建筑设计中的可再生能源

建筑设计中的可再生能源

摘要：庞大的能源需求导致了人类能源供需的矛盾，在建筑是人们生产生活所依赖的场所，对于建筑方案设计阶段可以采用一些可在生能源的利用措施，如太阳能和风能，以缓解对其他能源的消耗压力，和低碳生产的可持续理念，本文旨在介绍一些建筑设计中常见的可再生能源的运用。

关键词：太阳能地热能生物质能风能现状

正文:

可再生能源建筑应用是指利用太阳能、浅层地热能等可再生能源为建筑物供热、供电、制冷等,可应用的技术范围包括太阳能光热建筑应用、太阳能光电建筑应用、土壤源热泵技术、地表水源热泵技术、海水源热泵技术、污水源热泵技术等。

有效利用可再生能源，促进可再生能源建筑应用发展，是建设资源节约型、环境友好型社会，实现城市可持续发展的重要战略措施，对优化能源结构，提高能源利用效率，保护和改善生态环境具有重要作用。而建筑节能指在建筑材料生产、房屋建筑和构筑物施工及使用过程中，满足同等需要或达到相同目的的条件下，尽可能降低能耗。具体指在建筑物的规划、设计、新建（改建、扩建）、改造和使用过程中，执行节能标准，采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产品，提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，加强建筑物用能系统的运行管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调制冷制热、照明、热水供应的能耗。因而对于可再生能源的利用是建筑节能设计中重要的一部分。

可再生能源系统在建筑设计中的应用：

一、太阳能利用

太阳能在建筑节能中的应用形式主要分为太阳能光热应用和太阳能光电应用。对应形式涵盖内容和特点分述如下。

1.太阳能光热应用主要形式（1）被动式太阳能建筑（2）太阳能热水系统（3）太阳能采暖系统（4）太阳能空气集热采暖系统（5）太阳能空调系统

2.太阳能光电应用主要形式（1）按系统形式分①独立光伏发电系统②并网光伏发电系统（2）按建筑结合形式分①附着于建筑物上的光伏系统（简称BAPV）②集成到建筑物上的光伏发电系统（简称BIPV）②集成到建筑物上的光伏发电系统（简称BIPV）被动式太阳能建筑：不实用机械动力，仅通过太阳能的有效利用，使建筑物具备一定冬季采暖和夏季降温的功能。主要形式用：直接受益式被动太阳能建筑；集热蓄热墙式被动太阳能建筑；附加阳光间式被动太阳能建筑；组合式被动太阳能建筑。

在被动式太阳能建筑的应用中要注意冬季

采暖应用应在综合考虑气候条件、建筑用途和建筑围护结构保温性能等综合因素后确定合理形式。夏季被动降温应考虑遮阳和建筑通风有效措施。设计阶段应进行综合评估，以使被动太阳能建筑即满足使用功能又建造美观、维护方便。

主动式太阳光建筑：太阳能结合常规能源有效利用，满足建筑物的生活热水、采暖、空

调和生活用电需求。主要应用形式有：

（1）太阳能热水系统(这是太阳能光热利用最成熟的方式之一，因其技术成熟且经济效益显著，已实现大规模商业化应用）；

（2）太阳能采暖系统（将太阳能转化成热能，供给建筑物冬季采暖的系统，系统主要包括集热器、贮热器、供热采暖末端设备、辅助加热装置和自动控制系统等。）；

（3）太阳能空气集热采暖系统（由太阳能空气集热器、风机、散流器、温控器等部件组成。当太阳能辐射较好时，风机开启，循环加热室内空气，以解决建筑室内采暖问题。）（4）太阳能空调系统目前的主要形式是太阳能

吸收式空调，系统主要构成包括太阳集热器、吸收式

制冷机和辅助热源。一般夏季空调周期，太阳集热器

负责向吸收式制冷机提供所需要的热媒水，吸收式制

冷机负责将吸收制冷转化后的冷水提供至建筑室内，

供空调使用；冬季采暖周期，由太阳能集热系统直接

向建筑供暖。

太阳能吸收式空调系统的投资回收年限依太阳辐射

资源和全年使用比率确定。对于一些在太阳能资源较

丰富地区的夏季空调、冬季采暖系统，一般投资回收

年限在15年左右。

太阳能光电技术

（1）独立光伏发电系统由太阳能电池

板、充电控制器、逆变器、蓄电池组及线缆

等组成；并网光伏发电系统则是将太阳能光

伏电站产生的电能通过光伏并网逆变器及

控制设备输送到外部电网上，经过电网进行

电能分配至用户终端使用。

（2）并网光伏发电系统是将太阳能光

伏电站产生的电能，通过光伏并网逆变器及

控制设备输送到外部电网上，经过电网进行

电能分配输送至用户。

二、地热能利用

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。浅层地热能利用与地源热泵技术结合构成的系统，可为建筑提供采暖、空调和生活热水。

