可再生能源在超低能耗建筑中的應(yīng)用研究

文麗

（太原學(xué)院建筑與環(huán)境工程系 山西太原 030032）

伴隨著建筑能源消耗問(wèn)題逐漸被更多人關(guān)注，建設(shè)綠色建筑的需求程度日漸增長(zhǎng)，行業(yè)內(nèi)的技術(shù)研發(fā)人員以超低能耗甚至是零能耗為建筑結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和體系的設(shè)計(jì)目標(biāo)，引入多種資源類型。而可再生能源因其能夠循環(huán)利用，現(xiàn)已成為可利用資源的重點(diǎn)研究對(duì)象?？稍偕茉窗堋⑸镔|(zhì)能、海洋能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑻?yáng)能。在建筑領(lǐng)域太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿膽?yīng)用較為廣泛，技術(shù)人員通過(guò)設(shè)計(jì)各類建筑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從能源利用端著手，降低建筑能耗，滿足超低能耗建筑建設(shè)需要。

1 太陽(yáng)能在超低能耗建筑中的應(yīng)用

太陽(yáng)能占據(jù)可再生資源中的絕對(duì)比例，其來(lái)源較為豐富，且轉(zhuǎn)化為其他能量的過(guò)程中無(wú)污染風(fēng)險(xiǎn)，屬于最為常見(jiàn)的綠色能源之一?，F(xiàn)階段，太陽(yáng)能應(yīng)用于超低能耗建筑中主要以空調(diào)和供電系統(tǒng)形式發(fā)揮作用，下文將予以細(xì)致說(shuō)明［1］。

1.1 太陽(yáng)能空調(diào)

1.1.1 暖通空調(diào)

暖通空調(diào)的應(yīng)用是在太陽(yáng)集熱器的熱能收集與轉(zhuǎn)化作用下，為系統(tǒng)提供運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)能的過(guò)程。共分為2 種形式：①主動(dòng)式，即以供電技術(shù)作為輔助技術(shù)手段，通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)建熱水循環(huán)泵系統(tǒng)為建筑不斷供熱；②被動(dòng)式，即借助科學(xué)建筑空間規(guī)劃技術(shù)，收集利用外部環(huán)境中的太陽(yáng)能，從而達(dá)到供暖目標(biāo)。

以某太陽(yáng)能暖通空調(diào)為例，說(shuō)明其太陽(yáng)能的具體應(yīng)用方式。此太陽(yáng)能暖通空調(diào)的運(yùn)行原理見(jiàn)圖1［2］。

圖1 太陽(yáng)能暖通空調(diào)的運(yùn)行原理圖

整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)中的閥組均為通斷型閥組，生活熱水熱泵機(jī)組和供暖空調(diào)熱泵機(jī)組共同作用，達(dá)到制冷制熱機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的效果。在接收太陽(yáng)能后，基于太陽(yáng)能光生伏特效應(yīng)使得PVT 組件陣列能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。直流電流流?jīng)逆變器將轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏餍问?，以此與國(guó)家電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)取電維持第一二水泵、生活熱水熱泵機(jī)組和熱泵機(jī)組正常運(yùn)行的目的。

在所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能暖通空調(diào)基本結(jié)構(gòu)的支持下，能夠切換不同工況：

（1）供熱源為PVT 熱泵：此種模式主要在供暖季開(kāi)啟，在PVT 組件陣列的溫度觸及開(kāi)啟臨界點(diǎn)后，系統(tǒng)開(kāi)啟第一二水泵、第一二五閥組、供暖空調(diào)用戶末端和供暖空調(diào)熱泵機(jī)組。

（2）供熱源為土壤源熱泵：此種模式主要在供暖季開(kāi)啟，并通過(guò)開(kāi)啟第一二水泵、第二四五七八九閥組、供暖空調(diào)用戶末端和供暖空調(diào)熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)。

（3）制冷源為土壤源熱泵：此種模式主要在供冷季開(kāi)啟，通過(guò)開(kāi)啟第一二水泵、第二四五七八九閥組、供暖空調(diào)用戶末端和供暖空調(diào)熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)（土壤源熱泵供暖模式和土壤源熱泵供冷運(yùn)行模式原理見(jiàn)圖2）。

圖2 土壤源熱泵供暖模式和土壤源熱泵供冷運(yùn)行模式原理圖

（4）PVT 土壤補(bǔ)熱：此種模式在非供暖季開(kāi)啟，在PVT 組件陣列的溫度觸及開(kāi)啟臨界點(diǎn)后，系統(tǒng)開(kāi)啟第一水泵、第一三七八九閥組。

（5）PVT 熱泵供生活熱水：此種模式為全年開(kāi)啟狀態(tài)，在PVT 組件陣列的溫度觸及開(kāi)啟臨界點(diǎn)后，系統(tǒng)開(kāi)啟第一水泵、第一六閥組以及生活熱水熱泵機(jī)組。

（6）土壤源熱泵供生活熱水：此種模式為全年開(kāi)啟狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)啟第一水泵、第四六七八九閥組以及生活熱水熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)［3］。

