可再生能源在建筑中的应用.docx

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可再生能源在建筑中的应用

1前言

目前,中国是世界上最大的建筑市场,每年增加的建筑面积高达20亿m2,据统计,建筑能耗所占社

会商品能源总消耗量的比例已从1978年的10%提高到25左右[1]。

建筑能耗（包括建造能耗、生活能耗、

采暖空调等）约占全社会总能耗的30%,其中主要是采暖和空调,占到20%;而这仅仅是建筑物在建造和

使用过程中消耗的能源比例,如果再加上建材生产过程中消耗掉得能源,建筑相关能耗将占到社会总能耗

的46.7%,由此可见,建筑耗能是十分巨大的。

针对目前世界范围内的能源紧张局面,充分利用可再生能

源促进社会主义发展是一个行之有效的办法,对于解决目前巨大的建筑能耗现状也是一个有效的途径。

2绿色建筑

2.1绿色建筑的定义

绿色建筑就是资源有效利用的建筑,即“4R”建筑,也就是减少（Reduce）建筑材料、各种资源和不

可再生能源的使用;利用可再生（Reproducible）能源和材料;回收（Recycle）材料和排水,设置废弃物

回收系统;在结构允许的情况下重新使用（Renew）旧材料。

美国材料试验协会（ASTM）对“绿色建筑”所下的定义为:

所谓“绿色建筑”,包括各种类型的居住建筑、工业建筑、商业建筑,在其设计、建造、改建和拆毁的过程中,都是与环境密切相关[2]。

绿色建筑显示了环境科学、经济学和工程技术所取得的卓越成就,其内容包括了:

节能、能量的有效

使用、室内空气品质、资源和材料的有效利用。

绿色建筑的概念贯穿于建筑设计、现场施工、建造、使用

和拆毁的全过程。

绿色建筑强调的节能包括提高能效和能源的综合利用两大部分;它强调的资源和材料的有效利用包括

自然能（如太阳能）的利用、日光、地热的应用以及无公害“绿色”材料的综合利用等。

“绿色建筑”带

给用户的将是舒适、良好的空气品质、高工作效率和低运转费用[3]。

3郑州绿色建筑示范楼

郑州绿色建筑示范楼的能源系统构建主要根据郑州地区的气候特征、地域特征进行设计的,主要应用

的技术有太阳能光电技术、太阳能光热技术、风力发电技术以及地源热泵技术。

3.1太阳能光电技术

自50年代研制成第一块实用的硅太阳能电池、60年代太阳能电池进入空间应用、70年代进入地面应

用。

发展到今天,世界太阳能电池组建的年产量达到200MWP以上,已经投入应用的各种太阳能光电系统

的累积容量已超过1100WP。

这些年太阳能电池及其组建的制造技术有了长足的发展,主流的太阳能电池是单品硅太阳能

电池、多

晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

郑州绿色建筑示范楼主要使用的是非晶硅太阳能电池,非晶硅太阳

能电池的优势主要有以下几个方面:

（1）材料和制造工艺成本低;

