可再生能源在山西建筑中的應(yīng)用

趙文惠

摘 ?要：面對日趨減少的能源，我國提出了可再生能源的利用計劃，從而補償能源供應(yīng)的缺口?？稍偕茉床粫Νh(huán)境造成污染，值得廣泛推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：可再生能源;太陽能;風(fēng)能;地熱能

中圖分類號：TU8 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.127

1 ?可再生能源的概念

在《中華人民共和國可再生能源法》中，可再生能源是指風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等非化石能源。可再生能源生產(chǎn)的時間比較短、可再生產(chǎn)，但通過低效率爐灶直接燃燒方式利用秸稈、薪柴和糞便等不在可再生能源范圍內(nèi)。

2 ?可再生能源的分類

2.1 ?太陽能

太陽能廣義上是指來自太陽的能量，包括太陽輻射能、煤、石油、天然氣、沼氣、風(fēng)、波浪、生物質(zhì)能和水能等;狹義是單指太陽輻射能，即僅限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。

太陽能的優(yōu)點有以下5點：①供給能量巨大。太陽能為1年內(nèi)世界主要能源探明儲量的19倍。②可再生性（1 000億年）。③普遍性。太陽能處處都可以利用。④生態(tài)清潔性。礦物燃燒可改變地球的熱能平衡，進而造成溫室效應(yīng);沒有廢渣、廢水和廢物排出。⑤安全性。太陽能在所有能源中的安全性最高。

太陽能的缺點為以下2點：①分散性。能流力度低，地球表面為1 360 v/m2。②間斷性和不穩(wěn)定性。晚間和陰雨天等惡劣天氣下難以利用。

2.2 ?風(fēng)能

風(fēng)能是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能。其特點有以下4點：①數(shù)量較大。陸地上離地10 m高度層上的風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為2.97×1010 kW。②可再生性。太陽輻射已發(fā)溫差，進而產(chǎn)生風(fēng)能。③密度低。風(fēng)力的能量密度只有水力的1/16～1/8.④不穩(wěn)定性。氣流瞬息萬變。

2.3 ?地熱能

地熱能包括深、淺地熱能。深地熱能是由地殼抽取的天然熱能，這種能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，是引發(fā)火山爆發(fā)和地震的能量，按照其儲存形式分為蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型、熔巖型;淺層地熱能是指一般處于地表以下一定的深度范圍內(nèi)（一般恒溫帶在200 m埋深），溫度低于25 ℃，在當前技術(shù)經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地球內(nèi)部的熱能資源，淺層地熱能是地熱資源的一部分，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。

淺層地熱能的儲量較大，我國地下近百米深度內(nèi)的土壤每年可采集的低溫能量是我國目前發(fā)電裝機容量9.5×109 kW的1 578倍，而地下百米內(nèi)地下水每年可采集的低溫能量也有2.0×108 kW。其特點為清潔環(huán)保、安全性強（水源熱泵避免了因燃燒過度或材料因素引起的鍋爐爆炸等安全隱患），但會受水文地質(zhì)條件（應(yīng)能打出水并回灌）和儲熱量的限制（一定區(qū)域內(nèi)，土壤可供開采的熱量是有限的）。

2.4 ?地表水能

地表水主要指河流、冰川、湖泊、沼澤四種水體的總稱，并稱“陸地水”。地表水能的缺點是溫度受氣候的影響大。

2.5 ?污水、中水（再生水）能

污水是指受一定污染的來自生活和生產(chǎn)的排出水。城市污

水主要包括生活污水和工業(yè)污水，由城市排水管網(wǎng)匯集并輸送到污水處理廠處理，冬季溫度為11～17 ℃時，換熱后處于6～12 ℃，夏季溫度在14～18 ℃。再生水即中水，再生水介于上水與下水之間，對于污水處理廠的污水而言，溫度為16～19 ℃。

2.6 ?生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是蘊藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，進而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。在有機物中，除礦物燃燒外，所有來源于動植物的能源物質(zhì)均屬于生物質(zhì)能，包括木材廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、城市和工業(yè)有機廢棄物、動物糞便等。其特點有以下4點：①可再生性。②低污染性。二氧化碳零排放。③總量豐富。光合作用物質(zhì)為1.73×1011 t，蘊藏能量為消耗總量的10～20倍，但目前利用率不到3%.④分布廣泛性。分布分散、能量密度小、熱值低。

