新能源在绿色建筑中的应用研究

厦门大学能源学院　苏鋆珊



新能源在绿色建筑中的应用研究

厦门大学能源学院苏鋆珊

能源危机已然成为制约当今社会经济发展的重要因素，而建筑业能源消耗量占能源总消耗的比重依然很高。将新能源应用于建筑中，推广绿色建筑，从而推动经济可持续发展，已经成为当今社会的潮流。该文从介绍绿色建筑以及几种常见新能源的特点入手，着重分析太阳能、地热能这两种新能源在绿色建筑中的具体应用及其优点。

新能源 绿色建筑 太阳能 地热能 应用

当今社会，科技不断进步、经济飞速发展，而人类社会的自然环境却日益遭到破坏。自然资源的巨大消耗、自然环境的严重破坏成为全人类必须共同面对的重要难题。在这样的大环境下，新能源的开发与利用成为人类社会继续蓬勃发展的新希望。据不完全统计，在全国的自然资源消耗中，有近1/3的资源在建筑行业中被消耗掉，而在这其中，能源消耗占了25%［1］。由此可见，只有将建筑业中的传统能源消耗降低，大量使用新能源，才能大大削减自然资源的消耗。在这样的背景下，绿色建筑这一概念应运而生。

1　绿色建筑与新能源

1.1绿色建筑

在《绿色建筑评价标准》中，有关绿色建筑的概念界定是这样的：绿色建筑是指在建筑的整个寿命周期内，通过最大限度地从节能、节地、节水、节材等方面节约资源，从而达到保护环境、减少污染的目的，促进自然和谐共生，为人类提供一个健康、适用和高效的使用空间。也就是说，绿色建筑是一种最高效率地利用能源、最低限度地影响环境的建筑物，它为人类提供一个健康、舒适的工作、居住、活动的空间，具有全寿命期、绿色化、以人为本、因地制宜、整体设计等特点，实现了“以人为本”与“人—建筑—自然”三者的和谐统一，促进了我国经济社会在21世纪的可持续发展［2］。

1.2新能源的概念及特点

1981年，联合国在肯尼亚首都内罗毕召开的能源会议上确定了新能源的概念，它与传统能源有很大的差异，其来源非常广泛，且对环境的污染很小，几乎可以说是取之不尽，用之不竭，是一种与生态环境能够高度协调的清洁能源。目前，联合国开发计划署（UNDP）将新能源分为以下三类:第一类是大中型水电；第二类是新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能；第三类是传统生物质能［3］。

其中，太阳能具有取之不尽、用之不竭，干净无污染等优点，是人类最有希望利用的能源。然而，它也具有分散性和间歇性的缺点，给人类的开发利用带来了一定的难度。

地热能是指来自地球内部的天然、可再生热能。它储存在地下，不带有害物质，不受任何天气状况的影响，可以随时采用，是极具发展潜力的能源。但是它具有分布较分散的特点，造成了较大的开发难度。

风能实际上是太阳能的一种转换形式，它是指空气运动的能量，具有最大的普遍性。它既有可再生、无污染、蕴藏量大、分布广泛的优点，也具有密度低、不稳定、地区差异大等缺点。

生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是唯一一种可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料［4］。

1.3推广绿色建筑、开发新能源的重要意义

1.3.1这是经济发展的需要

在现代社会经济中，经济平稳发展的重要保障之一就是能源的稳定供应。当前，社会经济发展中的能源短缺问题日趋严重，已经成为制约经济发展的重要因素。新能源的开发与利用能够从一定程度上缓解能源危机，推动人类社会继续向前发展。在建筑生产使用过程中，从建材的生产到建筑的施工，再一直到建筑物的竣工使用，在整个过程中无时不在消耗着能源，相关统计表明，我国的建筑能耗占到全国总能耗的25%以上，是能源消耗不可忽视的一部分。因此，推广绿色建筑、开发新能源是控制能源消耗的必要举措，也是促进经济发展的重要手段。

1.3.2这是环境保护的需要

工业生产主要应用的自然能源，如煤炭、石油及天然气等化石能源多是不可再生资源，这些自然资源在开发利用过程中都对环境造成了巨大的不可逆转的伤害。例如，在化石能源的开发过程中，极有可能造成土地不能利用，甚至导致恶劣天气的产生；在对化石能源的使用过程中，可能会排放二氧化碳、氮氧化物以及硫化物等大量有害气体，由此造成对环境的污染。因此，要想改善人类的生存环境、满足环境保护的需要，就必须推广绿色建筑，开发新能源，从而进一步减少各种污染物的排放。

