可再生能源利用在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

謝勤娟

（河南六建建筑集團(tuán)有限公司，471000）

可再生能源利用在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

謝勤娟

（河南六建建筑集團(tuán)有限公司，471000）

隨著節(jié)能建筑在我國(guó)的逐漸推廣，對(duì)既有建筑如何進(jìn)行節(jié)能改造成了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。本文選用太陽(yáng)能和地?zé)崮軆煞N可再生能源，研究了其在既有建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用。

既有建筑；節(jié)能改造；可再生能源；太陽(yáng)能；地?zé)崮?/p>

一、引言

建筑是滿足人類物質(zhì)和精神生活需要的重要人工環(huán)境。能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來(lái)，能源環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為世界各國(guó)最為關(guān)注的熱點(diǎn)。

建筑節(jié)能概念起源于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，主要是指將節(jié)能型的技術(shù)、工藝、設(shè)備、材料和產(chǎn)品等，綜合運(yùn)用于建筑物的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、新建、改造和使用的過(guò)程中，并執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，將可再生能源及時(shí)利用，以提高保溫隔熱性能和采暖供熱、空調(diào)制冷制熱系統(tǒng)效率等方式，加強(qiáng)建筑物用能系統(tǒng)的運(yùn)行管理。在室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量擁有基礎(chǔ)保障的前提下，減少包括供熱、空調(diào)制冷制熱、照明、熱水供應(yīng)等在內(nèi)的建筑物使用能耗[1]。

既有建筑節(jié)能的對(duì)象是已經(jīng)投入使用的建筑物，在使用者擁有穩(wěn)定舒適的生活和工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)使用能耗進(jìn)行降低，使其符合國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。既有建筑節(jié)能改造是指對(duì)不符合民用建筑節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的既有建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供熱系統(tǒng)、采暖制冷系統(tǒng)、熱水供應(yīng)設(shè)施和照明設(shè)備等實(shí)施節(jié)能改造，在不降低系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的前提下，應(yīng)用高新節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品，提高運(yùn)行管理水平，使用可再生能源等途徑，提高建筑的能源使用率，減少能源浪費(fèi)，節(jié)約用能費(fèi)用。

二、可再生能源利用

可再生能源是指可以再生的能源總稱，包括生物質(zhì)能源、太陽(yáng)能、光能、沼氣等。生物質(zhì)能源主要是指雅津甜高粱等，泛指多種取之不竭的能源，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是人類歷史時(shí)期內(nèi)都不會(huì)耗盡的能源[2]。

為了實(shí)現(xiàn)建筑為人類提供健康、舒適工作和生活環(huán)境的功能，又減少對(duì)傳統(tǒng)能源的使用，減輕對(duì)能源的依賴和環(huán)境的污染，可以在有條件的改造區(qū)設(shè)計(jì)安裝專門(mén)的系統(tǒng)利用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉磥?lái)取代傳統(tǒng)能源。

1、太陽(yáng)能利用

太陽(yáng)能是資源潛力最大的可再生能源，可利用的技術(shù)包括制熱、發(fā)電、采光和制冷等。其利用方式可以分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。由于采暖和空調(diào)能耗占建筑能耗的 65%以上，本文將重點(diǎn)研究利用太陽(yáng)能采暖和通風(fēng)措施。在利用過(guò)程中，冬季增加太陽(yáng)輻射得熱和夏季減少太陽(yáng)輻射得熱是重要目標(biāo)[3]。

（1）被動(dòng)式太陽(yáng)房采暖和通風(fēng)降溫

被動(dòng)式太陽(yáng)房采暖是指不依靠任何機(jī)構(gòu)動(dòng)力通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身來(lái)實(shí)現(xiàn)吸熱、蓄熱、放熱的過(guò)程，從而達(dá)到房屋利用太陽(yáng)能采暖的目的。其過(guò)程一般是讓陽(yáng)光直射入窗戶進(jìn)入采暖房間，或者先照射在集熱器部件上，然后通過(guò)空氣循環(huán)將太陽(yáng)能送入室內(nèi)。被動(dòng)式太陽(yáng)房按照結(jié)構(gòu)的不同可以分為直接受益式、集熱墻式、附加陽(yáng)光間式、卵石床蓄熱式和屋頂池式幾種類型。本文著重介紹直接受益式、集熱墻式和附加陽(yáng)光間式。

①直接受益式。如圖3.1所示，一般在房屋的南立面設(shè)置較大面積的玻璃，太陽(yáng)光直接照射作為集熱儲(chǔ)熱體的屋內(nèi)地面、墻體，地面和墻體白天吸收陽(yáng)光輻射熱并儲(chǔ)存起來(lái)，夜晚將白天吸收的熱量釋放出來(lái)維持室溫。這種方式使用方便且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其不足之處在于窗戶面積較大可能造成夏季較大的冷負(fù)荷，在白天光線過(guò)強(qiáng)的情況下容易引起眩光，導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動(dòng)較大。

