可再生能源在民用建筑節(jié)能中的應(yīng)用

方 紅(上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司， 上海 200120)

1 引言

可再生能源是指自然界中可以不斷利用、循環(huán)再生的一種能源，主要包括太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、海洋能和生物質(zhì)能等。電氣用電是一個(gè)耗能大戶，其每年要消耗總發(fā)電量的10%以上，如果節(jié)電5%，則每年可節(jié)約照明用電60億kWh，為國家節(jié)省投資約30億元[1]。民用建筑作為能耗大戶，其節(jié)能設(shè)計(jì)顯得尤其重要，本文著重探討可再生能源在民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 光伏發(fā)電

2.1 概況

太陽照射到地球大氣層上界的能量達(dá)173 000TW，照射一秒鐘的能量就相當(dāng)于500萬噸煤，照射三天的能量就相當(dāng)于地球所有礦物燃料能量的總和[2]。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源。我國地處北半球，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國太陽能總輻射量在930～2 300kWh／m2/年。約有2/3以上的地區(qū)年日照時(shí)間大于2 200h，特別是青藏高原和新疆、甘肅、內(nèi)蒙古一帶，擁有優(yōu)良的太陽能資源[3]。

近年來，國內(nèi)主要大中城市相繼出臺了鼓勵(lì)推廣太陽能利用的法規(guī)及條例。例如，2011年最新頒布的北京建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，新建、改擴(kuò)建12層及以下居住建筑將安裝太陽能熱水系統(tǒng);12層以上居住建筑將根據(jù)能夠設(shè)置集熱器的有效面積等因素，確定是否強(qiáng)制要求安裝太陽能熱水系統(tǒng)。集中安裝的太陽能系統(tǒng)效率更高，也更美觀，將實(shí)現(xiàn)與建筑的一體化。2011年1月1日起施行的上海市建筑節(jié)能條例規(guī)定，鼓勵(lì)既有民用建筑在節(jié)能改造時(shí)，設(shè)計(jì)、安裝太陽能等可再生能源利用系統(tǒng)。

截至2012年9月底，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機(jī)270.58萬kW，較前年同期增加218.09萬kW，同比增長415%。僅2012年1～9月份，收購光伏發(fā)電電力24.8億kWh，同比增長537%。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽能光伏技術(shù)的工作原理是光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)是指一些特殊的半導(dǎo)體材料，在光線的照射下，內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、控制器、蓄電池、負(fù)載等組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.3 太陽能光伏系統(tǒng)運(yùn)行方式的分類

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式可分為兩大類：離網(wǎng)運(yùn)行方式和并網(wǎng)運(yùn)行方式。

1)離網(wǎng)運(yùn)行方式

離網(wǎng)運(yùn)行方式分為獨(dú)立系統(tǒng)和集群控制系統(tǒng)。獨(dú)立系統(tǒng)即本身就帶有一套完整設(shè)備的系統(tǒng)，主要應(yīng)用于太陽能的路燈、草坪燈、庭院燈這些位置相對分散的燈具，也經(jīng)常應(yīng)用在辦公樓、住宅樓等場合的公共走道燈；集群控制系統(tǒng)多用于多個(gè)分散燈具位置和接收陽光比較好的地點(diǎn)分開的場合，比如住宅樓之間、有高大樹木的公園的路燈、庭院燈等。離網(wǎng)運(yùn)行方式的突出優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電與用電可以不同步。缺點(diǎn)是會增加電能—化學(xué)能轉(zhuǎn)換的損耗，蓄電池必須占用大量空間，而發(fā)電容量卻不能很大，經(jīng)過幾年的使用后還需要進(jìn)行維護(hù)。

