可再生能源技術(shù)在我國(guó)綠色建筑中的應(yīng)用

郭建峰

(河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450064)

0 引言

2020年《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中表明：深入實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，完善生態(tài)文明領(lǐng)域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，構(gòu)建生態(tài)文明體系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化。因此，堅(jiān)持能源的綠色轉(zhuǎn)型，增加可再生能源的高效利用，對(duì)深入實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。

能源分為可再生能源和不可再生能源2大類型。可再生能源主要包括太陽(yáng)能、地?zé)崮堋L(fēng)能等，是自然界中最廣泛的能源。其具有分布廣泛、綠色、無污染等特點(diǎn)，是取之不盡、用之不竭的能源。綠色建筑是指在為人們提供健康、舒適、安全的生活、工作、活動(dòng)場(chǎng)所的同時(shí)，將資源的高效使用和對(duì)環(huán)境的影響降到最低的建筑物。其綜合了綠色結(jié)構(gòu)、自然通風(fēng)、自然照明、低能耗結(jié)構(gòu)、可再生能源利用、再生水利用、綠色建筑材料、智能控制等高科技技術(shù)，可以有效減少建筑物的能源消耗。

提高可再生能源在綠色建筑中的應(yīng)用，可以大量降低建筑物的碳排放量。特別是隨著資源的日益緊缺，可再生能源的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，已成為綠色建筑的首要選擇。

1 國(guó)家層面對(duì)可再生能源政策的扶持

1.1 陸續(xù)出臺(tái)可再生能源扶持政策

我國(guó)綠色建筑經(jīng)歷10余年的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展成為規(guī)模龐大的建筑體，從單體到綠色城區(qū)，再到城市規(guī)?；l(fā)展，一直走在快車道上。而可再生能源的發(fā)展也離不開國(guó)家政策的扶持以及財(cái)政經(jīng)費(fèi)的支持。為了促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)政策[1]，可再生能源相關(guān)的國(guó)家法規(guī)與政策如表1所示。

表1 可再生能源相關(guān)的國(guó)家法規(guī)與政策

另外增加了可再生能源的參與主體，支持多種所有制經(jīng)濟(jì)參與，促進(jìn)健康發(fā)展。國(guó)務(wù)院能源主管部門根據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、能源開發(fā)數(shù)量等，編制全國(guó)能源開發(fā)利用規(guī)劃，同時(shí)各地市也根據(jù)地域特點(diǎn)和開發(fā)情況，編制中長(zhǎng)期目標(biāo)發(fā)展計(jì)劃[2-4]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家也在加強(qiáng)可再生能源技術(shù)的研發(fā)。21世紀(jì)，國(guó)家已將可再生能源開發(fā)利用列為科技發(fā)展與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域，并提供大量的資金支持。根據(jù)《中華人民共和國(guó)可再生能源法》規(guī)定[5]，2006年財(cái)政部、建設(shè)部發(fā)布《建設(shè)部、財(cái)政部關(guān)于推進(jìn)可再生能源在建筑中應(yīng)用的實(shí)施意見》，2006年發(fā)布《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目評(píng)審辦法》《可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金管理暫行辦法》，同時(shí)財(cái)政部設(shè)立了“可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金”?？稍偕茉窗l(fā)展專項(xiàng)資金支持煤層氣(煤礦瓦斯)、頁(yè)巖氣、致密氣等非常規(guī)天然氣開采利用。2018年，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.3 元/m3。自2019年起，不再按定額標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)貼，而是按照“多增多補(bǔ)”的原則，對(duì)超過上年開采利用量的，按照超額程度給予梯級(jí)獎(jiǎng)補(bǔ)；相應(yīng)地，對(duì)未達(dá)到上年開采利用量的，按照未達(dá)標(biāo)程度扣減獎(jiǎng)補(bǔ)資金。同時(shí)，對(duì)取暖季生產(chǎn)的非常規(guī)天然氣增量部分，給予超額系數(shù)折算，體現(xiàn)“冬增冬補(bǔ)”。

1.2 提高可再生能源在標(biāo)準(zhǔn)中的占比

《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378-2019)也對(duì)可再生能源利用技術(shù)作了要求，明確了可再生能源利用的評(píng)分規(guī)則?？稍偕茉丛谠摌?biāo)準(zhǔn)“節(jié)能與能源利用”中所占權(quán)重最大，其分項(xiàng)權(quán)重在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)中占24%。在“節(jié)能與能源利用”的評(píng)分項(xiàng)中，由可再生能源提供的空調(diào)用冷量和熱量的比例(Rch)不低于20%，得2分，每提高15%加5分，最高分為10分[6]。

2 可再生能源在綠色建筑中的應(yīng)用

綠色建筑要求在其生命周期內(nèi)，應(yīng)有效減少能源消耗，可再生能源可以滿足這一需求。其不僅可以替代傳統(tǒng)能源，減少污染物的排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還具有可持續(xù)發(fā)展的深遠(yuǎn)意義?？稍偕茉醇夹g(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用主要包括：太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能，筆者分別論述3種可再生能源在綠色建筑中的應(yīng)用。

