浅析建筑节能可再生能源技术与应用
关键词:建筑,节能,可再生 ,能源,技术
引言
采用可再生能源技术是建造低能耗建筑的重要途径。利用可再生能源可以减少或完全代替常规能源，从而达到节能减排的效果。在建筑中应用广泛的是太阳能和地能。
1.国内外发展现状与趋势
可再生能源的典型代表是太阳能。太阳能的辐射能量层出不穷，但太阳能集热效能是有限的，太阳能复合其他能源形式和实时储能是太阳能高效利用的有效途径，并需进一步与建筑环境协调构成。国际上非常重视太阳能与其他能源复合利用和创建新的集热形式，提高能源的综合利用率和经济性。
作为燃烧供热方式的替代，以岩土为基础的地下浅层能量开发利用在国际供热供冷工程中得到了极大重视和发展，热泵可以实现节能环保和可再生能源综合利用。在北方地区，土壤源热泵存在冷、热负荷失衡，导致地温逐年降低，影响长期运行效能，因此需要融合包含地能、太阳能、余热能和蓄能技术。
实施地下蓄能(underground thermal energystorage，UTES)已经成为众多国家解决地源热泵能源补充的有效途径。考虑到北欧和加拿大等国家和地区与中国北方气候条件相近，在此引述这些国家的技术经验。2002年，瑞典在Emmaboda工业园区开设40口200 m深地下换热器，利用太阳能和电力余热，实施地下蓄能，每年冬季供热量补充约1 500 MWh，夏季提供冷量约800 MWh;在Anneberg地区的商业住宅建筑中利用太阳能地下蓄能，开凿了100个竖孔U形换热器，吸收2 400m2太阳能集热量，每年可弥补70%～80%的热量，地下换热器选择在岩体上，实现地下岩体蓄能应用的尝试。2004年，加拿大Ontario大学在校区建成了大型的竖孔式地下蓄能与地源热泵应用系统，共384孔，孔深约213 m，为8个学校建筑设施供热和暖通空调系统所用。日本熊本大学与Fujita公司合作，对一座新建的运动场馆实施了地下蓄能和热泵技术。
事实上，不论太阳能利用、地能利用，还是地下蓄能、相变蓄能，近些年我国都已开始了一些尝试性研究和应用，先后开展了一些探索性工作和应用，尽管技术水平有限，但是已经有了良好的开端。目前，更加需要一些关键的共性技术突破，整合和创新相关产品，优化系统，完善应用。最近，吉林省的一些建筑工程中，许多建设者希望选择节能环保的热泵供热系统，但苦于没有成熟的技术和应用经验，没能得到实施，如吉林水产研究所水产培植环境室建筑、吉林中医学院的药材种植生态园建筑、吉林建工学院节能生态示范建筑以及吉粮花园住宅楼宇等。
2、太阳能在建筑中的应用技术
太阳能可以成为建筑物供热(生活热水、采暖)、空调及照明、供电的主要能源。太阳能与建筑结合，使建筑物的屋面、墙体、外窗等外围护结构成为太阳能集热器和光电版的附着载体，既充分利用了太阳能源，又不破坏建筑物外观，甚至可以成为很好的建筑景观。
2.1太阳能热水系统
太阳能热水系统是目前技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的太阳能应用技术，主要用于为建筑物提供生活热水。太阳能集热器是太阳能利用的最重要组成部分，其性能和成本是太阳能热水系统成败的关键。集热器分平板式和全玻璃真空管式。平板式集热器突出的优点是便于与建筑物相结合;真空管式集热器相对热效率比较高，我国的生产能力和技术水平处于世界领先地位。为了适应与建筑结合，成为建筑部品的需要，生产企业研发生产出分离式热水器，即水箱与集热器分离。太阳能热水器安装的部位从只在屋顶上安装，发展到安装在阳台板上或墙立面上，或与遮阳篷、景观构件相结合。热水系统从以户为单位发展到一个单元、一栋楼为一个热水系统，采用集中水箱强制承压循环水控制。热水系统形式多样，如定温产水系统、温差循环系统、双回路水——水交换系统、定温——温差循环系统、直接式机械循环系统、间接式双回路排回系统等。
国家出台了一系列相关标准规范，以指导、规范太阳能热水系统在建筑领域的应用。对太阳能热水系统与建筑结合提出具体要求，例如，集热器的安装方式：贴附在坡屋顶上，排列在平屋顶上的集热器阵列被完全遮蔽，不破坏建筑立面美观和城市景观;系统形式：太阳能集热器本体和贮热水箱分离，水箱放在室内——设备间、阁楼等;安全性：满足建筑规范的抗风、抗雪、抗震、防水、防雷要求，有确保不危及人身安全的措施;维护管理：便于维修和更换部件，至少15年以上的工作寿命。太阳能集热器/系统各种预埋件及热水系统管线(冷、热、回水管，各种信号控制线缆)要有与建筑、结构、电气相配合的措施。
2.2太阳能采暖系统