2)并網(wǎng)運(yùn)行方式

并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池方陣、控制器、并網(wǎng)逆變器組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電通過逆變器變換成交流電向電網(wǎng)發(fā)送，或輸出到低壓負(fù)載，也就是即發(fā)即用。并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能光伏發(fā)電和公共電網(wǎng)同時(shí)向負(fù)載供電，在陰雨等不利天氣條件下保證負(fù)載的正常運(yùn)行，提高了供電可靠性。并且在光線充足的情況下，太陽能光伏多發(fā)的電量可反饋給電網(wǎng)，對電網(wǎng)有調(diào)峰作用。還可以加入柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，形成并網(wǎng)混合供電系統(tǒng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的負(fù)載供電保障率，達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。由于逆變器輸出與電網(wǎng)并聯(lián)，必須注意保持兩組電源電壓、相位、頻率等電氣特性的一致性，否則會造成兩組電源相互之間的充放電，引起整個(gè)電源系統(tǒng)的內(nèi)耗和不穩(wěn)定，如諧波污染、孤島效應(yīng)等。并網(wǎng)運(yùn)行方式原理圖如圖2所示。

2.4 太陽能光伏系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)原理圖

1)太陽能LED照明

(1)住宅太陽能LED樓道燈

許多住宅小區(qū)的樓道照明系統(tǒng)普遍存在著一個(gè)問題：樓道燈由于頻繁地啟閉而經(jīng)常損壞，許多樓道因此都成了“盲道”。太陽能LED樓道燈系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、LED燈泡、控制系統(tǒng)及控制開關(guān)組成，在控制方面可以采用充放電控制系統(tǒng)、光控系統(tǒng)及時(shí)控系統(tǒng)[4]。白天，太陽能電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過充放電控制器存儲到蓄電池內(nèi)；晚上，蓄電池為負(fù)載提供電能。為保證陰雨天的照明，可增大蓄電池的容量或選擇并網(wǎng)運(yùn)行。

(2)小區(qū)太陽能LED草坪燈

太陽能LED草坪燈由太陽能電池、超高亮LED燈、蓄電池、自動(dòng)控制電路等組成。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到迅速發(fā)展。LED草坪燈電源由太陽能電池供給，太陽能電池在白天收集太陽能并轉(zhuǎn)換為電能儲存在蓄電池內(nèi)，在夜間供給LED草坪燈。可根據(jù)太陽照射的實(shí)際情況，選擇獨(dú)立系統(tǒng)或集群控制系統(tǒng)的控制方式。

(3)太陽能LED路燈

普通的路燈需要鋪設(shè)較長的輸電線路，線路上電壓損失較大，超過一定距離還需要采取補(bǔ)償措施，鋪設(shè)電源線路也需要很大的投入。太陽能路燈(如圖3所示)由于獨(dú)立運(yùn)行，節(jié)省了輸電線路的鋪設(shè)，節(jié)約了建設(shè)費(fèi)用，很好地解決了上述問題。太陽能LED路燈由太陽能電池、燈具、蓄電池和控制器組成，應(yīng)用非常廣泛。

(4)地下停車場照明

地下停車場的照明有它的特殊性。由于在地下，無法進(jìn)行自然采光，又屬于晚上用電少，白天用電多，不管白天黑夜都需照明的場所。在設(shè)計(jì)采光井的基礎(chǔ)上增加太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可大幅度地節(jié)能，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 太陽能路燈

2)太陽能熱水器

太陽能熱水器以其節(jié)能環(huán)保及使用簡單等優(yōu)點(diǎn)，得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。太陽能熱水器具備吸熱、導(dǎo)熱與保熱等功能，能效比大，在同樣環(huán)境下，熱水器所產(chǎn)生的熱水量最大[5]。

為避免普通太陽能熱水器存在的諸多缺陷，如熱效率低下和換熱水量太少等，目前廣泛推廣的太陽能熱水器新技術(shù)，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)平板太陽能熱水器，不僅熱效率優(yōu)于真空管，而且能靈活地與建筑物和周圍環(huán)境相結(jié)合，在高層、小高層住宅中得到廣泛使用。

(2)壁掛式太陽能熱水器，不僅能與建筑物相結(jié)合，而且集熱器和水箱分離，集熱器靈活安裝于陽臺外或南向墻面，水箱則放置在陽臺內(nèi)或室內(nèi)墻角，減少了太陽能熱水器的使用限制。