1.3.3这是提高人民生活水平的需要

随着社会经济的发展，人民生活水平不断提高，追求更加健康舒适的生活环境已经成为当今社会的潮流。绿色建筑不是简单的要求节约建筑能耗，其全寿命期、绿色化、以人为本、因地制宜、整体设计的特点，实质上是对利用新能源技术减少建筑能耗和满足建筑环境健康舒适提出了更高的追求。这是一种提高生活质量的有效方法，同时也是提高人民生活水平的需要，同样，它也是社会发展的一种必然趋势。

2　新能源在绿色建筑中的应用

我国是新能源比较丰富的国家之一，其中太阳能和地热能相对丰富，在建筑中的应用也相对较多。

2.1太阳能在绿色建筑中的应用

太阳能成为绿色建筑中广泛应用的一种新能源形式，它在建筑中的具体应用方式包括太阳能热水系统、太阳能光伏发电系统、太阳能采暖和太阳能制冷等方面。太阳能在建筑

中的应用，不仅满足了绿色建筑的要求，更满足了建筑随社会发展而不断增大的对能量的需求以及环境友好的要求。

2.1.1太阳能热水系统

太阳能热水系统主要应用于住宅，是早期的太阳能应用，已经在世界上得到了广泛推广。中国是世界上太阳能热水器最大生产国，同时也是最大消费国。据统计，2010年，光是全国太阳能热水器总集热的面积就已达到1.5亿平方米，除此之外，再加上其他太阳能热利用，年替代能源量达到3000万吨标准煤；预计到2020年，全国太阳能热水器总集热面积将达到约3亿平方米，如果再加上其他太阳能热的利用，年替代能源量将达到6000万吨标准 煤［5］。

太阳能热水系统由太阳能集热元件、蓄热容器、循环管道、控制系统及其他相关附件构成。在太阳光的照射下，使太阳光的光能转化为热能，对冷水进行加热，从而获得热水。由于太阳能具有间歇性和不稳定性，需要进一步辅助匹配热源，如电力与燃气能源，才能保证太阳能热水系统比较稳定的热水供应。

根据安放位置的不同，目前住宅太阳能热水系统的分类如下表1所示。

表1　住宅太阳能热水系统分类

2.1.2太阳能光伏发电系统

光伏发电是将太阳光辐射能直接转换为电能，利用太阳能电池半导体材料的光伏效应的一种新型发电模式。通过光伏直流电发电的输出，可以为直流设备提供电能，当然，也可以另外通过逆变器，将直流转换为交流给交流设备供能。太阳能光伏发电系统具有对环境污染少、噪声小的优点，适用于在绿色建筑中使用。

2.1.2.1太阳能光伏发电的基本原理

当光线照射在光伏材料上并在界面层被吸收后，具有足够能量的光子会在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发从而产生电子-空穴对，在这种情形下，界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离，电子就会向带正电的N区运动过去，而空穴向带负电的P区运动过去，这样将会在P区和N区之间产生一个向外、可测试的电压。界面层面积越大，吸收的光能越多，如果通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多，这样形成的电流也就越大。

2.1.2.2太阳能电池分类

太阳能电池的分类有许多种，按照材料的不同可分为五种：一是硅太阳能电池，二是多元化合物薄膜太阳能电池，三是有机太阳能电池，四是敏化纳米晶太阳能电池，最后是聚合物多层修饰电极型太阳能电池。其中，硅太阳能电池发展最为成熟，应用也最为广泛。现今市场上的太阳能电池模块有95%以硅为原材料，其中有60%为多晶硅，30%为单晶硅，预计这一现状还将持续一段时间［6］。

2.1.2.3绿色建筑光伏发电系统——光伏与建筑一体化

根据光伏系统与建筑的结合形式不同，建筑光伏发电系统可分为两种：“安装型”或“附着型”光伏系统（BAPV）与“构件型”或“建材型”光伏系统（BIPV）。其中，在BAPV中，光伏系统通过附着在建筑物的屋顶或外墙上，从而使建筑物起到支撑光伏组件的作用；而光伏不作为建筑物的构成，它仅能起到为建筑物提供电能的作用。而BIPV是通过光伏系统与建筑的密切结合后，其中光伏组件不仅能产生电能，而且已成为建筑物的一部分，最常见的如光伏幕墙和光伏采光顶等，能够起到遮风挡雨、调节室内采光的作用。

