可再生能源在建筑中的应用技术及潜力分析

陈欣杰

摘要： 作为一个人口基数极大的国家，中国的建筑能耗不断剧增，不仅加剧了中国能源的消费紧张状况，而且威胁到环境保护工作顺利进行，迫使国家加速发展常规能源的替代品——可再生能源在建筑中应用。本研究以2010年为基准年，预测到2030年可再生能源在建筑中应用的潜力分析，并使用情景分析法，预测在不同情景下可再生能源的年替代量。

关键词：可再生能源；建筑能耗；潜力分析；情景分析法

1. 序言

根据2008年3月江泽民同志在《上海交通大学学报》上发表了学术论文《对中国能源问题的思考》分析，中国的人平均煤炭量只有世界平均煤炭量的32.8%，清楚展示了我国能源的紧张状态。再者，随着社会的发展和人们的生活质量提高，建筑能耗在过去十年的剧增，中国的建筑能耗已经占据了中国主要能源消费总量的27.6%。尽管《中国建筑节能年度发展研究报告 2012》发布，我国城镇人口人均建筑能耗仅为美国全国人均建筑能耗的1/5，但由于人口基数大的原因，总建筑能耗量非常大。

2. 可再生能源在建筑中的主要应用形式

可再生能源包括生物质能、太阳能、水力能、风能、潮汐能、海浪能和地热能。目前的开发技术，能将建筑设计与可再生能源技术结合起来的可再生能源有以下几种技术类型：太阳能热水器、太阳能屋顶光伏发电、地源热泵、地下水源热泵、空气源热泵、生物质能沼气利用等。

2.1 太阳能

2.1.1 太阳能光热

太阳能光热技术作为当今可再生能源的主要应用形式。由集热器来分，太阳能供热系统有两种基本形式，一种是平板型集热器，一种是真空管集热器。平板型集热器常常采用倾斜式的安装，从而更大限度地吸收太阳能。其加热的温度最高能达到35℃，能作为住宅热水器的热水预热。真空管集热器加热的温度比平板式集热器的高，可以不需要辅助加热，直接供应建筑热水系统或是连接到蓄热系统，用夏天的热量补充冬天的供热需求。太阳能光热技术主要应用于建筑的生活热水系统和采暖制冷系统，现今我国在农村和城镇大力推广户用太阳能热水器、太阳房和太阳灶。

2.1.2 太阳能光电

太阳能热发电技术的也广泛应用。我国的光伏发电制造产业已具有相对的国际竞争力，大大缓解了这个人口基数较大的国家的用电紧张状况。光伏发电工程形式之一，在偏远的地区建设较大规模的太阳能热发电电站和太阳能光伏电站，或者是在公共设施配套安装太阳能光伏发电的装置，储备好能量，供应于建筑需求。与独立发电站不同的是，屋顶光伏发电是建筑用电自供自给的体现，该光伏发电系统直接连入建筑的变电所，发电量优先自给，多余量还可以连入公共电网并网发电。有效利用屋顶，不需要占用宝贵的土壤资源。系统在阳光照射下发电，并储能起来用于舒缓建筑的用电高峰期。系统运作噪声少，無污染，是一种“绿色”发电项目。

2.2 浅层地热能

地热能的开发成本较低于其他可再生能源，同时也不受制约于日昼和季节的变化，其产能利用率更达90%，成熟的热泵技术使浅层地热能得以采取和利用。

地源热泵是一项相对成熟且广泛应用的技术，能有效地减少二氧化碳的排放量，达到“节能减排”的作用。大地像一个天然的“能源库”，通过热泵系统可以开发地热能对建筑物进行预热或预冷，对建筑物供热（冷）时，地下管循环水从大地抽取热（冷）量，大大减少了常规能源的消耗。夏季，地源埋管系统抽取得到的冷量供应冷却水，建筑用能高峰时加入辅助冷却塔共同供应；冬季，地源埋管运送的热能与太阳能系统共同承担建筑的生活热水热负荷。

其次，地下水源热泵也是很好地利用地下水的能量，为建筑物供能。夏季时，将室内的热量转移到地下水带走或者利用地下水预冷、冷却。冬季时，与锅炉供热比较，节能率达60%以上。再者，空气源热泵也变得越来越有效率。以空气作为室外能源资源，在制冷时，空气吸收建筑室内的热量，然后被吹送到有制冷剂蒸发的盘管中带走热量，得到凉爽的空气再次吹到建筑室内。在供暖时，室内的盘管相当于冷凝器；室外的是蒸发器，从室外的空气抽取热量。

2.3 生物质能

与建筑一体化的生物质能利用主要代表是以沼气供应燃气，沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。为建筑物建设完善的沼气供气管网体系，以满足建筑物的生活、取暖、炊事的供能需求。特别在农村地区，充分利用农村秸秆、生活垃圾、畜禽养殖废弃物等，发酵提炼沼气，沼气经处理后用于输气管网，推动沼气工程的件数。

3. 可再生能源在建筑中的节能潜力预测分析

3.1 2010-2030年建筑能耗情景预测

根据《中国建筑节能年度发展研究报告 2008》，发布了从2000年～2010年的建筑能源消耗量的具体数据，整理数据（如表1）。中国的建筑能耗逐年递增，按照已统计的数据，可以计算出从2001～2010年间中国建筑能耗的年平均增长率约为12.64%，这是近几年现实的建筑能耗增长状态。