(3)太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化，屋頂覆蓋層或保溫層可完全由太陽能集熱器來替代，既能對樓房起隔熱、防漏的保護(hù)作用，又避免了重復(fù)投資，減少了成本。

3)太陽能屋頂

太陽能屋頂，也稱為光伏建筑一體化。在實(shí)際應(yīng)用中，太陽能電池板被安裝在建筑物的外墻及屋頂上，以并網(wǎng)運(yùn)行方式由太陽能電池板、電網(wǎng)并聯(lián)向用戶供電。太陽能屋頂有兩種主要的施工方式，一種是光伏組件作為建筑物外立面的一部分，以替代一部分外墻的建筑材料；另一種是將光伏方陣通過支撐件安裝于建筑物上。

太陽能屋頂已經(jīng)成為我國的熱門研究課題。以上海為例，上海的10萬屋頂計(jì)劃，計(jì)劃將為10萬個(gè)屋頂安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，估計(jì)每年至少發(fā)電4.3億kWh。上海世博會，光伏建筑的太陽能發(fā)電規(guī)模達(dá)到4.68MW，年均發(fā)電可達(dá)406萬kWh，減排CO2總量逾3 400t。在法國阿爾薩斯案例館(如圖4)，“水幕太陽能墻”外層同樣覆蓋太陽能電池板，能把照射到墻體外層的太陽光轉(zhuǎn)換成電能，正好能維持“水幕太陽能墻”不斷運(yùn)作，為建筑帶來冬暖夏涼的感覺。

圖4 上海世博會法國阿爾薩斯案例館

太陽能屋頂也在不斷吸收新的創(chuàng)新技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改善。其中，能量管理優(yōu)化智能系統(tǒng)和屋頂冷卻系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用尤為突出。能量管理優(yōu)化智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各相關(guān)機(jī)電設(shè)備優(yōu)化控制，配合使用太陽能光伏發(fā)電，滿足建筑物對能量的需求，提高設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)，以達(dá)到整體優(yōu)化。而對于沒有采用光伏組件的屋頂，安裝屋頂冷卻系統(tǒng)，采用由特殊材料制成的反射涂層，在夏季隔絕大量的太陽輻射，在有效減低屋頂溫度的同時(shí)，使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率得到提高。

3 天然光利用

天然光導(dǎo)光系統(tǒng)作為現(xiàn)代的建筑采光形式，其工作原理是通過采光裝置聚集室外的天然光線并將其導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)部，再經(jīng)過導(dǎo)光裝置強(qiáng)化和高效傳輸后，由系統(tǒng)底部的漫射裝置把天然光均勻地導(dǎo)入到室內(nèi)任何需要光線的地方。歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，已開發(fā)出一系列天然光導(dǎo)光系統(tǒng)(如圖5所示)，并在學(xué)校、博物館、辦公樓、體育場館、公共廁所、垃圾處理廠等公共設(shè)施及工業(yè)與民用建筑中廣泛應(yīng)用。

圖5 天然光導(dǎo)光系統(tǒng)

3.1 天然光導(dǎo)光系統(tǒng)的優(yōu)越性

天然光導(dǎo)光系統(tǒng)不僅提供健康的光源，而且實(shí)現(xiàn)了大幅度節(jié)能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年要消費(fèi)2萬億kW/h的電力用于人工照明。在商務(wù)樓宇中，電燈照明的實(shí)際使用率占到總能耗的40%～50%，制造25%～30%的溫室氣體排放。但是如果建筑物中一半的電燈照明以天然光照明技術(shù)進(jìn)行替換，總能耗將降低20%～25%，溫室氣體排放降低10%～15%[6]。與之前人們認(rèn)識相反，在相同的照度要求下，天然光帶來的熱量比絕大多數(shù)人工光源的發(fā)熱量都少。用天然光對室內(nèi)進(jìn)行采光、照明，會大大減少房間的空調(diào)負(fù)荷，有利于減少建筑物能耗。而對于地處溫帶或者寒帶地區(qū)的建筑來說，天然光的熱效應(yīng)能為建筑提供免費(fèi)的熱能，減少冬季取暖所需要的能耗。

