建筑节能技术_5_可再生能源在建筑中的应用

1、大众用电 2007/5 湖南大学建筑环境研究中心陈加宝周晋张国强0引言随着我国国民经济迅速发展 , 能源和资源的短缺以及环境污染已成为十分严重的问题 , 刚刚结束的全国人大、 政协会 议 , 再次将节能降耗和污染减排提到了重要的国家政策的高 度。近年来 , 我国人民生活水平有了很大提高 , 住宅建筑和公 共建筑得到了突飞猛进的发展 , 目前建筑行业已成为我国的 能耗大户 , 建筑能耗呈逐年攀升之势。随着城市化进程的提 高 , 建筑能耗占总能耗的比例已接近发达国家 33%的水平。 随 着经济的发展和生活水平的进一步提高 , 如不加以控制和改 善 , 必将对我国的能源形势构成巨大的压力。因此通过多

2、渠 道、 多方位“ 开源” 的手段 , 充分挖掘、 开发和利用各种可再生 能源 , 满足建筑内环境改善过程中原本不足并不断增加的能 源需求 , 已成为建筑节能工作的重点。 2006年国务院通过了 可再生能源发展中长期规划 , 财政部发布了 可再生能源发 展专项资金管理办法 , 紧密配合 2006年初起施行的 可再生 能源法 , 构成了一个协调配套的法律制度体系 , 为推进我国 可再生能源的开发利用 , 提供了强有力的法制保障。可以预 见 , 可再生能源将在我国能源生产结构中占有重要地位。 可再 生能源的开发利用 , 特别是可再生能源在建筑中的应用 , 会得 到进一步发展。可 再 生 能 源 可

3、 定 义 为 来 自 可 持 续 补 给 的 自 然 过 程 的 能 量 , 其各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部 所产生的热能 , 包括风能、 太阳能、 水能、 生物质能、 地热能、 海 洋能等非化石能源。而在建筑节能领域中应用较多的是太阳 能、 地热能、 生物质能和风能等 , 本文将对可再生能源在建筑 中的应用进行简要的介绍。1太阳能在建筑中的应用太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源 , 资源总量大 , 分布广泛 , 使用清洁 , 不存在资源枯竭问题。 我国地处北 半球欧亚大陆的东部 , 主要处于温带和亚热带 , 具有比较丰富 的太阳能资源 , 并呈现出西部多于东部 , 南

4、部大部分地区少于 北部的特点 , 国内各地的太阳辐射年总量约为 33008400MJ /m 2.a , 平均值约为 5860MJ /m 2.a 。太阳能是一种取之不尽、 用之 不竭的清洁能源 , 但也有 2个主要缺点 :一是能流密度低 , 太阳能利用系统中收集太阳能的设备表面积较大 , 因此其成本 较高 ; 二是其强度受各种因素 (季节、 地点、 气候等 的影 响 不 能维持常量 , 其变化具有一定的随机性 , 稳定性较差。目前太阳能在建筑中的利用方式主要为 :太阳能光电利 用技术、 太阳能光热利用技术。 从我国的实际情况和居民的经 济能力看 , 太阳能光电技术成本过高 , 尚未能在建筑中大规

5、模 推广应用。 而太阳能光热利用技术在建筑中的应用 , 尤其是利 用太阳能来满足建筑中热水、采暖乃至空调是实现建筑节能 的有效方法。1.1太阳能光电利用技术太阳能光电技术 , 即光伏发电 , 是应用半导体器件将太阳光转换为电能的技术 , 具有安全可靠 , 无噪声 , 无污染 , 无需燃 料 , 无机械转动部件等优点。 而太阳能光电技术在建筑中的应 用发展方向为光伏建筑一体化 , 即是指在建筑外表面设置光 伏器件 , 将太阳能发电与建筑功能集成在一起的新型能源利 用方式。光伏器件直接将太阳能转换为电能 , 无噪声、 振动和 其他污染 , 除了在建筑表面安置太阳电池组件 (电池板 和体 积很小的蓄

6、电池逆变器等系统部件以外 , 不占建筑有效空间。 但目前用于商业生产的太阳电池效率只有 13%15%, 而在实 验室不计成本制成的太阳电池效率也不过 23%24%。太阳能 光伏电池制造成本虽逐年下降 , 但仍处于较高的水平 , 相应的 发电成本与常规能源尚不具备可比性。目前国内投入使用的 太阳能光伏电池约为 6万 kW , 在建筑中的应用尚处于示范与 探索阶段。从发展趋势来看 , 今后光伏建筑技术的应用重点将以开 发高效率、 低成本新型光伏电池为主 , 在应用上 , 将以 并 网 屋 顶系统和大型并网系统为主攻方向。上世纪 90年代以来 , 许 多国家对并网光伏系统尤其重视 :美国开展了 10