从BAPV到BIPV，是光伏与建筑一体化不断发展的升级，使光伏发电系统不再仅仅作为一个独立的项目附着在建筑上，而是将建筑设计和光伏材料有机结合起来，发挥“1+1＞2”的优势。BIPV的光伏组件既是一种建材，同时它又能发电，由此而知，它不仅能减少能源的消耗，同时又能部分抵消光伏组件的成本，更能够改善室内环境，优化建筑设计效果。厦门大学翔安校区的能源楼工程房就采用了BIPV技术，属于一种新型光伏节能直流建筑。该建筑巧妙地将光伏发电与建筑屋顶结合，通过倾斜式鳞状屋面的设计，在减少支架成本的同时更兼顾美学效果，倾斜屋面还融入了采光窗的设计，在增加大楼内部自然采光的同时，减少了室内照明的需要，减少了较多的能量损耗，真正达到节能的目的。

光伏幕墙是另一种常见的BIPV应用形式。在传统的玻璃幕墙中，它的维护功能十分单一，而光伏幕墙能有机结合太阳能电池光伏组件，变废为宝，将太阳光这一原来需要屏蔽在外的有害因素，直接转化为电能而被人类使用。这不仅为建筑提供绿色电力，还具有遮阳和隔热的功能。除此之外，光伏幕墙这种复合式的设计不需要多占用其他的建筑面积，且造价低，具有特殊的装饰建筑物的功能，是未来绿色建筑光伏发电系统发展的重要方向。

2.1.2.4绿色建筑光伏发电系统的优点

一是可以满足建筑的美学要求。在与光伏一体化的建筑中，经过有关设计可将光伏组件隐藏起来，既能有效遮挡阳光直射并将其转化为电能，又不会影响建筑的美学效果，达到了光伏发电系统与建筑风格的完美结合。

二是可以满足建筑的采光需求。BIPV建筑中的光伏幕墙和光伏采光顶等都能有效调整透光率，不仅能够满足光线通透的需求，还能起到调节室内采光的作用。

三是可以满足建筑的安全性能需求。在绿色建筑光伏发电系统中应用的光伏组件是由钢化玻璃和PVB胶片构成的。钢化玻璃的使用符合国家建筑标准，不易破碎。而PVB胶片有优良的粘结性、韧性与弹性，具备吸收冲击的功能，就算玻璃破损，也能避免因四处散落而伤人。两者的结合让可能形成的伤害减少到最低程度，从而满足建筑的安全性能需求。

四是具备绿色环保的优势。不论是BAPV还是BIPV，建筑物都可以为光伏系统提供足够的面积，不需要另占土地；光伏发电时无噪声、无污染，具有环境友好性；光伏与建筑一体化，发出的电能首先能被建筑使用，减少了电力输送的费用和能耗；除确保自身建筑内用电的基础上，还可能向电网供电，且发电波峰正好与用电高峰期重合，舒缓了高峰期电力供应不足，具有非常大的社会效益。

2.1.3太阳能采暖系统

太阳能采暖系统是指将分散、无污染、可再生的太阳能吸收，将其转化为热能，供建筑物冬季采暖的系统。在建筑生产实践中，因为对太阳能利用方式的差异，它可分为被动式和主动式太阳能采暖系统两种不同系统。

2.1.3.1被动式太阳能采暖系统

被动式太阳能采暖系统，在实践中也称为太阳能自然采暖，它不是通过采用专门的集热器等装置，而是通过对建筑物周围环境的合理布局，对建筑物的方位和朝向进行科学布置，对建筑物内部和外部等本身结构的巧妙处理，在此基础上，再对建筑材料进行恰如其分的选择，保证建筑物能够将太阳热能充分吸收，以供建筑物自身的采暖。

被动式太阳能采暖系统的推广和应用在我国发展非常迅速。它不需要过多的设备，且冬暖夏凉、经济舒适。虽然相比普通建筑，其投入相对较高，但在一定程度上，采暖费用呈现降低趋势，且技术成熟，投资少，能够降低能耗，保护环境。因此，推广被动式太阳能采暖系统可以减少经济支出，节约能源，减少环境污染，从而推动社会可持续发展，对我国经济、能源、环境协调发展都有非常重要的意义。

