建筑节能设计中新能源的应用

阎川

(甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

城市化的建设及发展需要建筑工程项目的施工，但建筑工程的施工涉及环境污染以及能源消耗等问题，不符合我国节能降耗以及生态环境保护要求。为此，建筑行业需要向绿色、节能以及环保的方向转型，以此才能实现可持续发展目标。随着我国“双碳”发展战略目标的推行，建筑工程施工中需要注重节能设计，即需要使用新能源逐渐代替传统能源，以此降低能源消耗，减少施工污染。因建筑节能设计较为专业，所以建筑企业需要委托精通节能设计要求及标准，掌握各类新能源设计的单位进行设计。

1 建筑节能设计意义

建筑节能设计是节能建筑发展的有效措施，主要是指依据区域气候对建筑工程的规划分区、建筑朝向、风向、群体与单体数量、楼间距、外部空间环境以及太阳辐射等进行节能化设计，以便于提高建筑工程施工以及后期竣工使用的节能性以及环保性等。具体的节能设计指标有多个，例如建筑规划及平面布局需要注重自然通风，建筑区域绿化面积应≥35%；建筑室内空间需要保证大寒日连续自然光照时间>2h(或3h)，具体的建筑施工需要使用节能、环保型材料，需要注重能源资源消耗的有效控制，尽可能提高建筑节能设计力度，提升资源利用率，进而有助于促进节能建筑的发展。现如今，建筑节能设计是时代发展趋势，其可以使得建筑工程施工摆脱传统高能耗、高污染的施工模式，有助于提高建筑工程施工的节能性以及环保性等，同时还可以促进绿色建筑的发展[1]。与此同时，建筑节能设计可以尽可能减少建筑垃圾以及污染物的产生，即除了施工中需要使用各类新能源代替传统能源之外，其他建筑材料均是环保型材料，不仅可以回收再利用，且环境污染性较低。

2 建筑节能设计中新能源应用分析

2.1 风能应用

风能属于新能源之一，其在自然界中的分布较为广泛，但是其在建筑节能设计中的应用具有一定限制，该能源的应用方式需要依托于太阳光，即在太阳的照射下，受温度的影响，加之空气中水的含量，致使不同区域之间的气压存在明显差异，进而可能会产生风。现如今，随着建筑施工技术的不断发展，国内部分地区建筑节能设计当中会使用风能，即利用现代化技术推动风车设备运行，进而风能会转化成电能，以此为建筑工程的施工提供电力支持。除此之外，除了建筑门窗的设计体现了风能的利用之外，借助通风口的预留，可以保持建筑室内外自然通风，同时还可以减少空调设备的使用，进而可以实现节能降耗的施工目标[2]。

2.2 光伏应用

2.2.1 光伏新能源概述

光伏新能源发电中的新能源主要是指太阳能，即利用相关设备将太阳能转化成为电能，随后在利用逆变器将直流电转变成为交流电，最后需要使用控制器对电流的输出进行控制。具体而言，白天建筑企业可以利用特殊装置收集太阳能，随后利用光电效应将太阳能储蓄电池充满，等到黑夜降临，光伏发电系统中的逆变器会将太阳能转变成为电能，以此为建筑各方面用电提供电力支持，此种电能转换方式不仅可以减少传统能源资源的消耗，实现节能降耗发展目标，还可以提高新能源利用率，降低生态环境污染，减少企业用电成本。与此同时，光伏发电系统在新能源应用方面的利用率较高，可以防止出现能源浪费现象，且电网电能的调配效率更高，电力供应更加稳定以及安全等。此外，与发电厂相比，光伏新能源的占地面积较小，常被安装在建筑屋顶，不仅可以为建筑工程的施工节省地面空间，还可以提高建筑楼体自身利用率[3]。如若建筑工程的节能设计无特殊性要求，几座光伏发电站的设置便可以满足建筑各方面的用电需求，不仅施工建设成本相对偏低，且电力供应更加方便与灵活。