1.地下水源热泵

近年来，地下水源热泵系统在国内北方一些地区，如山东、河南、辽宁、黑龙江、北京、河北等地，得到了广泛的应用。它相对于传统的供暖（冷）方式及空气源热泵具有如下特点：较好的节能性。地下水的温度相当稳定，一般比当地全年平均气温高1～2℃左右。冬暖夏凉，使机组的供热季节性能系数和能效比高。显著的环保效益。目前，地下水源热泵的驱动能源是电，电能是一种清洁能源。因此，在地下水源热泵应用场合无污染。只是在发电时，消耗一次能源而导致电厂附近的污染和二氧化碳温室性气体的排放。但是由于地下水源热泵的节能性，也使电厂附近的污染减弱。良好的经济性。美国127个地源热泵的实测表明，地源热泵相对于传统供暖、空调方式，运行费用节约18%～54%。能够减少高峰需电量，这

对于减少峰谷差有积极意义。当室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量亦处于高峰期，而此时空气源热泵、地表水源热泵的效率最低，地下水源热泵却不受室外气温的影响

2.土壤耦合热泵系统

(1) 土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，这种温度特性使土壤耦合热泵比传统的空调运行效率要高40%~60%，节能效果明显。

(2)土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出（或放入）的能量可以分别在夏、冬季得到自然补偿。

(3) 室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量一般也处于高峰期，由于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，因此和空气源热泵相比，它可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，从而在耗电相同的条件下，可以提高夏季的供冷量和冬季的供热量。

三、生物质能

生物质能来自于生物质。生物质就是在有机物中除矿物燃料外，所有来源于植物、动物和微生物的可再生物质。主要包括几方面：农作物秸杆和农业加工残余物；林木和林业加工剩余物；人畜粪便、工业有机废物和水生植物；城市生活污水和垃圾。生物质是一种清洁的低碳燃料，其含硫和含氮量均较低，同时灰分份额也很小，所以燃烧后SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料要小得多，是一种清洁燃料。同时，生物质对生态环境的最大贡献还在于其具有CO2零排放的特点，大气中的CO2和地面上的水经光合作用产生用来形成生物质的碳水化合物，如将生物质燃烧利用，则大气中的氧和生物质的碳相互作用生成CO2和水，这个过程是循环的

（1）生物质发电

生物质能发电有着广阔发展前景。首先，生物质能发电在可再生能源发电中电能质量好、可靠性高，比小水电、风电和太阳能发电等间歇性发电要好得多，可以作为小水电、风电、太阳能发电的补充能源，具有很高的经济价值。

（2）沼气应用

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。沼气是一种混合气体，可以燃烧。

（3）生物质能供暖可利用生物质发电或通过沼气、生物质燃气实现。

其中，生物质燃气是一种新兴的可再生能源，它以较干燥的(含水率一般<20％)生物质为气化原料，其中，主要是农业、林业生产和木材加工的副产物、剩余物和废弃物，如农作物秸秆、稻壳、玉米芯、枯木、树头、枝桠、板皮、碎木、刨花、锯末等，经干燥、粉碎和

去除杂物后，将其投入生物质气化炉中，并向炉内输入适量的气化剂(如空气、水蒸气等)点燃，气化原料在缺氧的条件下进行氧化-还原反应(供氧量为气化原料完全燃烧时所需的理论供氧量的20％～28％)，气化后生成可燃性的混合气体，称之谓生物质燃气，其主要可燃成分为CO，H2，CH4等．生物质燃气在发达国家已广泛用于供热及发电。

四、风能是我国目前最有开发前景的一种新能源，取之不尽，用之不竭。城市中建筑物密集，风能效果较差，所以小型风电场主要体现在城市中的高层建筑物之间及建筑物楼顶。科学家发现在高层建筑物之间有着较强的气流，如果装上涡轮发电机和风电设备也能发出电来，其实这种原理并不复杂，我们只要站在楼群之间就能感觉到一股很强的风力，两楼之间的墙面垂直，风到这里不会被吹散，风向固定比空旷地带的风更强劲，并且可以直接吹入涡轮机，在城市中一般将风力涡轮机安装于城市屋顶的露台上。

建筑节能是当今全世界建筑界共同面对的重要技术领域，也是缓解全球能源短缺和改善环境质量的有效发展途径。被动式太阳房的推广及利用已经经历了近30年的发展历程，积累了一定的经验，但是仍旧存在很多问题和不足。我们国家目前就被动式太阳房发展中存在的主要问题有：未形成统一化生产。被动式太阳房集热构件在生产组装的过程中，仍未能有效执行工厂化、标准化、规模化这样的集中统一生产方式，这是影响太阳能建筑推广的主要原因之一；建筑材料有待进一步开发。我们国家目前对新型建筑材料的研究和发展一定程度上制约了太阳房的发展和推广；施工及质量问题。太阳能建筑在施工上较普通建筑而言要复杂得多，其施工质量的好坏直接影响到它的集热效果，所以其成本和造价都较高，一定程度上影响了它的推广和利用。此外，风能发电和光伏太阳能由于研发技术和生产成本等原因在实际应用过程中存在诸多的困难，但我国能源消费全球排名一直居高不下，庞大的能源需求导致了我国能源供需的矛盾。因此，继续发展可再生能源应用于建筑中是必然的。在雾霾不断的今天，生活和办公场所是否健康、舒适、绿色、环保，亦是全社会的普遍关注。