可再生能源利用在既有建筑节能改造中的应用研究

【摘要】随着节能建筑在我国的逐渐推广，对既有建筑如何进行节能改造成了大家关注的焦点。本文选用太阳能和地热能两种可再生能源，研究了其在既有建筑节能改造中的应用。

【关键词】既有建筑；节能改造；可再生能源；太阳能；地热能

【中图分类号】TU635【文献标识码】【文章编号】1674-3954（2011）03-0297-02

一、引言

建筑是满足人类物质和精神生活需要的重要人工环境。能源是人类生存和发展的重要物质基础。近年来，能源环境问题已经成为世界各国最为关注的热点。

建筑节能概念起源于西方发达国家，主要是指将节能型的技术、工艺、设备、材料和产品等，综合运用于建筑物的规划、设计、新建、改造和使用的过程中，并执行节能标准，将可再生能源及时利用，以提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率等方式，加强建筑物用能系统的运行管理。在室内热环境质量拥有基础保障的前提下，减少包括供热、空调制冷制热、照明、热水供应等在内的建筑物使用能耗[1]。

既有建筑节能的对象是已经投入使用的建筑物，在使用者拥有稳定舒适的生活和工作环境的基础上，对使用能耗进行降低，使其符合国家节能标准。既有建筑节能改造是指对不符合民用建筑节能强制性标准的既有建筑进行围护结构、供热系统、采暖制冷系统、热水供应设施和照明设备等实施节能改造，在不降低系统服务质量的前提下，应用高新节能技术及产品，提高运行管理水平，使用可再生能源等途径，提高建筑的能源使用率，减少能源浪费，节约用能费用。

二、可再生能源利用

可再生能源是指可以再生的能源总称，包括生物质能源、太阳能、光能、沼气等。生物质能源主要是指雅津甜高粱等，泛指多种取之不竭的能源，严格来说，是人类历史时期内都不会耗尽的能源[2]。

为了实现建筑为人类提供健康、舒适工作和生活环境的功能，又减少对传统能源的使用，减轻对能源的依赖和环境的污染，可以在有条件的改造区设计安装专门的系统利用太阳能、地热能等可再生能源来取代传统能源。

1、太阳能利用

太阳能是资源潜力最大的可再生能源，可利用的技术包括制热、发电、采光和制冷等。其利用方式可以分为被动式和主动式两种。由于采暖和空调能耗占建筑能耗的65%以上，本文将重点研究利用太阳能采暖和通风措施。在利用过程中，冬季增加太阳辐射得热和夏季减少太阳辐射得热是重要目标[3]。

（1）被动式太阳房采暖和通风降温

被动式太阳房采暖是指不依靠任何机构动力通过建筑围护结构本身来实现吸热、蓄热、放热的过程，从而达到房屋利用太阳能采暖的目的。其过程一般是让阳光直射入窗户进入采暖房间，或者先照射在集热器部件上，然后通过空气循环将太阳能送入室内。被动式太阳房按照结构的不同可以分为直接受益式、集热墙式、附加阳光间式、卵石床蓄热式和屋顶池式几种类型。本文着重介绍直接受益式、集热墙式和附加阳光间式。

①直接受益式。如图3.1所示，一般在房屋的南立面设置较大面积的玻璃，太阳光直接照射作为集热储热体的屋内地面、墙体，地面和墙体白天吸收阳光辐射热并储存起来，夜晚将白天吸收的热量释放出来维持室温。这种方式使用方便且结构简单，但是其不足之处在于窗户面积较大可能造成夏季较大的冷负荷，在白天光线过强的情况下容易引起眩光，导致室内温度波动较大。

②集热墙式。如图3.2所示，集热墙式是在直接受益式基础上增加集热手段，让在室内太阳辐射获得量增强，并且能有效避免太阳光直接射入室内。在墙体的表面设有吸收率高的涂层，墙体上下开口，夹层空气就会受到热压的驱动，冷空气从下部开口流入，热空气从上部开口流出，形成了一个气流循环。墙体表面吸收的太阳辐射热，主要由夹层空气带入室内。墙体外表面颜色深浅、墙体与玻璃之间夹层热阻的大小，都会影响系统集热效率的高低。为防止夜间热量散失，玻璃外侧应设置保温窗帘和保温板。

③附加阳光间式。如图3.3所示，一般在房间的南侧有一玻璃罩着的阳光间，阳光间与主体房间由墙或窗隔开，主要用于养花或栽培，又称温室式太阳房。其原理与集热墙式太阳房类似，热量通过隔墙上的开口，由空气带入主体房间。

太阳能被动式通风降温技术主要通过太阳房的温室效应和烟囱效应来实现，具体应用形式有太阳烟囱、太阳能屋顶集热器、特布隆墙等。特布隆墙既可用于夏季降温，也可用于冬季采暖。用于夏季降温时，室内空气从底部进入，经蓄热器加热后，在浮力作用下上升，从风道顶部流出。冬季调整开口位置，按相反方向流动，如图3.4所示。

图3.1直接受益式的基本形式图3.2集热墙式

图3.3附加阳光间基本形式图3.4被动式通风降温技术特布隆墙

（2）主动式太阳能采暖

主动式设计是以太阳能集热器作为建筑采暖的热源，通常以空气或水为工质。从主动系统供暖示意图(图3.5)可以看出，主要由集热器、管道、储热物质及散热器等组成主动供暖系统。在工质为水的情况下，循环动力常由水泵提供；工质为空气时，循环动力常由风机提供。与被动式系统相比，主动式系统造价较高且结构较为复杂，其优势在于不容易受外界环境限制干扰，能够节约传统能源[4]。