（2）易于形成大规模的生产能力;（3）

品种多,用途多。

太阳能光电装置主要安装在屋顶屋面等其他适当的地方,与以往的太阳能光电板安装不同的是,示范

楼的太阳能光电板安装后的太阳能光电板稳重美观,与周围的建筑相互辉映,同时,其布置充分考虑了屋

顶的防水、结构的支撑和抗风安全性等因素。

郑州绿色建筑示范楼位于系统每月的发电量受很多因素的影响,最主要的因素在于当月的太阳平均辐

射量。

较之于全年其他月份,1,2月份的发电量会相对偏低。

气象统计资料显示,由于日照时间短、阴雨

天气偏多、1,2月份的单月太阳辐射量（MJ/㎡）仅为全年月平均辐射量的66%,而7,8月份的单月太

阳辐射量（MJ/㎡）可达全年月平均辐射量的145%,系统发电量会比冬天大幅增加,因此屋顶坡度的设计

定位33度。

3.2风力发电技术

风电一直是世界上增长最快的能源,装机容量每年增长超过30%。

到2003年初,全球风力发电装机

容量达到3200万千瓦,亦即其总量已经相当于32座标准的核电站。

近几年来,风力发电的发展不断超越

其预期的发展速度。

过去5年中全球风电累计装机容量的平均增长率,一直保持在33%,而每年新增风电

装机容量的增长率则更高,平均为35.7%。

根据郑州地区多年的统计数据可知,郑州市大部地区有效风能时数（风速3~20米/秒的总时数）为

3000小时左右,平均有效风能密度100瓦/平方米左右,风能储量在300千瓦小时/平方米左右。

从这些数

据可以看出,郑州地区的风能在全国来说处于中等偏下的水平。

因此,在郑州绿色建筑示范楼中,设计采

用两台低风速风力发电装置。

利用风能有以下几个方面的优点:

（1）风能资源十分丰富;

（2）风电技术日臻成熟;（3）建设工期短,

见效快;（4）遏制温室效应发展;（5）边远农村独立供电;（6）风场也成旅游项目。

风力发电装置的特殊性要求主要表现在两个方面:

首先,风力发电装置的安装要求,这主要表现在风

力发电装置在建筑物上的固定,一般来说,在设计师手中,绿色建筑的造型存在不同的风格,但是风力发

电装置必须保持其水平性,这就要求设计师在适宜的位置构建水平台;其次,风力发电装置的运行要求,

风力发电机存在着启动速度和运转速度,在建筑上使用风力发电装置必须考虑这个要求,要尽可能的提高它的高度。

风力发电装置由风力发电机和蓄能装置两部分组成,风能的不稳定性是限制风能迅速应用的一个显著

因素,采用蓄能装置可以有效地解决风能不稳定这个问题。

因此在设计时需要对绿色建筑的能耗和该地区

的风能大小进行预测,并且确定蓄电池的大小,这样才能更有效地对风能进行应用。

3.3地源热泵技术

这是一种利用地下浅层地热资源的高效节能、零污染、低运行成本、既可供热又可制冷的高效节能空

调系统,包括土壤式（垂直埋管和水平埋管）、地表水式（湖水、河水、海水及污水）、地下水式等多种应

用方式。

众所周知,地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度,在冬季,把地能中的热量“取”出

来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量“取”出来,释放到地能中去。

它不向外界排放任

何废气、废水、废渣,是一种理想的“绿色技术”。

地源热泵同一般建筑中常用的空气源热泵系统相比,

有许多优点:

（1）属于可再生能源;

（2）节能;（3）环保;（4）运行稳定;（5）经济性。

通常地源热泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

地源热泵系统在提供100单

位能量的时候,70%的能量来源于土壤,30%的能量来自于电力,用于将土壤中的热量“运”至室内。

与

锅炉（电、燃料）供热系统相比,锅炉供热只能将90%以上的电能或70%一90%的燃料内能转换为热量

供用户使用,地源热泵的转换效率为4.0以上,因此它要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能,比燃料