7、0万套屋顶 光伏计划 , 德国推出了“ 10万屋顶计划” 等。与国外相比 , 我国 光伏建筑技术在应用上刚刚进入起步阶段 , 如 2007年 1月 , 国内首个小区屋顶太阳能发电系统在浙江慈溪市投用。该光 伏电站每年发电 34万千瓦时 , 电站所发的电全部用于地下 车库照明 , 在国内首次实现了居民住宅小区屋顶太阳能光伏 并网发电系统应用。1.2太阳能光热利用技术太阳光热利用技术主要包括太阳能热水、太阳房、太阳可 再 生 能 源 在 建 筑 中 的 应 用栏目 编 辑/梁学 造37专 家 讲 堂 Experts Platform建筑节能技术 (5灶、 采暖与空调、 制冷等技术领域。在我国 ,

8、其中技术最成熟、 产业化发展最快的当属家用太阳能热水器或系统。1.2.1太阳能供热太阳能供热技术是指采用平板集热器或真空管集热器来 吸收太阳能 , 来满足建筑中生活热水或冬季采暖的需求。 根据 系统规模和使用目的的不同 , 太阳能供热技术可分为以下几 种 :家用小型太阳能热水系统、 集中式太阳能热水系统、 集中 式太阳能供热系统 , 前两者以提供生活热水为主要目的 , 后者 在可同时满足生活热水和冬季采暖需求。目前 , 我国投入使用的住宅太阳能热水系统 , 多为仅提供 生活热水的家用小型太阳能热水器 (或系统 , 其技术最成熟、 应用最广泛、 发展最迅速。在我国 , 特别是高日照地区和能源 相

9、对匮乏地区 , 太阳能热水器已逐渐取代电热水器和煤气热 水器 , 成为市场主导产品。 从系统规模化降低成本以及系统控 制的角度 , 集中式太阳能热水系统优于家用小型系统。近年 来 , 随着生活水平的提高 , 以单栋集合住宅等为供热基本单元 的集中式太阳能热水系统开始在国内工程中得到应用。 当前 , 欧洲除了继续研发、 生产高性能的小型家用太阳能 热水器 (或系统 外 , 更重视太阳能集中供热系统的研究与工 程示范工作。太阳能集中供热系统可以为建筑提供生活热水 与冬季供暖。 它一般由太阳能集热器系统、 热水收集及输送系 统、 储热系统、 辅助供热系统 (一般采用燃油或燃气锅炉 、 中 心和分户自

10、动控制热交换系统组成。由于太阳辐射能量是随 昼夜、 天气状况、 季节等因素变化的 , 大型太阳能系统要正常 运行 , 必然要有蓄能装置。根据蓄存与使用能量的时间跨度 , 太阳能集中供热系统可以分为太阳能短期蓄能集中供热系统 和太阳能季节蓄能集中供热系统。太阳能短期蓄能集中供热 系统是一种技术比较成熟并已经应用到实际工程中的系统形 式 , 而太阳能季节蓄能供热系统在欧洲尚处于科学研究与工 程示范阶段 , 这一技术发展的主要瓶颈在于初投资较大。 截止 到 2001年 , 在欧洲共建成 55个太阳能集中供热系统 , 其中 28个项目中的太阳能集热器面积在 10002700m 2, 另外 27个项 目

11、中的太阳能集热器面积为 5001000m 2。项目主要集中在瑞 典、 德国、 荷兰、 奥地利、 丹麦等国家。作为一种相对发展成熟的太阳能热利用技术 , 我国太阳 能热水器 (集热器 的生产应用与德国的风力发电、 日本的太 阳能电池一样位居世界第一。尽管我国是太阳能热水器生产 和应用的第一大国 , 但人均集热面积不到 0.06m 2, 仅相当于日 本、 以色利等国的 1/20。 大规模太阳能供热系统的工程应用仍 然处于空白 , 太阳能供热技术在我国还有相当大的应用潜力 和推广空间。1.2.2太阳能制冷太阳能热利用与季节并不是很匹配 , 即太阳辐射的季节 性变化与建筑的冷热需求在时间上存在差异。冬

