可再生能源在建筑中的应用

摘要：本文针对太阳能的热利用、风能利用、地源热泵和生物质能在建筑中的应用方式及特点提出了可在生能源利用的方式与途径并分析了各种课再生能源在使用过程中存在的问题和将来的发展方向。

关键词：可再生能源；建筑；太阳能；风能；地源热泵；生物质能

Abstract: In view of the application ways and characteristics of the solar thermal utilization, wind energy, ground source heat pump and biomass in construction, this paper puts forward the ways of the energy use and analyzes existing problems of renewable energy in the using course and the future development direction.

Key words: renewable energy; architecture; solar energy; wind power; the ground source heat pump; biomass energy

中图分类号：P754.1文献标识码：A 文章编号：

我国的能源消费量随着经济的发展已经比20世纪80年代翻了一番，目前年耗煤量超过14亿吨[1]，成为世界上第二能源消费大国。而建筑能耗已经占全国能源消费总量的25％以上，如何解决建筑自身的能耗已成为人们日益关注的热点。随着2006年1月《可再生能源法》的颁布和实施，我国太阳能、风能等可在生能源利用比例必将大幅的增加，这无疑将更大的推动可在生能源在建筑中的推广和应用[2]。

所谓可再生能源是指风能、太阳能、水力能、生物质能、地热能和海洋能等非化石能源。目前正在兴起的可再生能源技术还有太阳能热电站、海洋热电站、潮汐发电、洋流发电和波浪发电等。然而并非所有的可再生能源都适于在建筑中应用，例如小水电，潮汐发电等在建筑中应用是非常困难的。能够在建筑中应用的可再生能源通常包括：太阳能热利用、风能利用、地源热泵系统和生物质能等。

1.太阳能热利用

太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大能量。太阳内部的热核反应目前足以维持60亿年，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。虽然地面上的太阳辐射能随着时间、地理纬度、气候变化，实际可利用量较低，但是可利用资源仍远远大于满足现在人类全部能耗。太阳能热利用目前应用广泛，也是应用比较成熟和利用效率比较高的可再生能源。其利用方式主要包括以下几种：

第一非玻璃表面集热器。它的集热装置不采用玻璃作为表面吸热器，其形式有铜板铜管、铜鳍片铜管、不锈钢板管、非金属板管（高分子聚合物）。它的主要特点是成本比较低，出水温度也低，工艺比较简单，但是重量轻，主要应用于季节性游泳池的加热和一些不需要太高出水温度的场合。

第二玻璃平板太阳能集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。在太阳能低温利用领域，平板集热器的技术经济性能比较好。但的它质量较大，容易破碎，使用不太方便。

第三真空管集热器。在内玻璃的外表面，利用真空镀膜机沉积选择性吸收膜，把内管与外管之间抽真空，这样就大大减少对流、辐射与传导造成的热损失，使总热损降到最低，这就是真空集热管的基本思路，目前在我国住宅中大量使用这种热水器。

到2006年底，我国太阳能热水器年产量已达1,800万m2，保有量9,000万m2。但是我国的太阳能热水器多集中在建筑的屋顶部分使用，与建筑集成性较差。很多太阳能热水器质量不过关，生产厂家缺乏科研创新能力，导致热水器在低水平重复性的发展，无法与建筑结合紧密，虽然一些较大的厂商在进行与建筑一体化的尝试，目前大都安装在阳台处或屋顶上，整体利用水平还有待提高。

2.风能利用

风速与地理位置有关，就一个地区而言离地面越高风速越大。一般离地面4米的风能就可以利用，离地面15米高处的风能有很高的利用价值，对于高层建筑来说其屋顶的风力利用价值更高。

目前，风力发电机在建筑中应用的比较少，基本上是在屋顶上应用,与光伏发电形成风光互补系统。荷兰的MVRDV事务所设计的2000年汉诺威世博会荷兰馆在其建筑顶部安装了风力发电机，为这栋建筑提供电力[4]。而著名的风力发电机生产商英国的Fortis公司目前也为一个工厂顶部安装了风力涡轮发电机，以提供该厂房的部分电力。