《中国建筑节能年度发展研究报告 2012》提及到，按照我国能源的中长期规划，2020年全国总能耗量应控制在42亿tce以内，建筑能耗大约可维持在全国总能耗的20%～25%，也就是8～10亿。若按照2020年建筑能耗约达10亿吨标煤来计算2010～2030年间的建筑能耗年增长率，得出值为0.9%，这是一种理想的建筑能耗增长状态。

随着社会机制的发展和社会进步，2010～2030年期间，国家开始越来越重视建筑节能工作，出台了一些相应的法律法规和经济激励机制；政府有关部门也加大力度控制公共建筑面积；科学技术的提高，使建筑设备的使用效率得以提高；社会上形成了成熟的节约型能源消费生活方式等因素，使得建筑能耗的增长速度有所缓慢，年平均增长率有所下降。综合考虑以上影响，设定年平均增长率为4.00%，预测到2010～2030年建筑能耗发展的情景（见表2）。

3.2 2010～2030年可再生能源在建筑能耗中的可替代量计算（以此作为基准情景）

根据已发布的2010年可再生能源在建筑能耗中的可替代量，以及《中华人民共和国可再生能源中长期发展规划》中2020年计划达到的开发利用主要指标，计算可再生能源在建筑能耗中的可替代量增长趋势，预测2010～2030年的可替代量数据。由于这个情景是根据《中华人民共和国可再生能源中长期发展规划》得到的数据预测出来的，所以这个情景是与中国经济、政治、技术、社会等多方面匹配的，以此为基准情景是合理的。运用情景分析法，通过改变假设条件，得到不同因素影响下的情景，并与基准情景作比较分析。

3.2.1 2010年可替代量

在过去的“十一五”时期（2005～2010年），在《可再生能源法》的推动下，可再生能源在建筑中应用体系不断完善，重大工程示范项目的快速建设起来，使可再生能源在建筑应用中的得以规模化、快速发展。根据《可再生能源发展“十二五”规划》的发展现状分析，到2010年底，太阳能热水器安装使用总量达到16800万平方米，年替代化石能源约2000万吨标准煤；屋顶光伏发电项目达44亿千瓦时，折算为年替代量为142万吨标准煤；地源热泵供暖制冷建筑面积达到1.4亿平方米，地热等年替代能源量为460万吨标准煤；2010年沼气利用量约140亿立方米，年替代能源量为1114万吨标准煤。合计2010年可再生能源年替代量为3716万吨标准煤（如表3），占建筑能耗的4.44%。

3.2.2 2010～2030年可替代量预测

在2010年，太阳能热水器面积是16800万平方米，到2020年，计划面积为80000万平方米。参考2010～2020年间的可再生能源产量的增长速度，计算获得年平均增长率为16.89%，按照此增长率计算，从而预测到2015年和2030年太阳能热水器的年替代量。同理，按照此计算方法，分别对屋顶光伏发电、浅层地热能、沼气预测其在2010～2030年的可替代量，并将相关数据换算成统一单位：万吨标煤/年，计算结果如表4。由表可见。按照《中华人民共和国可再生能源中长期发展规划》的发展规划进行，到2030年，可再生能源在建筑中应用可以节省达50289万吨标煤，是2010年的13.5倍，占当年建筑总能耗的22.18%。发展前景相当可观，减少常规能源在建筑中的消耗量，大大缓和了常规能源用能紧缺的状况，使常规能源用于更多的其他领域上，促进社会高速发展和人们的生活水平提高。

3.3 2010～2030年不同情景下可再生能源在建筑中的可替代量分析

情景设计：根据可再生能源建筑应用推广的制约因素，本文设定了三个层面情景，包括认识层面，政策法规体系层面，技术体系层面。认识层面主要是考虑政府，建筑行业以及人民群众对可再生能源建筑本身及其重要性的认识深入程度；政策法规体系层面主要是考虑有关可再生能源建筑的标准体系以及激励政策完善程度；技术体系层面主要是调查可再生能源技术以及可再生能源的基础制造业是否成熟，可再生能源建筑的施工成本是否过高以及可再生能源建筑的投资回收期是否过长等因素。

根据以上三个因素的影响，对于2010～2030年的可再生能源在建筑能耗中的年替代量进行3个步骤的分析：首先，分别考虑三个因素单独作用下的年替代量情景；其次，分别考虑三个因素两两作用下的年替代量情景；最后，综合三个因素共同作用下的最佳情景（如表5）。

到2030年，当人们的认识深入，有关可再生能源建筑的标准体系以及激励政策较为完善，且可再生能源利用技术很成熟，使可再生能源利用技术在建筑中的普及利用，即最佳情景，其可替代量高达62861万吨标煤，占建筑能耗的27.72%，比基准情景的多12572万吨标煤。

2030年不同情景可再生能源在建筑中应用的可替代量

4.结论

本研究以2010年为基准年，预测到2030年可再生能源在建筑能耗中的潜力分析，并且使用了情景分析法，预测在不同情景下可再生能源的年替代量。从而使相关部门了解到今后可再生能源在建筑中应用的节能方向和重点领域，提高可再生能源与建筑一体化结合的技术，完善一体化的设计规范，规模化地发展可再生能源在建筑中的应用。

参考文献：

（1）清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 2012[M].北京：中国建筑 工业出版社，2012

（2）中华人民共和国国家能源局.可再生能源发展“十二五”规划[M].北京：2012

（3）中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2011[M].北京：中国北京出版社，2011

（4）清華大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 2008[M].北京：中国建筑工业出版社，2008

（5）中华人民共和国国家发展和改革委员会.中华人民共和国可再生能源中长期发展规划[M].北京：2007