2.1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，太陽(yáng)能利用是可再生能源中利用最廣泛、最高效的技術(shù)之一。目前在建筑領(lǐng)域，太陽(yáng)能利用主要有2種形式，分別是：光-熱利用和光-電利用。太陽(yáng)能利用的相關(guān)技術(shù)主要有太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能供熱/供冷、太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能綠色照明等。光-熱技術(shù)主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，能夠解決建筑能源消耗問題，使建筑成為低能耗建筑，符合綠色建筑發(fā)展理念；光-電技術(shù)是應(yīng)用比較廣泛的一種形式，隨著化石能源的短缺，光-電技術(shù)顯得愈發(fā)重要，該項(xiàng)技術(shù)能夠解決動(dòng)力源缺失問題。這2項(xiàng)技術(shù)的大力推廣，能夠緩解傳統(tǒng)能源的消耗，具有戰(zhàn)略意義，而且也符合我國(guó)綠色發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基本國(guó)策。

太陽(yáng)能系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器、容積式熱交換器、太陽(yáng)能工質(zhì)水箱、太陽(yáng)能集熱器循環(huán)管路等組成。本文以鄭州地區(qū)具有代表性的鄭州市奧林匹克體育中心(以下簡(jiǎn)稱奧體中心)項(xiàng)目為例，分析太陽(yáng)能的高效利用。

奧體中心項(xiàng)目總建筑面積為584 105.88 m2，在賓館的屋面設(shè)置太陽(yáng)能熱水器，太陽(yáng)能集熱器面積為480 m2，功率182 kW，集熱板240塊，每天可產(chǎn)生熱水195.90 m2，占建筑生活熱水消耗量的26.1%。該項(xiàng)目采用水-水換熱導(dǎo)流型容積式加熱器，使用高溫?zé)崴疄闊崦剑诿恳皇褂命c(diǎn)單獨(dú)設(shè)置熱媒熱量計(jì)，并在熱水用水點(diǎn)和導(dǎo)流型容積式加熱器之間也設(shè)置了循環(huán)回水管和根據(jù)溫度自動(dòng)控制的熱水循環(huán)泵，確保使用者隨時(shí)取得熱水。該項(xiàng)目太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行原理圖如圖1所示。

圖1 奧體中心太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

另外該項(xiàng)目還利用了地?zé)崮?、太?yáng)能照明等非傳統(tǒng)能源。在奧體中心項(xiàng)目供暖制冷方案的設(shè)計(jì)中，體育館、游泳館均采用了地埋管地源熱泵系統(tǒng)搭配水冷多聯(lián)式的方式，通過提取土壤冷熱量，對(duì)場(chǎng)館進(jìn)行供冷和供熱。該方法比傳統(tǒng)中央空調(diào)節(jié)能30%～40%，同時(shí)在體育館周圍廣泛分布光導(dǎo)照明采光孔，利用光的折射、透射原理，通過室外的采光裝置高效收集太陽(yáng)光、自然光，并將其導(dǎo)入內(nèi)部系統(tǒng)。奧體中心項(xiàng)目效果圖和光導(dǎo)照明系統(tǒng)如圖2、圖3所示。

圖2 奧體中心項(xiàng)目效果圖圖3 奧體中心光導(dǎo)照明系統(tǒng)

2.2 地?zé)崮?/h3>

地?zé)崮苁堑叵履茉粗凶钬S富的非傳統(tǒng)能源，這種能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，地?zé)崮艿膽?yīng)用主要體現(xiàn)在地源熱泵系統(tǒng)。在大型公共建筑中，地?zé)嶂饕糜谙募竟├浜投竟┡矫?。地?zé)峋哂袦囟确€(wěn)定、綠色環(huán)保，相比傳統(tǒng)能源，地源熱泵技術(shù)是高效節(jié)能技術(shù)之一。從形式上分，地源熱泵系統(tǒng)可以分為地表水地源熱泵、地下水地源熱泵、埋管式地源熱泵。

地源熱泵系統(tǒng)主要由熱泵主機(jī)、循環(huán)水泵、埋地?fù)Q熱管、埋管真空排氣定壓裝置、分集水器、埋管綜合水處理器等組成。本文以河南地區(qū)具有代表性的長(zhǎng)垣縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園項(xiàng)目為例，分析地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用。