如何使风力发电与建筑更好的结合是建筑师正在努力探索的一个方向，而目前大都停留在计算机模拟和风洞试验的方案阶段。福斯特的风磨体型研究项目试图将风力涡轮发电机整合到多功能的高层建筑中，在这个项目中福斯特利用计算机进行分析，得到了最佳的体型，以产生最大的风力，提高建筑的电力自给能力。如果该项目建成，将为1,500户郊区居民提供足够的电力。进行这方面探索的不仅仅有福斯特，罗杰斯也在进行这方面的探索，在他设计的东京透平塔楼（Turbine Tower）中利用风洞模拟，设计了符合空气动力学的体型。该建筑体型使得经过建筑的风力加速，驱动涡轮风力涡轮发电机发电，为整个大厦提供能源，然而两栋建筑由于种种原因都未能实现。英国的ZED利用计算机模拟建筑的风环境,设计了Flower Tower,这是一个有四座塔楼的摩天楼，建筑师在这座建筑在四个塔楼交汇处安装了垂直轴风力发电机，这种风力发电机可以不受风向的限制，只要风力充足就能产生足够的电能，这样建筑在建成之后就可以不受风向的限制，使风能的利用达到最佳效果。在我国，珠江新城也已经完成了方案设计，这座建筑可以说是将风力发电与建筑完美结合起来，建筑师利用软件对建筑形体与当地风环境进行分析和模拟，得到了最佳的形体。预计这座流线体建筑建成之后其能量可以全部自给自足。

虽然由于种种原因风力发电与建筑的一体化进程缓慢，应用不够广泛，但是随着科技的日益进步和人们能源意识的不断加强，风力发电在建筑中的应用将会得到进一步发展。

3.地源热泵

地源热泵技术是利用地球表面浅层地热资源中吸收的太阳能和地热能而形成的低温、低位热能资源，并利用热泵原理，通过少量的高位电能的输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术，是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式。它具有中央空调合理利用能源、设备，能效系数高，运行成本低，安全、可靠等优点，又具有分散空调调节灵活、方便、便于管理和收费等优势。

目前国内外普遍采用的地源热泵地下环路的(即地热换热器)埋管方式，有水平埋管、垂直埋管和地下水热泵三种基本的配置形式。

水平埋管是地热换热器管道在浅层土壤中水平埋设。水平埋管占地面积大，而且水平埋管的地热换热器容易受地表气候变化的影响，效率较低，因此这种水平埋管的地源热泵空调系统在多数情况下并不适合我国人多地少的国情。

垂直埋管是地热换热器管道在土壤中垂直埋设地热换热器。其型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。

地下水热泵系统就是通常所说的深水井回灌式水源热泵系统，其热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但为了保证地下水水位，对于较大的应用项目通常要求把地下水回灌到原来的地下水层。

近几年来地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。 尤其在天津等地热资源丰富的地区，新建的小区纷纷使用地源热泵系统。天津市海河新天地小区是其中一个具有代表性的范例，小区内冬季供暖全部采用深水井回灌式地源热泵系统，而且该系统还为其中的商业部分提供夏季的空调制冷。地源热泵系统由于高效节能，一机多用，运行稳定可靠，目前越来越受到人们的重视。

应注意到的是我国有关地源热泵的现成技术资料不多，缺少这方面的设计、生产、安装和维护人员，而且生产相关设备的厂家少，需加强相关技术人才的培养；需向世界上热泵技术比较发达的国家学习，但由于我国气候条件不同，因此不能照搬外国的技术成果，而应注意吸收国外正反经验，合理布局，稳步发展，在条件相对成熟的地区多进行试验和总结。

4.生物质能

生物能大致可以分为两类――传统的和现代的。传统的是指燃烧薪柴所获得的热能，现代生物能是指那些可以大规模用于代替常规能源亦即矿物类固体、液体和气体燃料的各种生物能。巴西、瑞典、美国、英国的生物能计划便是这类生物能的例子。英国的贝丁顿生态小区是一个现代生物质能应用的成功范例。整个小区的生活用电和热水的供应由一台130千瓦的高效燃木锅炉来提供。木材的预计需求量是每年1,100吨，其来源主要是邻近的速生林和周边地区加工木材的废料。而且其计划了稳定的来源，主要是其邻接的生态公园中的速生林。整个小区需要一片3年生的70公顷的速生林，每年砍伐其中的1/3，并补种上新的树苗，如此循环往复。树木在成长过程中吸收了CO2，又在燃烧过程中等量释放出来，这可以说是一种零温室气体排放的清洁能源[5]。许多的国家和地区也在积极的研发利用生物质能的技术，生物质能今后会成为人类的主要能源之一。

随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，建筑能耗的需求会越来越大，给能源、电力、环境等方面带来越来越大的压力。利用可再生能源来解决这个问题是未来的发展趋势，但可再生能源的应用应根据不同地区的气候特点，不同的使用要求，综合采取多种技术措施，才能更好的解决这个问题。

参考文献:

[1]翟秀静.新能源技术［M］.北京： 化学工业出版社.2010.

[2] 戴彦德，任东明. 从我国社会经济发展所面临的能源问看可再生能源发展的地位和作用［J］可再生能源，2009 (2): 42-43.

[3] 戴维・纪森.大且绿［M］.天津:天津科技翻译出版公司.2005.

[4] 夏菁，黄作栋.英国贝丁顿零能耗发展项目［J］世界建筑，2004,(8):22-23.