12、季寒冷时建 筑内热需求较大时 , 太阳能辐射强度往往不够高 , 而夏季天气 炎热时太阳能辐射强度则很高 , 此时对热量的需求则很少。 理 想的太阳能热利用系统不仅要考虑冬季采暖、 四季供应热水 , 更要考虑太阳能的夏季应用问题 , 因此利用太阳能来实现夏 季制冷显然是太阳能光热利用的最佳方案。太阳能制冷的能 力是随着太阳辐射能量的增加而增大的 , 这正好与夏季人们 对空调的迫切要求相匹配 , 季节适应性好。太阳能制冷主要包括太阳能光伏系统驱动的蒸气压缩制 冷、 太阳能吸收式制冷、 太阳能蒸汽喷射式制冷、 太阳能固 体 吸附式制冷、 太阳能干燥冷却系统等。基于经济性、 可靠性及 实用性等因素的考

13、虑 , 太阳能溴化锂吸收式制冷技术研究和 应用相对较多 , 发展也较为成熟 , 目前国内已有厂家实现了产 品化。 在太阳能溴化锂吸收式制冷系统中 , 太阳能集热器对于 技术的发展有较大限制。平板集热器在超过 90 的高温下效 率过低 , 真空管集热器与聚焦集热器在国际上成本普遍较高 , 因此太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统 , 国际上目前应用 较多的是单效溴化锂吸收式制冷系统。北京太阳能研究所曾成功地在山东乳山完成了一个太阳 空调示范项目 , 采用了 2160根热管型真空管组成的高效集热 器阵列 , 可提供 88 的高温热水 , 该集热器在 88 的高温下尚 可保持 40%的集热效率。溴化锂吸

14、收式制冷机采用大连三洋 单效机组 , 太阳集热器面积为 540m 2, 实现了 100kW 空调制冷 或采暖量 , 可供给 1000m 2面积空调 , 每日可供生活热水 32t 。2地热能在建筑中的应用地热能是来自地球深处的可再生热能 , 中国是一个地热 资源丰富的国家 , 我国地热资源占全球的 7.9%, 总能量为 11×106EJ /a 。根据地热利用温度的高低 , 可分为高温 (>150 、 中 温 (15090 和低温 (<90 三种。 高温地热能主要用于发电 , 中低温地热能一般可直接利用 , 如供热、 温室、 洗浴等。 高温地 热资源 (热储温度 150 主要

15、分布在藏南、 滇西、 川西以及台 湾省 , 中低温地热资源在我国各省市自治区均有分布。由于地热能分布相对比较分散 , 开采难度大 , 以地热水为 热能利用媒介的利用方式受到资源条件的限制 , 并非处处可 用 , 因此近年来 , 利用地表浅层地热的地源热泵技术得到了长 足的发展。 此处的浅层地热包括土壤、 地表水和地下水等蕴含 的低品位热能 , 可认为是更为广泛意义上的地热资源。 因地源 热泵技术受地热资源条件的限制较小 , 因此在建筑中的应用 较多 , 本文也以此为重点进行介绍。地源热泵技术是利用地下的土壤、 地表水、 地下水温相对 稳定的特性 , 通过消耗电能 , 在冬天把低位热源中的热量转

16、移 到需要供热或加温的地方 , 在夏天还可以将室内的余热转移 到低位热源中 , 达到降温或制冷的目的。同时 , 它还可供应生 活用水 , 可谓一举三得 , 是一种有效利用能源的方式。地源热 泵系统包括三种不同的系统 :以利用土壤作为冷热源的土壤 源热泵 , 又称为地下耦合热泵系统或者地下热交换器热泵系 统 ; 以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统 ; 以利用地表水 为冷热源的地表水热泵系统。2.1土壤源热泵土壤源热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组栏目编辑/梁学造38Experts Platform 专 家 讲 堂 大众用电 2007/5成的换热器。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖

17、直 埋管两种。 土壤源热泵的优点主要为 :节能、 系统寿命长、 运行 费用低。 与空气源热泵相比可节能 30%; 与纯电力或常规燃料 供热及制冷相比可节能 60%。 土壤源热泵的缺点主要为 :地下 换热器的传热性能受土壤性质影响较大 ; 系统连续运行时 , 热 泵的冷凝温度、 蒸发温度受土壤温度变化的影响而波动 , 导致 热泵运行效率下降 ; 由于土壤热导率较低 , 地下换热器与周围 土壤的传热量较少 , 因此与空气源热泵相比 , 土壤源热泵地下 换热器的设计换热面积较大。山东某大学学术报告厅采用垂 直埋管土壤源热泵系统 , 空调面积 500m 2, 垂直埋管换热器占 地 250m 2, 钻孔

