生態(tài)建筑中可再生能源的優(yōu)化使用初探

顏 艷

(中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450000)

1 研究背景

1.1 建筑能耗現(xiàn)狀分析

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為世界人民關(guān)注的焦點(diǎn)。環(huán)境的破壞主要體現(xiàn)在對(duì)于環(huán)境資源的過度使用以及使用過程中污染的排放。全球變暖，大氣污染，臭氧層破壞，水土流失等問題的出現(xiàn)逐步加劇了人們對(duì)于環(huán)境問題的重視程度，并且能源的過量使用必然導(dǎo)致能源的短缺，將會(huì)對(duì)人類的生產(chǎn)生活構(gòu)成威脅。同時(shí)，對(duì)于我國等發(fā)展中國家來講，都正處于高速發(fā)展的重要時(shí)期，取得了許多驕人的成績，但成績的背后卻以環(huán)境的污染作為代價(jià)。近年來，能源的大量消耗打破了供需平衡的生態(tài)鏈，使得我國本就存在的人均能源量少，能源利用率低的問題更加突顯。

建筑行業(yè)作為我國人民“衣食住行”基本需求的重要保障，是目前發(fā)展最為迅速的行業(yè)之一。目前我國建筑能耗約占社會(huì)總能耗的1/3，我國北方采暖城市居住面積只占全國城市居住面積的10%，但建筑能耗卻占到40%。我國是人口大國，隨著人民生活水平的提高，消耗于建筑之上的能源還會(huì)逐步增多，因?yàn)榻ㄖa(chǎn)生的污染也會(huì)逐步增加，設(shè)計(jì)出節(jié)約能源、減少污染的生態(tài)建筑則是建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

1.2 生態(tài)建筑的概念

生態(tài)建筑簡稱ECO，ECO是Eco-build的縮寫，是根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境，運(yùn)用生態(tài)學(xué)、建筑技術(shù)科學(xué)的基本原理和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段等，合理安排并組織建筑與其他相關(guān)因素之間的關(guān)系，使建筑和環(huán)境之間成為一個(gè)有機(jī)的結(jié)合體，同時(shí)具有良好的室內(nèi)氣候條件和較強(qiáng)的生物氣候調(diào)節(jié)能力，以滿足人們居住生活的環(huán)境舒適，使人、建筑與自然生態(tài)環(huán)境之間形成一個(gè)良性循環(huán)系統(tǒng)。

生態(tài)建筑的概念產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，它的產(chǎn)生架構(gòu)于建筑長期發(fā)展的理念之上，意大利建筑師保羅把生態(tài)學(xué)理論與建筑設(shè)計(jì)相互結(jié)合，達(dá)到建筑與自然間的相互和諧。生態(tài)建筑應(yīng)該遵循環(huán)境的生長而建造，注重節(jié)能及新能源的運(yùn)用，最大程度避免對(duì)于環(huán)境的污染和破壞。

生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的理念應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：1)順應(yīng)自然：應(yīng)當(dāng)適應(yīng)環(huán)境并遵循環(huán)境的生長趨勢，做到與自然環(huán)境和諧統(tǒng)一。2)節(jié)約能源：在建筑的體型、構(gòu)造等方面盡量的達(dá)到更加自然的采光通風(fēng)效果，盡量的節(jié)約能源，并且在建筑的材料選擇方面，盡量減少材料的使用，力求材料的可再生利用。3)新能源的使用：新能源主要指非石油類、無污染的可再生資源，包含太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等。

對(duì)于生態(tài)建筑設(shè)計(jì)已有的實(shí)踐不計(jì)其數(shù)，對(duì)于選型、材料、構(gòu)造以及新能源方面的探索都已經(jīng)做出了一定的成績，本文筆者主要想從可再生能源方面提出一些問題和看法，望能對(duì)生態(tài)建筑的發(fā)展增添力量(見圖1)。

2 可再生能源

2.1 可再生能源的發(fā)展及種類

近年來，能源問題成為各行各業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)。能源的過度使用已經(jīng)使得我們賴以生存的地球不堪重負(fù)。在城市建設(shè)的方面，供電以及供熱(冷)的能源消耗巨大，傳統(tǒng)石油類能源的大量使用以及對(duì)于環(huán)境的巨大污染，使得人們不斷的思考能源的節(jié)約和合理利用的問題。

可再生能源包括太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等，它們在自然界可以循環(huán)再生?？稍偕茉醋鳛樾屡d的使用能源，受到了廣泛關(guān)注，它的“取之不盡，用之不竭”以及不污染環(huán)境的主要特點(diǎn)，適用于改造能源危機(jī)以及能源污染的現(xiàn)狀。

2.2 可再生能源使用中存在的問題

可再生能源的利用已經(jīng)初見成效，但卻仍然存在一定的問題。首先，可再生能源的技術(shù)較為先進(jìn)，使用的設(shè)備材料都較為昂貴，并且設(shè)備的材料制造和回收對(duì)環(huán)境仍造成不小的污染，主要是由于政府的相關(guān)補(bǔ)貼相對(duì)較少，對(duì)于可再生技術(shù)的研發(fā)力度以及普及范圍較小，使得可再生資源的使用范圍較小。其次，可再生能源使用的管理較為混亂，沒有明確的條例給予使用者及設(shè)備廠商相關(guān)的規(guī)定，使得可再生能源的使用隨意性較大，管理性較差。最后，筆者認(rèn)為大部分可再生能源的使用者都走入了能源使用的誤區(qū)，受到政府導(dǎo)向、新技術(shù)的宣傳、客戶的需求等方面的影響，盲目的使用新型的設(shè)備，沒有進(jìn)行合理的計(jì)量以及規(guī)劃，對(duì)外的宣傳中又造成“惡性循環(huán)”，使得人們對(duì)于眼花繚亂的新技術(shù)盲目崇拜，而忽略了很難達(dá)到的能源節(jié)約效果以及背后高昂的工程造價(jià)。