2.2.2 建筑应用的分析

光伏新能源是建筑节能设计的重要内容，其在建筑电气节能中的应用主要体现在两方面，一方面是新型空调，借助光伏新能源可以实现对建筑室内空间温度的调整，光伏发电系统中储蓄的部分太阳能在转化成为电能之后会被用于建筑室内空间的供暖以及制冷等方面。供暖过程中使用的新能源是可再生太阳能，其不仅可以减少CO2排放量，还可以降低生态环境污染，属于是节能、环保型设计。与此同时，光伏电池储蓄太阳能时所产生的噪音污染较小，相关系统运行期间不会对建筑室内外人员的工作及生活产生不良影响。此外，当太阳能照射光伏电池相关设备时，部分电能可以用于制冷，太阳光照越强烈，电能的转化量越充足，从而制冷效果越好[4]。另一方面是除湿处理。在建筑室内空间中，长时间供暖或制冷等都会影响室内空气循环，光伏新能源的应用可以将室内空间调制人体最佳舒适状态，即借助循环系统通过蒸发或冷却等方式处理室内湿热空气，不仅可以达到除湿效果，还可以节省部分能源消耗，降低环境污染，改善建筑室内空气质量。

2.2.3 建筑节能的体现

在建筑节能设计中，光伏新能源的应用主要体现在两方面，一方面是光伏系统与建筑结合，另一方面是光伏系统与建筑集成。前者，主要是指光伏新能源系统与建筑体的结合，将该系统安装在建筑体外侧，其可以通过接收阳光而将太阳能转化为电能，以此为建筑楼体提供电力支持。而由太阳能转化的电能可用于建筑各方面，针对于剩余电能，光伏新能源系统还可以进行存储，以防止因突发电力事故发生而导致停电事件。此种结合方式可以减少供电成本，且光伏系统拆卸维修较为简便，系统运行对于环境的污染较小[5]。当前，该系统已被普遍应用于建筑节能设计当中。后者，该系统与建筑的集成主要是指将光伏系统应用于建筑结构当中。与外装光电系统的集成形式不同，此种集成方式主要是将部分组件组装至建筑楼体结构当中，而将吸收太阳能的装置安装在建筑体外部，当此类装置吸收太阳能之后，建筑结构中的各组件会发挥储蓄以及电能转换的作用，其不仅可以为建筑各用电提供稳定且持续的电力供应，还可以减少电能损耗，提高电能利用率。

2.2.4 光伏应用注意事项

光伏新能源装置的安装施工较为专业，正式安装之前安装人员需要进行科学规划与设计，同时还需要对安装施工现场进行勘察，该装置的安装需要较大场地，以便于太阳能的充分吸收与利用。与此同时，因一天之内太阳的照射角度会不断变化，所以安装人员在太阳能板安装角度的选择方面，应尽可能确保太阳照射最大值，且还需要确保在太阳照射过程中不会有其他物体进行遮挡。除此之外，光伏新能源装置的安装需要注重安全性，如果是在长时间的太阳能照射情况下，该装置的能量聚集会逐渐增大，其可能会引发火灾[6]。为此，安装人员需要做好防火灾保护措施，同时还需要选择高质量且耐高温的太阳能板，并定期对该装置进行养护与维修，确保太阳能板正常工作。

2.3 地热能应用

地热能属于新能源之一，其在建筑工程施工中的应用是建筑节能设计的重要表现，利用地热资源可以解决人民日常生活及生产的用电需求。在人民的日常生活中，热水属于必备资源，地热能的使用可以提高资源利用率，降低能源消耗以及减少环境污染等。当前，在热水量以及电力需求量较大区域，地热能的应用较为普遍，其应用不仅可以保证电力及热水供应稳定，还可以减少CO2排放量，促进节能建筑发展。一方面，地热供暖方面。利用热交换器可以将地热能进行转变，以此可以为建筑供暖以及热水使用等提供能源支持。地热能的热源主要来自于地下深层热水，借助加热系统可以将地热能间接或直接的输送至各建筑用户，传统低温地热系统是由诸多设备、系统组合而成，其中锅炉属于主要设备，具有一定的竞争优势。另一方面，地热空调方面。部分建筑企业会在节能设计方面设置无污染地热能空调，其每天可以满足用户至少0.1t的热水需求量，同时还可以对游泳池水进行加热，使得游泳池水可以在24h之内始终保持温暖[7]。此外，地热空调在运行的过程中不会向空气中排放任何有毒气体，属于绿色环保装置。