2.1.3.2主动式太阳能采暖系统

主动式太阳能采暖系统的构成比较复杂，包括集热系统、蓄热系统、末端供热采暖系统、自动控制系统、辅助热源等部分。它以太阳能集热器作为热源，代替化石燃料的锅炉，大大降低了环境污染。相比于被动式太阳能采暖系统，主动式系统的优点是可以使供热状况更加稳定，可以保持室内稳定温度；缺点是需要设备多，系统更复杂，投资费用大。但是随着社会的发展，主动式太阳能采暖系统更加符合社会的需求，越来越多地在建筑中得到应用。

2.2地热能在绿色建筑中的应用——地源热泵系统

地源热泵系统是一种供热制冷的新能源应用系统，它是利用地下浅层地热能进行的。由于浅层地温能几乎不受资源限制且技术日渐成熟，近几年在我国各地区发展迅速。

2.2.1地源热泵系统的特点

地源热泵系统主要特点有：①可再生，地源热泵系统利用浅层地热能，是一种清洁的可再生能源；②节能，地下浅层地热资源四季温度较为稳定，是很好的热泵热源和空调冷源，运行效率更高，能够有效节约能源；③环保，地源热泵系统在工作过程污染物排放较少，较好地保护了环境；④应用范围广，地源热泵系统不仅可以供暖，还可以制冷，一机多用；⑤安全，地源热泵系统在工作时实现了水电分离，有较大的安全性。

2.2.2地源热泵系统在绿色建筑中的应用

基于地源热泵系统既可制冷又可供热的特性，其主要应用分为两种：地源热泵空调系统和地源热泵热水系统。

2.2.2.1地源热泵空调系统

地源热泵空调系统的构成较为复杂，包括浅层地热能采集系统、水源热泵机组、冷热分配系统和空气处理系统等四个部分，运作的原理是首先利用地源热泵转化浅层地热能，从而为智能建筑提供制冷、制热服务。它利用水与地热能进行冷热交换来作为热泵的冷热源，在冬季，把室外的地下水热量通过循环水，为室内提供热量，进行供暖；在夏季，循环水把室内的热量交换出来，带到地下水，此时地下作为室内热量的排放区域。

地源热泵空调系统具有能源的可再生优越性，高效、节能、环保、无污染等特性，且占地面积少，应用广泛，具有极高的社会效益和市场潜力。

2.2.2.2地源热泵热水系统

地源热泵热水系统是利用地源热泵，提取浅层土壤热能、地表水热能或地下水热能等低温热源，再将它们转化为生活热水。它由浅层地能采集系统、水源热泵机组和热水供应装置等子系统构成，其中，浅层地能采集系统能够提取浅层土壤热能、地下水热能、地表水热能，然后通过水源热泵机组进行热交换，最后通过热水供应装置实现对绿色建筑的热水供应。

地源热泵热水系统具有高效节能、能源利用率高、受自然环境影响较小、工作时限无限制、占地面积小、环境安全、过程可靠的优点，在未来有极大的发展潜力。

3　结束语

开发利用新能源，并将其融入建筑设计之中，已经成为当今时代不可逆转的趋势和潮流。人类社会向前发展，经济增长和大众生活水平提高的进一步需求是推广节能、节地、节水、节材的绿色建筑，从而改善生活和工作环境。通过在建筑行业推广应用太阳能、地热能或是其他新能源和可再生能源，能够有效替代传统能源，减少污染物排放，是缓解能源危机、减少环境污染、促进经济持续发展、使人类文明可持续发展的一项重要举措。

［1］ 朱岳童，杨立刚.建筑节能及新能源应用［J］.科技致富向导，2015（2）: 150.

［2］ 白雪山，路方芳.绿色建筑的应用与发展状况［J］.山西建筑，2009， 35（33）: 45-46.

［3］ 董丽艳.关于在建筑中绿色能源的应用研究［J］.城市建设理论研究:电子版，2013（15）.

［4］ 倪珅，王全福，王方.浅谈新能源及可再生能源在建筑中的应用［J］.中国科技信息，2013（3）: 35.

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