锅炉节省二分之一以上的能量,运行费用为各种采暖设备的30%-70%;由于土壤的温度全年较为稳定,一

般为10-20℃之间,其制冷、制热系数可达3.5-4.7,与传统的空气源热泵（家用窗式和分体式空调、中

央式风冷热泵）相比,要高出40%以上,其运行费用仅为普通中央空调50%-60%。

地源热泵技术经过多年的发展已经日渐成熟,在建筑领域的应用面积也在不断增加。

郑州绿色建筑示

范楼主要采用垂直埋管式土壤源热泵,末端采用了地盘管和风机盘管两种方式,其中供暖使用地盘管,制

冷使用风机盘管。

供暖采用地盘管系统热量由下向上传递,能够显著的增加人体的舒适度;夏季制冷采用

风机盘管,能够有效地避免冷凝水的问题。

3.4太阳能光热技术

从环保、节能、使用绿色能源等方面考虑,在建筑中推广使用太阳能热水系统来为人们提供生活热水

已经是社会发展的必然趋势。

太阳能热水器行业经过20多年的研究、开发,取得一大批科技成果,并形

成产业化生产。

我国已成为世界上太阳能热水器产量最多的国家。

太阳能热水器推广应用范围正在不断扩

大,正从中、小城市、小城镇向大中城市的市场扩展,从分散、独立使用方式向分散、独立与集中并举的

方式发展。

不同型号的太阳能热水器广泛应用在大江南北、城市乡村。

虽然总量可观,但是太阳能热水器厂商往往把主要精力放在产品技术开发和更新换代上,而忽视了一

个非常关键的问题:

那就是如何在建筑物这个载体上更加合理地、充分地利用太阳能资源,使太阳能产品能够规范地与建筑相结合。

这就导致了难以形成一个或几个以一定区域为中心,与房地产开发商充分合作,

集组件生产、配件供应、品牌销售以及安装服务的工业集合体。

建筑作为人类的基本生存工具和文化体现,是一个复杂的系统,一个完整的统一体。

将太阳能技术

融人建筑设计中,同时继续保持建筑的文化特性,就应该从技术和美学两方面人手,使建筑设计与太阳能

技术有机结合,将太阳能集热器与建筑充分结合并实现整体外观的和谐统一。

这就要求在建筑设计中,将

太阳能热水系统包含的所有内容作为建筑元素加以组合设计,设置太阳能热水系统不应破坏建筑物的整体

效果。

为此,建筑设计要同时考虑两个方面的问题,一是考虑太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响,包

括建筑物的使用功能,围护结构的特性,建筑体形和立面的改变;二是考虑太阳能利用的系统选择,太阳

能产品与建筑形体的有机结合[5]。

当采用一体化技术时,太阳能系统成为建筑设计的一部分,这样可以提高系统的经济性,太阳能部件

不能作为孤立部件,至少在建筑设计阶段应该加以考虑。

而更加合理的做法是利用太阳能部件取代某些建

筑部件,使其发挥双重功能,降低总的造价。

具体而言,太阳能集热器与建筑一体化的优点可总结如下:

（1）建筑的使用功能与太阳能集热器的利用有机结合在一起,形成多功能的建筑构件,巧妙高效地利

用空间,使建筑可利用太阳能的部分——向阳面或屋顶得以充分利用;

（2）同步规划设计,同步施工安装,节省太阳能系统的安装成本和建筑成本,一次安装到位,避免后

期施工对用户生活造成的不便以及对建筑已有结构的损害;

（3）综合使用材料,降低了总造价,减轻建筑荷载;

（4）综合考虑建筑结构和太阳能设备协调和谐,构造合理,使太阳能系统和建筑融合为一体,不影响

建筑的外观;

（5）如果采用集中式系统,还有利于平衡负荷和提高设备的利用效率;

（6}太阳的利用与建筑相互促进、共同发展,使其节省能源、为民众受益。

经过一体化设计和统一安装的太阳能系统,在外观上可达到和谐统一,特别是在集合住宅这类多用

户使用的建筑中,改变使用者各自为政的局面,易于形成良好的建筑艺术形象。

4结论

随着社会的不断进步,人们对能源的需求不断增加。

随着世界人口的不断增大,不论是民用建筑还是

公用建筑每年都在以相当的速度增加,而在社会总能耗中,建筑能耗又占据着相当大的比重,因此,如何

在建筑领域进行可再生能源的利用是一个新的研究方向。

可再生能源包括的种类很多,在应用的过程中,使用者要根据当地的实际情况,因地制宜,选用合适

的可再生能源利用方式,只有这样才能促进可再生能源的利用,缓解我国目前紧张的能源现状,促进社会

主义的和谐发展。