太阳能采暖系统一般分为两种模式：被动式和主动式。被动式太阳能采暖是根据太阳高度角冬季低夏季高的自然特征，通过合理设计，依靠建筑物结构自身来完成集热、贮热和释热功能的采暖系统。被动式采暖系统结构简单，造价不高，节能效果显著。目前已成为世界各国推广的太阳能采暖主流技术。被动式太阳能采暖系统也存在缺陷，由于其蓄热能力较差，致使夜晚和冬季供热品质较低，夏季降温效果也比较差。
太阳能热水系统的技术发展为主动式太阳能采暖的应用奠定了基础。采用主动式太阳能采暖，降低系统温度以提高集热器效率是提高整个系统效率的关键。采用地板辐射采暖恰好与太阳能热水系统的特性相匹配。地板辐射采暖不需要较高温度的热水即可得到很好的采暖效果，同时混凝土地面又是良好的蓄热体，可以储存太阳能热水的热量。建造低能耗建筑，应将被动式和主动式太阳能采暖系统有效地组合起来，发挥各自优势，达到最大限度地利用太阳能。
3、热泵技术
热泵技术是通过动力驱动作功，从低温热源中取热，将其温度提升，送到高温处放热，由此可在夏季为空调提供冷源，冬季为采暖提供热源。可利用的低温热源很多，包括有室外空气、地表水、地下水、城市污水、地下土壤以及工业工艺过程中的低温水，如电厂冷却水。依据不同的热源形成了各种不同的热泵技术。采用热泵技术可以大大降低采暖空调的电耗，是建造低能耗建筑的主要技术措施。
3.1地下水源热泵技术
地下水的温度相当稳定，一般等于当地全年平均气温或高1℃~2℃左右。地下水源热泵系统，通过打井抽取地下水，利用热泵机组提取地下水的低温能量，实现供热制冷。地下水源热泵系统通常采用闭式系统，将地下水和建筑内循环水之间用板式换热器分开。
地下水源热泵技术的应用受到水文地质条件的限制。回灌是地下水源热泵系统的关键技术，为此地下水源热泵系统必须具备可靠的回灌措施，保证地下水能100%的回灌到同一含水层内。目前，国内地下水源热泵系统有两种类型：同井回灌系统和异井回灌系统。同时要保证地下水不被污染。
3.2地表水源热泵技术
地表水包括河川水、湖水、海水等，只要地表水冬季不结冰，均可作为低温热源使用。地源热泵系统还包括了原生污水、再生水和工艺冷却水等水源。地表水源热泵技术在实际工程中主要存在三个问题：冬季供热的可行性，夏季供热的经济性，长途取水的经济性。技术上要解决水源导致的换热装置结垢引起换热性能降低。海水源热泵系统的海水腐蚀问题非常突出。
地表水源热泵系统通常由取水构筑物、水泵站、热泵站、供热与供冷管网、用户末端供热或供冷系统组成。冬季供热从水源中提取热量，会使水温下降，须防止水的冻结。夏季利用地表水源作空调制冷的冷却水有很大的经济性问题，需要与冷却塔作比较。此外，利用地表水源要很好地计算水泵的耗能量，特别是远距离输水，要进行综合性经济评价。再生水(中水)源热泵系统是地源热泵的一种重要形式，污水夏季温度低于室外温度，冬季高于室外温度，是一种比较好利用的低温热源。污水源热泵在安全性和环保性上更具优势。
热电厂生产过程中的循环冷却水，以及其他行业生产企业在工艺过程中的冷却循环水，恰好可作为水源热泵系统的冬季优质热源。这样可以提高企业的综合能源利用效率，同时减少冷却水蒸发量，节约宝贵的水资源，还可减少向环境的热量和水汽排放，具有非常显著的经济、社会和环境效益。
3.3埋管式土壤源热泵技术
土壤具有良好的蓄热性能，土壤温度全年波动较小且数值相对稳定。埋管式土壤源热泵系统正是利用了土壤的这一特性，使其运行效率比传统的空调运行效率要高40%~60%，节能效果明显。埋管式土壤源热泵系统包括土壤耦合地热交换器，它或是水平安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井中。不同的热交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。通过循环液体(水或防冻液)在封闭地下的埋管中流动，实现系统与大地之间的传热。U形垂直埋管的深度分为浅层(30m以下)、中层(30-100m)和深层(100m以上)。系统设计时需要充分考虑系统的冷热平衡特性，以保证地下土壤的温度波动在可接受的范围内。对于高层建筑，由于建筑容积率高，可埋管的地面面积不足，所以一般不适宜。
结束语
建筑是可再生能源应用的重要领域，我国太阳能、浅层地能和生物能等资源十分丰富，在建筑中应用前景广泛。目前，虽然我国太阳能光热利用、浅层地能热泵技术及产品发展比较迅速，但与建筑结合的程度不够，应用范围较窄，系统优化设计水平不高，距离大规模推广应用还存在不少差距，甚至存在一些区域性利用问题，需要大力进行扶持、引导，使其尽快达到规模化应用。
参考文献
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