18、深度 62m , 共 25个孔 , 垂直埋管总长度 3000m , 热 泵 系统 制 冷 量 和 制 热 量 为 130kW 和 100kW , 目 前 运 行 良 好。2.2地下水源热泵地下水热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的 地下水。 按照回灌方式分类 , 地下水源热泵分为异井回灌地下 水源热泵和同井回灌地下水源热泵。异井回灌地下水源热泵 通 过 设 置 抽 水 井 与 回 灌 井 实 现 地 下 水 热 源 与 热 泵 的 能 量 交 换。同井回灌地下水地源热泵是国内近几年提出的一种新型 地下水地源热泵 , 该热泵抽水井与回灌井集成在同一口井中 , 通过隔板把井分成两部分 , 一

19、部分是低压 (吸水 区 , 另一部 分是高压 (回水 区。当潜水泵运行时 , 地下水从低压区被抽 至井口换热器中 , 与热泵换热 , 再由同井返回到回水区与含水 层换热 , 使抽水和回灌在含水层同一径向位置不同深度处同 时发生。 该技术从根本上解决了常规水源热泵回灌不利、 移砂 所导致的地层不均匀沉降问题。 由于水资源的紧缺和宝贵 , 使 用地下水源热泵系统要采用慎重的态度。世界上最大的地源 热泵系统位于美国的路易维尔市 , 它使用地下水作为热源 , 空 调 面 积 达 161650m 2, 系 统 制 冷 和 制 热 量 分 别 为 15.8MW 和 19.6MW 。在 15年的运行中没有发

20、生系统问题 , 与临近的一栋 相似的建筑相比节约了 47%的能源。2.3地表水源热泵地表水源热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河流等中 的地表水。在靠近江河湖海等大体量水体的地方利用这些自 然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的形 式。 和地下水源热泵系统类似 , 地表水源热泵系统可分为开式 和闭式系统。 由于地表水温度受气候的影响较大 , 与空气源热 泵类似 , 当环境温度越低时热泵的供热量越小 , 性能系数越 低。而且这种热泵的换热对水体生态环境的影响有时也要加 以考虑。湖南省湘潭市某区域供冷供热系统采用湖水作为热 源 , 空调面积 91000m 2, 系统制冷和制热量分别为 1

21、2190kW 和 6953kW , 通过冬夏两季运行测试 , 热泵系统 COP 在制冷时 比 风冷热泵高 0.70.85, 在制热时系统 COP 比风冷热泵高 0.46左右。3生物质能在建筑中的应用生物质能是以生物质为载体的能量 , 生物质能本质上来 自于太阳 , 地球上的绿色植物、 藻类和光合细菌 , 通过光 合 作 用贮储化学能。 我国的生物物质也十分丰富 , 秸杆等农业废弃 物的资源量每年约有 3.1亿吨标准煤 , 薪柴资源量为 1.3亿吨 标准煤 , 加上城市有机垃圾等 , 资源总量可达 6.5亿吨标准煤 以上。 生物质能的有效利用在于其转换技术的提高。 生物质直 接燃烧是最简单的转换

22、方式 , 但普通炉灶的热效率仅为 15%左右。生物质经微生物发酵处理 , 可转换成沼气、 酒精等优质 燃料。在高温和催化剂作用下 , 可使生物质能转化为可燃气 体 , 用热分解法将木材干馏 , 可制取气体或液体燃料。目前 , 生物质能在我国的应用主要是在农村地区 , 城市中 应用较少。到 2005年底 , 我国发展沼气 1944万户 (其 中 138万户为集中供沼气 , 大中型沼气工程 3764处 , 城市污水净化 沼 气 池 14. 5万 处 , 总 池 容 8090000m 3, 大 中 型 沼 气 发 电 装 机 容量 19199kW , 年发电量 4045万千瓦时 , 秸秆集中气化 5

23、39处 , 供气户数 13万余户。沼气与农业结合十分紧密 , 能有效 促进农村经济的发展 , 有利于保护农村生态环境 , 使农村发展 走可持续发展之路。4风能在建筑中的应用风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀 , 引起各地 温差和气压不同 , 导致空气运动而产生的能量。 我国风能资源 约为 16亿千瓦 , 可开发利用的风能资源约 2.5亿千瓦。 与常规 能源相比 , 风力发电的最大问题是其不稳定性 , 解决这个问题 可以采取的方式有 : 与电网相连 (电网实际充当了巨大的蓄 电池 ; 采用大型蓄电池 ; 采用“ 风力 -光伏” 互补系统 ; 采用“ 风力 -柴油机” 互补系统。以我国目前的情