3 ?山西省能源分布情況

3.1 ?太陽能資源分布情況

北部大同、右玉、五寨和左云等地由于地勢較高，全年干燥，大氣透明狀況良好，太陽輻射量豐富;南部臨汾、運城一帶，陰天較多，日照少，年輻射總量較少。

總輻射量最高的是左云縣6 130 MJ/m2，右玉、五寨次之，為5 980 MJ/m2;南部垣曲最低，為4 840 MJ/m2。山西所處為資源較豐富帶和資源一般帶，其中，臨汾、長治、晉城和運城為資源一般帶。是否為適合太陽能采暖節(jié)能氣候區(qū)的指標為SDM指數(shù)=22.3，晉北達到24.90，晉南達到24.99，均屬于適宜區(qū)，主要是因為不僅考慮了輻射量，還考慮了度日值，晉南地區(qū)采暖度日值小于晉北地區(qū)，因此，晉南比晉北更適宜于太陽能采暖。

3.2 ?風(fēng)能資源分布情況

山西地處華北黃土高原，年平均風(fēng)速大多為2～3 m/s，五臺山地區(qū)年平均有效風(fēng)速時效在5 000 h以上，臺頂7 000 h以上，年均每月有80%以上的風(fēng)速在3～20 m/s;神池、陽方口一帶管涔山與恒山之間山口大風(fēng)區(qū)的年平均有效風(fēng)能密度在160 W/m2以上，最大可達200 W/m2，一年有效風(fēng)力時效在4 000 h以上;雁北大部、呂梁山區(qū)、太行山區(qū)風(fēng)能密度在100 W/m2以上，最大為170 W/m2，年有效風(fēng)力時效在3 000 h以上。山西風(fēng)能資源總儲量為5.3×104 MW，風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量為4 600 MW。但山西省風(fēng)能資源量較大的地區(qū)一般離城市較遠，開發(fā)比較困難。

3.3 ?地下水熱能資源

山西淺層地下水容易回灌、富水性強、含水層厚、水質(zhì)好、水溫適宜（10～15 ℃），大部分城市可發(fā)展使用地下水源熱泵系統(tǒng)。其中，運城市開發(fā)潛力最大，全省各地市利用孔隙地下水淺層地熱能資源的儲量為9.7×107 GJ，年供暖潛力為1.03×108 GJ，可滿足5.359 9×108 m2的建筑采暖;年供冷潛力為7.77×107 GJ，可滿足3.953 9×108 m2的建筑供冷。山西地下水熱能資源中，運城最大，太原可達4.266×107 m2的供熱面積，相當于現(xiàn)在集中供熱面積的1/3.對于淺層土壤熱能資源，在太原可供熱4.803×107 m2，供冷4.068×107 m2，大致相當于集中供熱面積的1/3.

對于深層地熱能資源，山西較為豐富，54%地熱分布在臨汾、運城盆地，太原有神堂溝地熱、坪泉地熱兩處，資源量較少。

對于污水資源，可利用中水資源約1.3×106 m2/d，可滿足5.2×106 m2的冬季采暖。

3.4 ?生物質(zhì)能

生物質(zhì)能包括秸稈、薪柴、人畜糞便、城市污水、城市生活垃圾和能源作物等。秸稈是農(nóng)村地區(qū)的主要能源之一，總資源量9.91×106 t，產(chǎn)生1.75×108 GJ能量，折合標準煤5.96×106 t。對于餐廚垃圾和污泥，2015年全省餐廚垃圾（含水率92%）產(chǎn)生量達1 582 t，化糞池污泥（含水率90%）產(chǎn)生量為6 000 t，污水處理廠污泥（含水率80%）產(chǎn)生量可達6.3×105 t，產(chǎn)生沼氣3.0×108 m3，生活垃圾新增9.0×105 t，產(chǎn)生1.0×107 GJ能量，折合標準煤3.6×105 t。

