影响的问题，概述了建筑节能的现状和将可再生能源应用于建筑节能的意义。详细解析了太阳能、地热能等可再生能源在建筑节能中的主要应用形式，并指出了其在应用过程中存在的一些成本、技术等问题，从因地制宜、新技术研发等方面提出了几点提高可再生能源利用效率的建议。

关键词：可再生能源；建筑节能；太阳能；地热能

1引言

中国现有建筑面积约为400亿m2，每年新建建筑面积约20亿m2，其中95%以上仍是高能耗建筑[1]。随着城市建设的高速发展，我国建筑能耗逐年大幅上升，已达全社会能源消耗量的32%，加上建筑材料生产能耗约13%，建筑总能耗已达全国能源总消耗量的45%。建筑用能的增加对全国的温室气体排放“贡献率”已达到了25%[2]。到2020年我国建筑耗能将达到1089亿t标准煤，建筑能耗已成为中国经济发展的软肋，建筑节能已刻不容缓。我国建筑节能始于20世纪80年代，节能政策由单一技术政策转为政策体系的构建，由强化规制约束向激发鼓励导向性政策发展，逐渐向节能政策与环境间互动开放性转变。然而由于我国建筑节能基础薄弱，相关法律法规不健全，政策落实不到位，设计标准实行率较低等原因我国建筑节能发展水平远低于发达国家。

能源是经济发展的引擎，社会进步的动力，而如今能源需求不断增长，化石燃料几近枯竭。可再生能源以其分布广，储量大，环保清洁等优点，得到了极大的关注并得以应用。财政部和住房城乡建设部联合发布[2011]61号文件《关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知》明确指出在“十二五”期间：切实提高太阳能、浅地层地能、生物质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领域的消费比例占建筑耗能的15%以上[3]。随着我国建筑节能的发展，可再生能源在建筑中应用也将愈来愈广泛。这一应用极大丰富了建筑节能的形式，降低了建筑能耗，从而可极大推动建筑节能的发展。同时也会为能源结构多样化，应对全球气候环境问题和实现可持续发展起到举足轻重的作用。因此，可再生能源技术的研究将成为建筑界永恒的课题，把可再生能源技术应用于工程是我国建筑节能发展的必然趋势，也是改善我国生态环境，促进社会、经济全面协调发展的必由之路[4]。

2可再生能源在建筑节能中利用形式

可再生能源主要包括：太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等。在建筑中主要利用太阳能、风能、地热能等能源直接与间接或被动与主动地为建筑物提供热水、采暖、空调、动力等一系列功能，以满足人们生活生产需要。其应用形式多种多样，本文主要围绕以下几种形式进行研究。

2.1太阳能热水系统

太阳能热水系统是一种太阳能光热利用技术，即利用温室原理，把太阳能转变为热能，并向水传递热量，从而获得热水的一种系统[5]。太阳能热水系统是太阳能利用技术最成熟、最经济，应用最广泛，产业化发展最快的领域。系统主要由太阳能集热器、蓄热容器、控制系统及管道等组成。目前，我国投入使用的太阳能热水系统仅提供生活热水的家用小型太阳能热水系统。据统计，2012年太阳能热水器产量约4968万m2（2484万台），以2012年全国太阳能热水器保有量2亿m2测算，每年可节能3000万t标准煤，减少CO2排放7470万t，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。从系统规模化降低成本以及系统控制的角度，集中式太阳能热水系统优于家用小型系统，以单栋集合住宅等为供热基本单元的集中式太阳能热水系统开始在国内工程中得到应用。随着城市高层建筑的普及，人均屋面面积越来越少，集热器采光面积与采暖面积配比受到限制。因此立面太阳能热水系统可能将成为未来发展的热点，要做到集热器与建筑立面相匹配，立面系统对太阳能热水系统要求较高（集热器设置于外墙表面会引起围护结构热工性能的变化以及安全方面问题等等），必须对传统模式加以改进；同时应调整太阳能集热器的形式使其与墙面的色彩和风格协调一致；太阳能热水系统配备的电缆、设备及输水管路等应与建筑物其他管线统筹安排、集中布置，便于安装维护。