②集熱墻式。如圖3.2所示，集熱墻式是在直接受益式基礎(chǔ)上增加集熱手段，讓在室內(nèi)太陽(yáng)輻射獲得量增強(qiáng)，并且能有效避免太陽(yáng)光直接射入室內(nèi)。在墻體的表面設(shè)有吸收率高的涂層，墻體上下開(kāi)口，夾層空氣就會(huì)受到熱壓的驅(qū)動(dòng)，冷空氣從下部開(kāi)口流入，熱空氣從上部開(kāi)口流出，形成了一個(gè)氣流循環(huán)。墻體表面吸收的太陽(yáng)輻射熱，主要由夾層空氣帶入室內(nèi)。墻體外表面顏色深淺、墻體與玻璃之間夾層熱阻的大小，都會(huì)影響系統(tǒng)集熱效率的高低。為防止夜間熱量散失，玻璃外側(cè)應(yīng)設(shè)置保溫窗簾和保溫板。

③附加陽(yáng)光間式。如圖3.3所示，一般在房間的南側(cè)有一玻璃罩著的陽(yáng)光間，陽(yáng)光間與主體房間由墻或窗隔開(kāi)，主要用于養(yǎng)花或栽培，又稱溫室式太陽(yáng)房。其原理與集熱墻式太陽(yáng)房類似，熱量通過(guò)隔墻上的開(kāi)口，由空氣帶入主體房間。

太陽(yáng)能被動(dòng)式通風(fēng)降溫技術(shù)主要通過(guò)太陽(yáng)房的溫室效應(yīng)和煙囪效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體應(yīng)用形式有太陽(yáng)煙囪、太陽(yáng)能屋頂集熱器、特布隆墻等。特布隆墻既可用于夏季降溫，也可用于冬季采暖。用于夏季降溫時(shí)，室內(nèi)空氣從底部進(jìn)入，經(jīng)蓄熱器加熱后，在浮力作用下上升，從風(fēng)道頂部流出。冬季調(diào)整開(kāi)口位置，按相反方向流動(dòng)，如圖3.4所示。

圖3.1 直接受益式的基本形式

圖3.2 集熱墻式

圖3.3 附加陽(yáng)光間基本形式

圖3.4 被動(dòng)式通風(fēng)降溫技術(shù)特布隆墻

（2）主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖

主動(dòng)式設(shè)計(jì)是以太陽(yáng)能集熱器作為建筑采暖的熱源，通常以空氣或水為工質(zhì)。從主動(dòng)系統(tǒng)供暖示意圖(圖3.5)可以看出，主要由集熱器、管道、儲(chǔ)熱物質(zhì)及散熱器等組成主動(dòng)供暖系統(tǒng)。在工質(zhì)為水的情況下，循環(huán)動(dòng)力常由水泵提供；工質(zhì)為空氣時(shí)，循環(huán)動(dòng)力常由風(fēng)機(jī)提供。與被動(dòng)式系統(tǒng)相比，主動(dòng)式系統(tǒng)造價(jià)較高且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其優(yōu)勢(shì)在于不容易受外界環(huán)境限制干擾，能夠節(jié)約傳統(tǒng)能源[4]。

①空氣集熱式

空氣集熱式是以空氣為工質(zhì)的主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。其主要形式有集熱屋面、窗戶集熱板系統(tǒng)兩種，集熱屋面是把集熱器放在坡屋面、用混凝土地板作為蓄熱體的系統(tǒng)；窗戶集熱板系統(tǒng)（圖3.6）適用于晝夜溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高的地區(qū)多層居住建筑。

圖3.5 主動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)圖

圖3.6 窗戶集熱板系統(tǒng)示意圖

②液體集熱式

如圖3.7所示，以液體作為工質(zhì)的主動(dòng)太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。既可以用水做工質(zhì)，也可以用高沸點(diǎn)的油或防凍劑作工質(zhì)。一般在建筑頂層設(shè)置太陽(yáng)能集熱器。該系統(tǒng)具有采暖和降溫的雙重作用，該方式已經(jīng)作為供應(yīng)生活熱水系統(tǒng)普遍推廣。

③太陽(yáng)能熱泵

如圖3.8所示，是太陽(yáng)能系統(tǒng)與熱泵系統(tǒng)的結(jié)合，通過(guò)壓縮機(jī)，借助熱量交換，把地面、土壤、水池中的低溫?zé)崮苁占?、輸送到建筑物?nèi)使用，也可以與常規(guī)平板集熱器結(jié)合形成太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)。

在太陽(yáng)能采暖的各種方式中，用空氣作工質(zhì)的系統(tǒng)因其技術(shù)簡(jiǎn)單成熟、運(yùn)行安全、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

3.7 液體集熱器系統(tǒng)圖

圖3.8 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)圖

2、地?zé)崮芾?/p>

地源熱泵是一個(gè)廣義的術(shù)語(yǔ)，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統(tǒng)。地源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)值得大面積推廣的建筑供能技術(shù)。地源熱泵是將淺層和深層的大地能量（土壤、地下水、地表水等天然能源）進(jìn)行綜合利用來(lái)作為冬季熱源和夏季冷源，然后再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱的系統(tǒng)，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調(diào)系統(tǒng)[5]。