3 可再生能源的優(yōu)化使用

3.1 可再生能源的優(yōu)化計(jì)算

對(duì)于可再生能源使用中的問題，筆者提出一套較為簡單的能源使用成本的優(yōu)化計(jì)算方法，希望能夠減少能源的盲目利用，真正實(shí)現(xiàn)能源的利用價(jià)值。此套方法中筆者設(shè)定了較為理想的狀態(tài)下，某單體民用建筑利用可再生能源的優(yōu)化計(jì)算分析，使其在盡可能的利用可再生能源的基礎(chǔ)上，盡可能使維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的成本降到最低，即盡可能取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

在可再生能源的配置方面，考慮到資源的分布(生物質(zhì)資源存在一定的分布局限性)以及目前可再生能源在單體建筑利用的成熟度(風(fēng)力資源普遍用于大面積區(qū)域)等問題，主要選擇太陽能以及地?zé)崮艿墓╇?、供熱作為研究?duì)象，不能滿足的部分以電網(wǎng)的供電、供熱作為補(bǔ)充。

首先，設(shè)定理想狀態(tài)下，某單體民用建筑理論上安裝太陽能板的最大面積為M,維持樓宇正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電負(fù)荷為N,熱負(fù)荷為L，冷負(fù)荷為O。同時(shí)設(shè)定太陽能供電及供熱的面積分別為X1,X2,地?zé)峁?、供冷?fù)荷分別為Y1,Y2，電網(wǎng)的供電、供熱、供冷負(fù)荷分別為Z1,Z2,Z3，則可得到較為理想狀態(tài)下總成本(f總)的計(jì)算公式：

f總=a·α·X1+b·β·X2+c·Y1+d·Y2+e·Z1+f·Z2+g·Z3。

其中,α為太陽能供電系數(shù)；β為太陽能供熱系數(shù)；a，b，c，d，e,f,g分別為各項(xiàng)總成本/各項(xiàng)總供電量(供熱量、供冷量)，a，b，c，d，e，f，g均為成本系數(shù)，指單位時(shí)間內(nèi)每1 MW(W)電、熱、冷的成本，其中各項(xiàng)總成本包含設(shè)備本身費(fèi)用，設(shè)備維修、維護(hù)的費(fèi)用以及政府補(bǔ)貼的費(fèi)用等。成本系數(shù)主要決定于各項(xiàng)可再生技術(shù)的發(fā)展，會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步而降低。

其次，給出優(yōu)化分析相應(yīng)的限定條件：

γM≤X1+X2≤M(γ為限制太陽能的最少利用面積，據(jù)項(xiàng)目情況來設(shè)定)。

αX1+Z1≥N。

βX2+Y1+Z2≥L。

Y2+Z3≥O。

其中，X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2,Z3不能為負(fù)。

由給出的限定條件不難算出，整棟完全采用太陽能發(fā)電的總成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于完全采用太陽能供熱的總成本，可以看出對(duì)于單體建筑的可再生能源的利用，并非越多越好，而是給出合適的比例，達(dá)到經(jīng)濟(jì)利益的最大化。

3.2 結(jié)論與展望

綜合考慮以上公式的限定條件下，通過優(yōu)化算法求得min(f總),得到多種優(yōu)化組合，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。通過運(yùn)用此種計(jì)算方法，能夠使可再生能源的利用得到進(jìn)一步優(yōu)化，避免了盲目使用，使可再生能源的利用經(jīng)濟(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)其真正的使用價(jià)值，但目前仍存在以下問題：

首先，目前對(duì)于可再生能源在建筑物中的應(yīng)用技術(shù)仍不成熟，成本造價(jià)仍相對(duì)昂貴。在應(yīng)用層面，設(shè)計(jì)師應(yīng)以節(jié)約和保護(hù)環(huán)境為前提，計(jì)算成本的前提下，合理利用能源設(shè)備；在開發(fā)層面，應(yīng)當(dāng)以降低可再生能源設(shè)備的造價(jià)成本為主要目的，普及可再生能源的利用。

其次，由于專業(yè)的局限性，文中提出的優(yōu)化計(jì)算并不夠精確和詳細(xì)，具體的操作需要能源、市場經(jīng)濟(jì)學(xué)等多種專業(yè)之間相互的配合，依據(jù)具體的項(xiàng)目調(diào)整公式以及相關(guān)參數(shù)；同時(shí)可以運(yùn)用類似公式求得污染的最小值等參數(shù)進(jìn)行整合的優(yōu)化分析。

此外，可再生能源的利用作為發(fā)展的趨勢，政府應(yīng)當(dāng)給予更多的支持并且制定較為詳細(xì)的管理和運(yùn)行制度，使得可再生資源獲得更大的發(fā)展空間。