2.2太阳能采暖技术

太阳能采暖分为主动式采暖和被动式采暖。被动式采暖通过建筑物朝向和周围环境的合理分布、立面处理以及建筑材料与结构的恰当选择，使建筑物合理汲取存储热能，解决采暖问题，同时减少常规能源的使用达到建筑节能目的。其形式有太阳房、太阳能温室、太阳干燥等。其共有特点是控制阳光和空气合理地进入建筑物并储存、分配热量。系统所需设备简单，投资低，适用于中小型住宅建筑。不足之处是太阳能利用率低，室内温度波动大，舒适性差，夜晚或连续阴天时无法维持室内温度。主动式采暖需要借助机械设备实现太阳能采暖，其采暖系统一般主要包括太阳能集热器、储热水箱、风机、管道、水泵、换热器及控制系统等部件。系统多采用水作热媒进行采暖，往往采取太阳能地板辐射采暖方式。尽管我国是太阳能热水器生产和应用的第一大国，但人均集热面积不到0.06m2，仅相当于日本、以色利等国的1/20。我国主动式太阳能供热采暖系统发展缓慢，其工程应用尚处于起步阶段。目前已建成了若干单体建筑太阳能供热采暖试点工程，如北京清华阳光能源开发办公楼，北京市平谷县将军关，门头沟新农村等太阳能采暖项目，但是太阳能区域供热采暖工程还没有应用的实践。太阳能采暖系统的主要障碍并不在于技术本身，而在于投资费用过高，春、夏、秋季热水过剩等问题，可以通过季节蓄能技术与地源热泵、生物质能等其他可再生能源的互为补充来实现全年的综合利用。

2.3太阳能制冷技术

太阳能制冷主要包括太阳能光伏系统驱动的蒸气压缩制冷、太阳能吸收式制冷、太阳能蒸汽喷射式制冷、太阳能固体吸附式制冷、太阳能干燥冷却系统等。基于经济性、可靠性及实用性等因素的考虑，太阳能溴化锂吸收式制冷技术研究和应用相对较多，发展也较为成熟，目前国内已有厂家实现了产品化。在太阳能溴化锂吸收式制冷系统中，太阳能集热器对于技术的发展有较大限制。平板集热器在超过90℃的高温下效率过低，真空管集热器与聚焦集热器在国际上成本普遍较高，因此太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统，目前应用较多的是单效溴化锂吸收式制冷系统。北京太阳能研究所曾成功地在山东乳山完成了一个太阳空调示范项目，集热器面积为540m2，由2160根热管型真空管组成的高效集热器阵列，可提供88℃的高温热水，集热器在88℃的高温下集热效率可保持在40%。溴化锂吸收式制冷机采用大连三洋单效机组，太实现了100kW空调制冷或采暖量，可供给1000m2面积空调，每日可供生活热水32t。endprint

2.4光伏建筑一体化（BIPV）技术

作为太阳能发电的一种新理念的光伏建筑一体化，就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的维护结构外表面来提供电力，属于分布式发电的一种[6]。BIPV系统一般由光伏阵列、墙面（屋顶）和冷却空气流道、支架等组成，与建筑完美的结合在一起。具有建筑、节能、技术、经济和环保相结合的优势，可以有效利用围护结构表面，减少土地资源的占用；有效降低围护结构温升，改善室内环境；无污染，无噪音，可有效降低建筑物对一次能源的依赖，同时可减轻公共电网的压力。例如：上海世博园区作为亚洲最大的光伏建筑一体化工程，是“绿色世博”、“生态世博”理念的直接展现者。园区中国馆、主题馆、世博中心和未来馆四座标志性建筑上大规模应用太阳能建筑一体化技术，太阳能电池板总装机容量4.6MW，年均发电达406万kW·h，减排CO2总量逾3400t，大大缓解电网压力的同时实现了良好的环境效益，使发电与建筑完美地融为一体。

截止到2011年，我国光电建筑已建成的装机容量为535.6MW，在建筑中的应用尚处于示范与探索阶段。从发展趋势来看，今后光伏建筑技术的重点将以开发高效率、低成本新型光伏电池为主，在应用上将以并网屋顶系统和大型并网系统为主攻方向。

2.5地源热泵技术

地源热泵作为一种利用可再生能源的暖通空调新技术，是建筑节能领域的高效节能技术之一[7]。地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过电能辅助，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到制冷降温的目的。地源热泵系统可分为3种：以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统。地源热泵系统一般由三部分组成：室外地温能地下换热系统、水环管路与水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。具有能量消耗低，运行灵活，经久耐用，全年满足温度要求等优点。世界上最大的地源热泵系统位于美国的路易维尔市，它使用地下水作为热源，空调面积达161650m2，系统制冷和制热量分别为15.8MW和19.6MW。在15年的运行中没有发生系统问题，与临近的一栋相似的建筑相比节约了47%的能源。