3 建筑节能设计中新能源应用案例

3.1 工程概况

此次研究的案例是某县粮食平房仓、仓库及办公楼屋面设置太阳能光伏系统的设计项目，该工程项目位于某县新建库区，预计安装容量为8.86万kW·h。该建筑工程项目在设计初期便十分注重节能环保理念的融合，其节能设计主要体现在屋面，即设计人员在建筑屋面之上安装了太阳能光伏列阵，随后又将逆变器以及控制器的引出端连接于公共电网，此种设计方式可以减少蓄电池的安装，不仅可以节约设备资源的使用，还可以满足建筑工程施工的电力供应需求。与此同时，电网与光伏方阵的并联设计，可以利用光伏发电系统转化电能，以此既能够满足建筑内部生产用电需求，又可以为建筑区域公共照明设施提供电力支持[8]。如果该过程中产生多余电能，太阳能光伏发电系统的设计可以将多余电能直接馈至电网，有助于防止能源、资源浪费。

3.2 部件设计

3.2.1 太阳能电池阵列

首先，光伏组件选型。该建筑工程所选用的是多晶硅光伏组件，不同于单晶硅光伏组件，其运行效率偏低，但运行成本相对偏低，且组件运行时功率的衰减率<15%，使用寿命较长。此次建筑工程项目使用的峰值功率为165Wp，峰值电流为7A，峰值电压为24V。其次，并网光伏系统效率计算。该系统的总效率主要是由交流并网(η2)、逆变器(η1)以及光伏阵列(η3)组合而成，总功率计算公式为η1×η2×η3。与此同时，光伏阵列表面太阳能辐射量计算，计算公式为RD=[sin(α+β)/sinα]×S+D，其中RD表示倾斜光伏阵列面太阳能总辐射量、α表示太阳高度角、β表示光伏正面倾斜角、S表示水平面上太阳直接辐射量、D散射辐射量[9]。

3.2.2 其他装置的选择

该建筑节能设计中除了需要安装太阳能电池阵列之外，还需要设计安装其他相关装置。例如，逆变器(图1)是该建筑工程节能设计新能源应用的重要装置，其质量与系统运行的安全性以及稳定性等关系密切。在1MWp光伏并网发电单元当中，逆变器有4台并网连接，功率均为250kW，而在并网发电逆变系统当中，逆变器共有12台，功率均为250kW。

图1 逆变器

监控系统，其安装作用主要是对系统运行情况的了解，在该建筑工程监控系统设计工作中，并网变电器最多可连接50台，且该系统能够对50台变电器的日发电量以及累计发电量等进行监控，进而助力工作人员了解各项数据信息[10]。环境监测装置，该装置的安装目的主要是对风速、风向以及日照强度等进行实时监测。系统防雷接地装置，该装置是建筑工程设计施工中的重要内容，其可以防止建筑遭受雷击，也可以对光伏并网发电系统进行有效保护，有助于确保光伏并网发电系统的正常运行。

4 结语

随着人民生活水平的逐步提高，人民的节能环保意识明显增强，各建筑企业若想获得长久、稳定发展，便需要与时俱进，积极响应国家节能降耗以及环境保护等号召。建筑节能设计具有减少能源消耗、降低施工污染以及促进绿色建筑发展等作用，不仅是建筑行业节能化转型的重要途径，也是转变传统建筑施工模式的重要表现，尤其是针对节能设计中各类新能源的应用，例如地热能的应用、光伏新能源的应用以及风能的应用等，其中光伏新能源的应用最为广泛。