24、况 , 建筑中可 以考虑 、 、 方案。建筑上的风能利用一般采用小 型 或 微 型 风 力 发 电机 , 这 类产品在我国已经有较为成熟的技术 , 目前主要供没有电网 连接的偏远农村使用。 而在我国城镇地区 , 很少能看到风力发 电机的踪影 , 以现在的技术水平和人们观念的接受程度 , 风力 发电机完全可以在都市中找到一席之地。 在加拿大多伦多 , 安 装在国家展览馆的风力发电机至今已经生产了超过 100万千 瓦时的绿色电能 , 并且成为该市一座新的地标 ; 在日本 , 近 年 来开发出的专用于写字楼、 商店和家庭使用的“ 小型微风风力 发电机”正在向社会大力推广 , 只要有能使树叶摇动的微风

25、 (2m/s 左右风速 就能使发电机工作。用于建筑的小型或微型 风力发电机 , 风 车 高 度 35m , 叶 片直 径 24m , 非 常 适 合 夜 间 建筑亮化照明等用途。5可再生能源的综合利用由于能源紧缺和环境污染日趋严重 , 目前“ 零能耗” 和“ 超 低能耗” 建筑的研究在欧美、 日本及我国已引起了广泛关 注 。 所 谓 的 “ 零 能 耗 ” 和 “ 超 低 能 耗 ” 建 筑 通 常 采 用 良 好 的 建 筑 设 计 , 一方面降低建筑中的用能需求 , 另一方面综合利用各种可 再生能源 , 达到不消耗或消耗少量的常规能源来满足建筑中 各种用能需求的目的。“ 零能耗” 和“ 超

26、低能耗” 建筑通常初投 栏 目 编 辑 /梁 学 造39专 家 讲 堂Experts Platform大众用电 2007/5大众用电 2007/5资较高 , 目前多为示范性应用 , 但是所带来的建筑日常能耗大 幅度减少 , 经济利益是可观的。国内目前在可再生能源综合利用方面已做了一些有益的 尝试 , 如在国家科技攻关计划“ 奥运科技专项” 课题“ 新能源综 合利用建筑研究与示范” 的支持下 , 2003年在北京市大兴区天 普工业园建成了一幢综合利用可再生能源的生态建筑示范工 程。 该示范建筑是一座具有公寓住宅、 餐饮娱乐、 游泳健身、 展 览会议、 办公商务活动等多功能的综合楼。五层框架结构

27、, 地 下一层 , 附半地下游泳池 , 总建筑面积 8000m 2。示范建筑中将 可再生能源与建筑有效结合。 综合采用了建筑节能技术、 太阳 能空调制冷采暖、 太阳能蓄热 (冷 技术、 蓄能地板采暖技术、 地源热泵技术。 可再生能源在建筑供暖中的比例为 81.46%。 为 北京奥运会建筑及全国绿色生态建筑提供了宝贵的经验。6结束语开发利用可再生能源于建筑中是一项远有前景 , 近有实效的事业 , 对我国优化能源结构、缓解能源与环境危机具有重 要意义。近年来 , 在国家出台的相关政策的鼓励下 , 可再生能 源在建筑中的应用正蓬勃开展。 但我国可再生能源在建筑中 的 利 用 技 术 还 不 高 ,

28、很 多 关 键 技 术 如 光 伏 电 池 、 太 阳 能 集 中 供热等等与欧美国家有很大差距。 人们对可再生能源的利用 认 识 程 度 不 够 , 人 均 利 用 可 再 生 能 源 水 平 低 , 可 再 生 能 源 在 我国还有很大 的发 展 空 间 。总 之 , 我 们 需要共同地推动可再 生能源在建筑中的利用 , 实现建筑的可持续发展 , 实现人与自 然的和谐。0引言目前我国电价体制正处于从原来计划体制下政府管理向市场化竞价上网改革的过渡阶段。 电价结构组成中 , 终端售电 价格是由发电、 输电、 配电、 销售四个环节的价格相加组成 , 发 电环节电价分地区试行上网竞价 , 大部分省市实行上网标杆 电价 , 并随燃煤价格波动实行煤电联动 ; 销售电价通常以省为 基础 , 实行复杂的电价目录体系 ; 输配电价主要通过政府制定 的销售电价与上网电价之间的差反映出来。下面介绍我国现 有的电价价格体系及定价原则。1发电上网电价1.1上网电价的概念我国发电企业按投资形式和管理方式不同可分为 2类 :(1 1985年以前 , 发电企业由