根据相关报告显示，2011年年底，我国地源热泵总应用面积为2.4亿m2，“十二五”期间将完成3.5亿m2，发展潜力巨大。但是地源热泵极强的地域适用性限制了它的使用区域。此外要促进地源热泵的推广还需要构建统一的地源热泵标准体系，开展地源热泵大规模应用对岩土长期影响的评价研究，制定相关技术与政策管理策略。

3可再生能源在建筑节能应用中存在的问题

（1）成本过高是可再生能源技术在建筑节能中应用的首要问题。目前太阳能光伏发电系统在建筑中使用时，由于造价过高，不能产生规模效应，所产生的电能效益与其系统造价严重脱节，投资回收极其困难；太阳能光伏电池制造成本虽逐年下降，但仍处于较高的水平，相应的发电成本与常规能源尚不具备可比性。太阳能采暖技术现仍处于试点阶段，同地源热泵都存在系统复杂，设备众多，初投资巨大且回收期较长的缺点，使其扩大推广的阻力增加。

（2）可再生能源的自身特性对其利用影响较大。就太阳能而言，辐射能量密度较低，需要较大的采光面积，而且太阳能具有不稳定性和间接性，随季节、气候、昼夜变化而变化，这与建筑太阳能可利用面积有限，所需能源的持续性产生矛盾，为太阳能利用增加了难度。在对地热能利用过程中，由于地下岩土层导热系数很小，热容量极大，热扩散能力极差，因此从地下取热需要大量的埋管，初投资偏大、需用大面积土地；同时对冬夏负荷不平衡的情况下，会造成地下能量积聚，历年累积的负荷总量随时间增加而累加，可能导致大地失去自然调节能力，致使地源热泵运行困难，造成夏季所需水源温度过高，系统难以运行等问题。

（3）技术问题。目前在建筑光电利用过程中光电转化率较低，用于商业生产的太阳电池板效率只有13%～15%，发电装置产生的电能与建筑系统自然对接技术有待提高。而对于地源热泵来说，对当地地质及气候条件依赖性强，运行过程中泵体及管道极易结垢、堵塞、腐蚀，大大地降低换热器的传热性能，使得系统效率下降，无法实现持续稳定的能量利用。且地源热泵受到自身系统深埋地下（水下）的特点的影响，无法回避设备维护维修极其不便的缺点。对于水源热泵，实际工程中回灌堵塞问题没有根本解决，存在地下水直接由地表排放的情况，这将加重地面沉降对周边环境的影响。目前国内缺少对地源热泵系统性能专门的评价标准对行业约束形成有效约束，技术在推广方面存在盲目性。

此外，新能源利用装置的最长设计寿命只有20年，在此期间，因为工作环境的变化等会对设备产生一定的影响，最终导致使用寿命减少，无法实现整个建筑生命周期的全过程、最大化节能利用。

4总结与建议

2014年1月绿色科技第1期在建筑能源消耗大，能源紧缺的形势下，把可再生能源应用于建筑节能是必然的发展趋势。太阳能、地热能等可再生能源在建筑上的有效应用，不仅可以代替有限的传统能源，提高城乡居民生活质量和住宅舒适度，而且可以减少污染物的排放，保护生态环境，可再生能源的开发和利用具有广阔的前景和深远的意义，必将在我国的建筑节能事业中发挥巨大的作用。作为建筑节能中的重要技术措施，可再生能源在利用时，也应注意以下3个方面。

（1）因地制宜就地利用。可再生能源在应用时，应充分考虑当地的能源状况和气候条件，有选择、有侧重地利用可再生能源，尽量做到就地利用。

（2）多种可再生能源相结合。将分项技术整合，发挥各可再生能源的优势，弥补单一形式效率较低的缺陷，以期获得更大的经济和社会价值。

（3）新技术研发。加大可再生能源利用的新技术研发资金投入，优化系统模式，提高可再生能源的利用效率。

参考文献：

[1] 成志明.我国建筑节能现状及节能措施[J].山西建筑，2011，37（23）：189～190.

[2] 李继业.建筑节能工程设计[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3] 住房城乡建设部.[2011]61号文件，关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知[R].北京：住房城乡建设部，2011.

[4] 任乃鑫，蒋文杰.解析新能源建筑及其技术[J].建筑节能，2011，39（4）：31～35.

[5] 何江.太阳能建筑一体化技术应用[M].北京：科学出版社，2012.

[6] 韩利，艾芊.光伏技术在节能建筑中的应用术[J].低压电器，2009（2）：5～8.

[7] 李元普，王晔华.中国地源热泵发展 [J].建设科技，2009（10）：59～61.

[8] 付祥钊.可再生能源在建筑中的应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.endprint