（1）地源熱泵的特點(diǎn)

第一，地源熱泵是可再生能源利用。鍋爐一次能源利用率只有0.8～0.95，而熱泵（以地?zé)嵩礋岜脼槔┹斎?kW電能可得4kW熱能或5kW冷量。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)所散發(fā)到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無(wú)處不在，幾乎取之不盡，類似于無(wú)限的可再生能源。據(jù)估算，其經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)資源總量約為5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。與常規(guī)能源相比，低溫地?zé)嵩诠┡吧顭崴?yīng)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

第二，經(jīng)濟(jì)有效，運(yùn)行穩(wěn)定?？傮w而言，在一年中地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度都相對(duì)穩(wěn)定，冬季相對(duì)環(huán)境空氣溫度稍高一些，夏季溫度稍低一些，這就是很好的冷熱源，地源熱泵也因?yàn)檫@種溫度的特性運(yùn)行起來(lái)穩(wěn)定可靠，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高 40%，因此，這種方式不僅使得舒適程度較高，還可以節(jié)省費(fèi)用。

第三，環(huán)境效益顯著。地源熱泵相對(duì)空氣源熱泵可減少 40%以上的污染物排放，相對(duì)電供暖可減少排放70%以上的污染物。

第四，一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣泛。地源熱泵系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于供暖、制冷以及提供生活熱水等等，功能非常強(qiáng)大。

（2）地源熱泵的種類

①土壤熱交換器地源熱泵。這種源熱泵包括一個(gè)土壤耦合地?zé)峤粨Q器，它有水平安裝在地溝中的方式，也有以 U形管狀垂直安裝在豎井之中。如圖3.9。

②地下水地源熱泵。分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，開(kāi)式系統(tǒng)是將地下水直接供應(yīng)到每臺(tái)熱泵機(jī)組，之后將井水回灌地下。開(kāi)式系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)牡叵滤畻l件和建筑物參數(shù)下是一個(gè)有吸引力的選擇方式，但必須謹(jǐn)慎。閉式系統(tǒng)中，一般包括帶潛水泵的取水井和回灌井，用板式換熱器將地下水和建筑內(nèi)循環(huán)水分開(kāi)。

③地表水地源熱泵。這種地源熱泵中有一個(gè)地下水熱交換器，是由多重并聯(lián)的塑料管組成，塑料管潛在水面以下，和土壤熱交換地源熱泵一樣被連接到建筑物中。

圖3.9 土壤熱交換器地源熱泵

（3）注意的問(wèn)題

地?zé)峁┡衅洫?dú)特性，在某些方面不能套用常規(guī)鍋爐供暖或市政集中供熱的成熟做法，在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意處理好熱能梯度利用和防腐兩個(gè)問(wèn)題。從井中抽出的地?zé)崴?jīng)供暖系統(tǒng)后就排放掉了，如果排水溫度偏高，就會(huì)造成資源浪費(fèi)，影響地?zé)峁┡到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效率和節(jié)能水平。因此，要采取措施梯度利用地?zé)崴臒崮?，使供暖排水時(shí)地?zé)崴臏囟缺M可能低，以提高地?zé)崂寐?。另外，深井地?zé)崴煌诔Ｒ?guī)供暖用的循環(huán)水，地?zé)崴V化度高，常富含腐蝕性的 CL-離子等和微量氣體(如 H2S)，對(duì)設(shè)備、管路、閥門(mén)及儀器儀表等的防腐性很強(qiáng)，需要采取不同于常規(guī)的防腐措施，以保證地?zé)峁┡到y(tǒng)的正常運(yùn)行和合理壽命。

鑒于現(xiàn)在的情況，既有居住建筑節(jié)能技術(shù)改造可分階段進(jìn)行。可以先對(duì)建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)中能耗比較高的部位，采用簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的方法進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)先期節(jié)能。如給門(mén)窗加裝密封條、窗戶玻璃加貼隔熱膜、外墻保溫改造等。

三、結(jié)論

既有建筑節(jié)能改造是降低社會(huì)總能耗、減輕環(huán)境污染的有效途徑，事關(guān)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，意義非常重大。本文分析指出，太陽(yáng)能和地?zé)崮苁亲钪匾男履茉?，也是未?lái)建筑節(jié)能的方向。

[1] 何永清. 現(xiàn)代住宅建筑節(jié)能與應(yīng)用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.6.

[2] 郭建. 既有住宅建筑節(jié)能改造技術(shù)與模式淺析[J]. 大眾科技, 2009,11:74－75.

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

[4] 何文晶. 太陽(yáng)能采暖通風(fēng)技術(shù)在節(jié)能建筑中的研究與實(shí)踐[D], 山東建筑工程學(xué)院, 2005.

[5] 沈致和. 住宅節(jié)能原理與設(shè)計(jì)[M]. 合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社, 2006.4-6.

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1674-3954（2011）03-0297-02