3.2 天然光導(dǎo)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

天然光導(dǎo)光系統(tǒng)通過導(dǎo)光裝置將陽光傳輸轉(zhuǎn)彎，隨心所欲地到達(dá)任何位置，地下室、北面房都可以有陽光。與利用天窗、鏡子等進(jìn)行集光的采光系統(tǒng)不同，光導(dǎo)照明不受房間的位置、窗戶的方位、太陽的高度等條件的限制，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的采光。

天然光導(dǎo)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分三部分，一是采光部分，采光器多由透明塑料注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱；二是導(dǎo)光部分，一般由三段導(dǎo)光管組合而成，導(dǎo)光管內(nèi)壁為高反射材料，反射率可達(dá)92～95%，導(dǎo)光管可以旋轉(zhuǎn)彎曲重疊來改變導(dǎo)光角度和長度；三是散光部分，為了使室內(nèi)光線分布均勻，系統(tǒng)底部裝有散光部件，可避免眩光現(xiàn)象的發(fā)生。天然光導(dǎo)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖6。

圖6 天然光導(dǎo)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖7 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

3.3 天然光導(dǎo)光系統(tǒng)的應(yīng)用要求

在應(yīng)用天然光導(dǎo)光系統(tǒng)時(shí)，需對建筑體的日照及方位進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，因地制宜地采用不同組合的導(dǎo)光裝置。同時(shí)必須采用人工照明，應(yīng)按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行人工照明的設(shè)計(jì)和施工。采用智能照明系統(tǒng)對人工照明進(jìn)行調(diào)光控制，當(dāng)監(jiān)控傳感器采集到的天然光照度水平達(dá)不到要求時(shí)，人工照明將自動(dòng)開啟，以滿足照度要求。

4 風(fēng)能發(fā)電

地球上風(fēng)能蘊(yùn)含量特別豐富。人們主要使用風(fēng)車進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，工作原理是空氣動(dòng)力推動(dòng)扇葉，透過傳動(dòng)軸，將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳送至發(fā)電機(jī)，把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能屬于清潔可再生能源，環(huán)境效益好，并且風(fēng)力發(fā)電設(shè)備基建周期短，裝機(jī)規(guī)模靈活。因此，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為中國新能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。2012年6月，中國取代美國成為世界第一風(fēng)電大國，并網(wǎng)風(fēng)電達(dá)5 258萬kW。中國用五年時(shí)間，走過了美國、歐洲十五年的風(fēng)電發(fā)展歷程。這其中，甘肅酒泉是全國第一個(gè)開工建設(shè)的千萬kW級風(fēng)電基地。

4.1 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)組成

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(如圖7所示)包括葉輪、發(fā)電機(jī)、變換器、傳感器、控制器、蓄電池等。葉輪一般由兩到三個(gè)葉片組成，通過它將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)一般采用永磁式交流發(fā)電機(jī)；變換器把發(fā)電機(jī)發(fā)出的電變成220V的交流電回饋電網(wǎng)；傳感器和控制器可以控制整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可以控制葉輪的運(yùn)行情況，使葉輪旋轉(zhuǎn)面垂直于風(fēng)向，若風(fēng)速過大可限制葉輪的轉(zhuǎn)速以防止部件損壞，也可以將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在一定范圍內(nèi)，特別在蓄電池已經(jīng)充滿時(shí)應(yīng)控制葉輪停機(jī)；蓄電池多采用專用鉛酸蓄電池，也可選用鎘鎳堿性蓄電池。

4.2 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立型和并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)型與城市(地區(qū))供電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)供電；獨(dú)立型應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)，需與蓄電池和其他控制設(shè)備組成獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，一般容量較小。