4 ?可再生能源在建筑中的應(yīng)用

可再生能源在建筑中的應(yīng)用包括太陽能利用技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用。太陽能利用主要分為以下3種：熱水、主動式和被動式太陽能建筑、太陽能發(fā)電。

4.1 ?太陽能的經(jīng)濟可行性

太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能率在60%以上，與電熱水系統(tǒng)相比，靜態(tài)投資回收期為4～6年，太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)加強與建筑的一體化設(shè)計。與電鍋爐相比，0.9年后可回收;與燃油鍋爐相比，1.72年后可回收;與燃氣鍋爐相比，3.54年后可回收。

太陽能采暖必須有輔助熱源的配合。一天中，太陽能負責采暖的小時數(shù)在8 h左右，綜合熱價最低，對于主要在白天使用的建筑，比如教學(xué)樓、辦公樓等用太陽能采暖較佳。太陽能光伏發(fā)電成本較高，與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，污染低。從每千瓦時的碳排放量看，煤發(fā)電為304 g、油發(fā)電為204 g、光伏發(fā)電為18 g。從地下水源熱泵在建筑中的應(yīng)用可看出，水源熱泵供能與空調(diào)供冷+集中供暖相比，初投資增加1 622.94萬元，但運行費用低，大致在3.68年后可回收投資。

4.2 ?土壤源熱泵+冷卻塔組合的應(yīng)用

具體有以下4種方案：①地源熱泵+冷卻塔。單位面積初投資243.8元/m2，年費用19.92元/m2。②冷水機組+燃氣鍋爐。單位面積初投資216.7元/m2，年費用25.87元/m2。③冷水機組+城市熱網(wǎng)。單位面積初投資304元/m2，年費用33.89元/m2。④直燃式/溴化鋰冷水機組。單位面積初投資223.3元/m2，年費用31.76元/m2（直燃式）、39.5元/m2（溴化鋰）。相比較，費用比例為1∶1.3∶1.7∶1.59∶1.98.由此可見，地源熱泵+冷卻塔組合方案的優(yōu)點突出，對各項費用的節(jié)約比較明顯。因此，污水源熱泵要優(yōu)于常規(guī)組合。

可再生能源的經(jīng)濟性比較好，尤其是地源熱泵和太陽能熱水的經(jīng)濟性較高。“十一五”期間，全省新增2.523 83×109 m2，約占新建建筑的26.1%.太原成為合理利用可再生能源建筑應(yīng)用首批示范城市之一。山西省臨猗縣、平定縣、侯馬市為評為國家示范縣。2009年，淺層地熱能在全省的應(yīng)用面積為3.638 6×108 m2，具體項目有太原市晉瑞苑小區(qū)土壤源熱泵、新源小區(qū)土壤源熱泵和太原實驗中學(xué)水源熱泵供暖項目等。

5 ?存在的問題和建議

太陽能在山西建筑中應(yīng)用的主要問題有以下4點：①利用太陽能的成本較高;②高層住宅受制約;③與建筑的一體化程度低;④配套政策不系統(tǒng)，缺乏完整的激勵政策和項目支持。

淺層地熱能運用中存在問題有以下5點：①氣象、水文地質(zhì)情況等基礎(chǔ)資料不完善;②應(yīng)用條件受水源限制;③許多項目回灌效果較差;④缺少系統(tǒng)運行監(jiān)測;⑤對地熱資源的開發(fā)利用缺少長遠規(guī)劃。

結(jié)合山西實際，提出以下建議：①組織編制太陽能光熱建筑一體化、光電一體化、采暖和地源熱泵工程的設(shè)計、施工和測評驗收規(guī)范;②組織開展太陽能高效利用技術(shù)、區(qū)域供熱（制冷）能效提高技術(shù)等的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。

〔編輯：張思楠〕

Application of Renewable Energy in Shanxi Architecture

Zhao Wenhui

Abstract： In the face of the increasingly reduced energy， China proposed renewable energy use plan， thus to compensate for the energy supply gap. Renewable energy will not pollute the environment; it is widely used and spread widely.

Key words： renewable energy; solar energy; wind energy; geothermal energy

文章編號：2095-6835（2015）14-0129-02