①空气集热式

空气集热式是以空气为工质的主动式太阳能采暖系统。其主要形式有集热屋面、窗户集热板系统两种，集热屋面是把集热器放在坡屋面、用混凝土地板作为蓄热体的系统；窗户集热板系统（图3.6）适用于昼夜温差大、太阳辐射强度高的地区多层居住建筑。

图3.5主动式太阳能采暖系统图图3.6窗户集热板系统示意图

②液体集热式

如图3.7所示，以液体作为工质的主动太阳能采暖系统。既可以用水做工质，也可以用高沸点的油或防冻剂作工质。一般在建筑顶层设置太阳能集热器。该系统具有采暖和降温的双重作用，该方式已经作为供应生活热水系统普遍推广。

③太阳能热泵

如图3.8所示，是太阳能系统与热泵系统的结合，通过压缩机，借助热量交换，把地面、土壤、水池中的低温热能收集、输送到建筑物内使用，也可以与常规平板集热器结合形成太阳能热泵系统。

在太阳能采暖的各种方式中，用空气作工质的系统因其技术简单成熟、运行安全、造价低廉等优点而得到广泛应用。

3.7液体集热器系统图 图3.8太阳能热泵系统图

2、地热能利用

地源热泵是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统。地源热泵技术是一项值得大面积推广的建筑供能技术。地源热泵是将浅层和深层的大地能量（土壤、地下水、地表水等天然能源）进行综合利用来作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统[5]。

（1）地源热泵的特点

第一，地源热泵是可再生能源利用。锅炉一次能源利用率只有0.8~0.95，而热泵（以地热源热泵为例）输入1kW电能可得4kW热能或5kW冷量。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳所散发到地球上的能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在，几乎取之不尽，类似于无限的可再生能源。据估算，其经济可开发资源总量约为5亿吨标准煤。与常规能源相比，低温地热在供暖及生活热水供应方面具有明显优势。

第二，经济有效，运行稳定。总体而言，在一年中地能或地表浅层地热资源的温度都相对稳定，冬季相对环境空气温度稍高一些，夏季温度稍低一些，这就是很好的冷热源，地源热泵也因为这种温度的特性运行起来稳定可靠，比传统空调系统运行效率要高40%，因此，这种方式不仅使得舒适程度较高，还可以节省费用。

第三，环境效益显著。地源热泵相对空气源热泵可减少40%以上的污染物排放，相对电供暖可减少排放70%以上的污染物。

第四，一机多用，应用范围广泛。地源热泵系统可广泛应用于供暖、制冷以及提供生活热水等等，功能非常强大。

（2）地源热泵的种类

①土壤热交换器地源热泵。这种源热泵包括一个土壤耦合地热交换器，它有水平安装在地沟中的方式，也有以U形管状垂直安装在竖井之中。如图3.9。

②地下水地源热泵。分为开式系统和闭式系统，开式系统是将地下水直接供应到每台热泵机组，之后将井水回灌地下。开式系统在适当的地下水条件和建筑物参数下是一个有吸引力的选择方式，但必须谨慎。闭式系统中，一般包括带潜水泵的取水井和回灌井，用板式换热器将地下水和建筑内循环水分开。

③地表水地源热泵。这种地源热泵中有一个地下水热交换器，是由多重并联的塑料管组成，塑料管潜在水面以下，和土壤热交换地源热泵一样被连接到建筑物中。

图3.9 土壤热交换器地源热泵

（3）注意的问题

地热供暖有其独特性，在某些方面不能套用常规锅炉供暖或市政集中供热的成熟做法，在设计应用时应特别注意处理好热能梯度利用和防腐两个问题。从井中抽出的地热水经供暖系统后就排放掉了，如果排水温度偏高，就会造成资源浪费，影响地热供暖系统的经济效率和节能水平。因此，要采取措施梯度利用地热水的热能，使供暖排水时地热水的温度尽可能低，以提高地热利用率。另外，深井地热水不同于常规供暖用的循环水，地热水矿化度高，常富含腐蚀性的CL-离子等和微量气体(如H2S)，对设备、管路、阀门及仪器仪表等的防腐性很强，需要采取不同于常规的防腐措施，以保证地热供暖系统的正常运行和合理寿命。

鉴于现在的情况，既有居住建筑节能技术改造可分阶段进行。可以先对建筑物维护结构中能耗比较高的部位，采用简单又经济的方法进行改造，实现先期节能。如给门窗加装密封条、窗户玻璃加贴隔热膜、外墙保温改造等。

三、结论

既有建筑节能改造是降低社会总能耗、减轻环境污染的有效途径，事关经济社会的可持续发展，意义非常重大。本文分析指出，太阳能和地热能是最重要的新能源，也是未来建筑节能的方向。

参考文献

[1]何永清. 现代住宅建筑节能与应用[M]. 北京:化学工业出版社, 2010. 6.

[2]郭建. 既有住宅建筑节能改造技术与模式浅析[J]. 大众科技, 2009, 11:74－75.

[3]V. Garcia-Hansen, A. Pattini, Passive solar systems for heating and ventilation for rooms without an equator-facing façade, Renewable Energy 2002, 26:91-111.

[4]何文晶. 太阳能采暖通风技术在节能建筑中的研究与实践[D], 山东建筑工程学院, 2005.

[5]沈致和. 住宅节能原理与设计[M]. 合肥：安徽科学技术出版社, 2006. 4-6.