1)風(fēng)能建筑一體化

圖8 巴林世貿(mào)中心

風(fēng)能與建筑一體化的結(jié)合有兩種形式，一種方式是在建筑周圍的綠地或較大的空地上設(shè)立風(fēng)電機(jī)組，稱為間接結(jié)合；另一種方式是在建筑物上直接安裝風(fēng)力電機(jī)，稱為直接結(jié)合。直接結(jié)合的一個(gè)成功案例是巴林世貿(mào)中心(如圖8所示)。分別在雙塔造型的建筑物之間的16、25層和35層處的跨橋上，安置了規(guī)模直徑為29 m的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這三臺機(jī)組的年供電量為110萬kWh～130萬kWh，占整個(gè)大樓用電量的15%左右。巴林世貿(mào)中心風(fēng)力發(fā)電機(jī)組每年可減少55t的碳排放，成為世界上超高層建筑可再生能源利用的典范[7]。

2)風(fēng)光儲能發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能、太陽能作為可利用的自然可再生能源，兩者在實(shí)際利用的過程中都受到季節(jié)、天氣和地理等多種因素制約。如果揚(yáng)長避短、相互配合，則能發(fā)揮出最大的作用。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，就是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池組件、控制器、蓄電池、逆變器等組成的供電系統(tǒng)。在系統(tǒng)中配置必要的儲能設(shè)施，結(jié)合風(fēng)能、太陽能的應(yīng)用特點(diǎn)，構(gòu)成風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)，可以在電能質(zhì)量和供電可靠性等方面有顯著的提高。

5 結(jié)束語

要實(shí)現(xiàn)可再生能源在建筑節(jié)能中的大量推廣與應(yīng)用，需要一系列措施實(shí)現(xiàn)。國家政策引導(dǎo)甚至強(qiáng)制規(guī)定，是太陽能能夠大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵?？梢詤⒖嫉拇胧┌ǎ簩鹘y(tǒng)電力機(jī)構(gòu)采取強(qiáng)力抑制措施，努力拉近工業(yè)發(fā)電與居民屋頂所發(fā)“綠電”的價(jià)格差；對太陽能光伏發(fā)電給予實(shí)質(zhì)性的財(cái)政補(bǔ)貼和優(yōu)惠政策的扶持；相關(guān)的技術(shù)專家獲得足夠支持，在工藝開發(fā)方面多下功夫，使居民家庭安裝及維護(hù)太陽能光伏系統(tǒng)變得較為容易；積極宣傳太陽能發(fā)電技術(shù)，將綠色觀念深入人心。國務(wù)院高度重視光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提出到2015年光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到3 500萬kWh以上的發(fā)展目標(biāo)。在國家政策的支持下，光伏產(chǎn)業(yè)迎來了重要發(fā)展機(jī)遇，光伏發(fā)電將隨之快速增長。相信，如果再多一點(diǎn)“陽光政策”，屋頂發(fā)電就不再是紙上談兵的夢想。

風(fēng)電的發(fā)展已經(jīng)初見成效。然而，風(fēng)力發(fā)電由于地理位置的限制，需要超長距離的輸配電，甚至要穿越廣袤的沙漠和戈壁。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電高峰一般是夜間，與日用電高峰不一致，使得發(fā)出的風(fēng)電沒有得到很好地利用。并且，風(fēng)電本身發(fā)電量極不穩(wěn)定，需要有配套的調(diào)峰電源來削平這種波動(dòng)。綜上所述，由于相關(guān)技術(shù)和國家輸配電基建建設(shè)上的限制，風(fēng)電尚未得到最有效的利用。風(fēng)電行業(yè)未來發(fā)展有巨大潛力和商業(yè)價(jià)值，只要電力等相關(guān)部門全力配合，進(jìn)一步解決輸配電過程中的一系列問題，相信風(fēng)電將得到更廣泛的發(fā)展。

隨著技術(shù)水平的不斷創(chuàng)新和提高，以及國家相關(guān)政策的大力扶持，可再生能源在建筑中的節(jié)能應(yīng)用前景將更加光明。

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