長(zhǎng)垣縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園項(xiàng)目總建筑面積為34 547 m2，使用熱泵系統(tǒng)空調(diào)面積約為16 645.8 m2。根據(jù)熱平衡型和熱泵機(jī)組的備用性，該項(xiàng)目選用1#、2#2臺(tái)熱泵機(jī)組，1#熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行，2#熱泵機(jī)組作為備用，同時(shí)考慮熱平衡影響，2#熱泵機(jī)組夏季接1臺(tái)開式冷卻塔，夏季不足的冷量另設(shè)1臺(tái)3#冷水機(jī)組。另外該項(xiàng)目土壤換熱器換熱孔計(jì)算數(shù)量為338個(gè)，考慮到換熱孔的施工成孔率，平面實(shí)際布置換熱孔為334個(gè)，單個(gè)換熱孔有效長(zhǎng)度為120 m。施工時(shí)，下管深度超過90 m的為有效換熱孔，小于90 m的為廢棄孔。土壤換熱器系統(tǒng)選用2臺(tái)運(yùn)行效率高、平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、便于拆卸的循環(huán)水泵，循環(huán)水泵與熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)工作，可以根據(jù)負(fù)荷變化改變開啟循環(huán)水泵的頻率，該項(xiàng)目可再生能源提供冷熱量的比例為56.38%。

2.3 風(fēng)能

在綠色建筑中，風(fēng)能的使用主要體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。風(fēng)能的能量主要取決于風(fēng)的速度和強(qiáng)度。與能源豐富、煤炭火力運(yùn)輸便利的平原地區(qū)相比，沿岸島嶼、草地和山區(qū)的風(fēng)力發(fā)電具有更廣闊的前景和范圍。例如，在海拔較高的西北高原和廣袤的草原地區(qū)使用風(fēng)力發(fā)電較為普遍。

風(fēng)能資源的開發(fā)主要依托于廣袤的陸地和海上風(fēng)電場(chǎng)。我國(guó)的風(fēng)能資源儲(chǔ)量巨大，一年中技術(shù)可開發(fā)的能量約5.3×1013kW·h。風(fēng)能在能源中屬于清潔能源，具有分布范圍廣、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但是風(fēng)能受區(qū)域氣候、空氣流速等影響較大，具有不穩(wěn)定性。隨著風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的不斷革新，風(fēng)能已經(jīng)成為可再生能源利用中重要的組成部分[7]。

風(fēng)能在綠色建筑中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電，特別是在綠色建筑群中應(yīng)用較廣泛。隨著城市土地的日益短缺，建筑容積率逐漸增大，建筑物之間的樓間距變得越來越小，導(dǎo)致近地面處風(fēng)能的利用較弱。為了解決這種問題，可將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安裝在建筑物頂層，為綠色建筑群提供電能。另外在風(fēng)速較大的地區(qū)，城市的夜景照明可以利用風(fēng)能，白天依靠渦輪發(fā)電機(jī)儲(chǔ)存一部分風(fēng)能，晚上將儲(chǔ)存的能量釋放出來，可以有效地提高風(fēng)能的利用率。

3 可再生能源利用策略分析

通過對(duì)河南地區(qū)代表性綠色建筑進(jìn)行分析，可以看出，可再生能源技術(shù)利用具有地域適宜性。綠色建筑在項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案階段應(yīng)充分考慮可再生能源的利用形式，結(jié)合綠色建筑所在地區(qū)的區(qū)域環(huán)境，勘察項(xiàng)目地區(qū)可利用的可再生能源，合理確定利用形式。

鄭州市奧體中心項(xiàng)目和長(zhǎng)垣縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園項(xiàng)目都采用太陽(yáng)能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)。因此同一項(xiàng)目可以應(yīng)用多種可再生能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的耦合，可以提高可再生能源的利用率。另外可再生能源在利用過程中，也要充分考慮可再生能源提供的冷(熱)量是否滿足項(xiàng)目要求，如果提供的熱量低于項(xiàng)目的需求量，應(yīng)該增加輔助裝置，比如長(zhǎng)垣縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園項(xiàng)目中地源熱泵提供的冷量在夏季高峰期由熱泵主機(jī)和冷卻塔聯(lián)合供冷。

4 結(jié)論

利用可再生能源，對(duì)于節(jié)約化石能源、保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。通過分析采用的可再生能源利用項(xiàng)目，得出如下結(jié)論。

(1)可再生能源利用要因地適宜。項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)乜稍偕茉蠢眯问剑羞x擇地利用可再生能源。

(2)增強(qiáng)可再生能源利用的耦合作用。同一項(xiàng)目可以應(yīng)用多種可再生能源，以達(dá)到互相補(bǔ)充的目的。比如在地源熱泵機(jī)組中，可以利用冷凝熱制取生活熱水，同時(shí)利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)制取生活熱水，2種形式可以互利互補(bǔ)。

(3)可再生能源利用受天氣、環(huán)境、地域等影響，也有一定的缺點(diǎn)。比如，太陽(yáng)能利用在陰雨雪或傍晚時(shí)段，就只能靠電輔熱加熱；地源熱泵系統(tǒng)要考慮地下水的回灌問題等。因此，可再生能源利用設(shè)計(jì)階段，要充分考慮最不利因素的影響，增加輔助措施。