以上運(yùn)行模式的開(kāi)閉要結(jié)合土壤溫度變化、PVT 組件陣列溫度變化和外部環(huán)境溫度變化情況而定，具備運(yùn)行穩(wěn)定性高、用電能耗低、太陽(yáng)熱能和土壤熱能提取利用率高的特點(diǎn)，符合超低能耗建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用需要。

1.1.2 冷凝水分級(jí)回收空調(diào)

我國(guó)部分地區(qū)的淡水資源較為匱乏，普通城市建筑中水源多來(lái)自于市政自來(lái)水，大量用水將加大用水壓力，因此為提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)應(yīng)用冷凝水回收空調(diào)系統(tǒng)十分必要。目前，常見(jiàn)的空調(diào)機(jī)組在處理冷凝水方面以直接排放室外為主，對(duì)冷凝水的利用率較低。部分空調(diào)機(jī)組應(yīng)用冷水噴淋至蒸發(fā)冷凝器的方式達(dá)到能耗降低目的，但此種方式并未將其余冷量有效利用，不滿足超低能耗建筑建設(shè)的要求［4］。因此，通過(guò)與建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，設(shè)計(jì)光-電太陽(yáng)能板將減小不可再生能源消耗，有助于全面降低建筑能耗。

以某光-電太陽(yáng)能板與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合應(yīng)用的空調(diào)系統(tǒng)為例，說(shuō)明冷凝水回收系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用。此系統(tǒng)包含輔助電源、控制主板、光-熱太陽(yáng)能集熱器、光-電太陽(yáng)能板、空調(diào)室內(nèi)機(jī)組模塊。其中，空調(diào)室內(nèi)機(jī)組模塊中設(shè)有驅(qū)動(dòng)泵組和電磁閥組，驅(qū)動(dòng)泵和電磁閥的數(shù)量分別為4 和9 個(gè)，共同組成冷凝水回收管路。脫鹽箱中的離子反滲透膜為關(guān)鍵過(guò)濾除鹽結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流經(jīng)此處后，符合反滲透膜粒徑范圍的微粒通過(guò)，其他微粒被隔離。逆變器的外表面與蓄電池組均與容納槽內(nèi)部緊貼，共同設(shè)置在低溫儲(chǔ)水箱下側(cè)。緊密貼合的連接狀態(tài)將在低溫水箱箱中流動(dòng)冷凝水時(shí)，將所產(chǎn)生的熱量帶走。電磁閥、飲用水箱置于應(yīng)用水管路內(nèi)部，與生活水管路中的電磁閥、生活熱水箱組成整體管路，與脫鹽箱連接。初級(jí)過(guò)濾器的作用是初步凈化空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生的冷凝水，并在回收管路處匯集。受電磁閥控制由驅(qū)動(dòng)泵提供的壓頭，完成初處理冷凝水進(jìn)入低溫儲(chǔ)水箱的動(dòng)作［5］。光-熱太陽(yáng)能集熱器與熱水鍋爐通過(guò)輸水管路連接，鍋爐中的小型循環(huán)水泵可加熱水箱和光-熱太陽(yáng)能集熱器，空調(diào)調(diào)控人員根據(jù)操作界面所顯示的蓄電池剩余電量、蓄電池表面溫度、逆變器表面溫度、水箱溫度、水箱水位等信息，判斷當(dāng)前空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行情況。

將以光-電太陽(yáng)能板為能量來(lái)源的帶有冷凝水回收系統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組應(yīng)用于建筑工程中，其可實(shí)現(xiàn)溢流工況、制水工況和輔助工況。其中，溢流工況是在低溫儲(chǔ)水箱中水位達(dá)到極值后，將存滿信號(hào)傳遞給內(nèi)部的傳感器，傳感器向系統(tǒng)控制中心發(fā)出信號(hào)，開(kāi)啟處于溢流管處的電磁閥，排出多余冷凝水，保持低溫儲(chǔ)水箱的吸熱效能。

制水工況是在控制主板接收到室內(nèi)機(jī)組給出的啟動(dòng)信號(hào)后，開(kāi)啟控制驅(qū)動(dòng)泵，啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)和冷凝水收集處理系統(tǒng)，回收管路處匯集冷凝水，并經(jīng)由驅(qū)動(dòng)泵、電磁閥和初級(jí)過(guò)濾池匯入低溫儲(chǔ)水箱。進(jìn)入儲(chǔ)水箱的冷凝水在二次過(guò)濾的作用下，經(jīng)活性炭過(guò)濾器輸送至太陽(yáng)能熱水鍋爐，通過(guò)煮沸蒸騰作用，將冷凝水中的細(xì)菌病毒殺死［6］。此環(huán)節(jié)的能量提供為光-熱太陽(yáng)能集熱器設(shè)備，蓄電池維持電路供電能力。繼續(xù)流入至脫鹽箱后，冷凝水轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒╊孪春惋嬘玫木庸に?/p>

輔助工況是在低溫儲(chǔ)水箱出現(xiàn)沽空情況后，傳感器接收水位過(guò)低信號(hào)，將其作為控制命令，執(zhí)行關(guān)閉儲(chǔ)水箱電磁閥的命令。

1.2 風(fēng)力-太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)

當(dāng)下建筑節(jié)能降耗的一大方向?yàn)樾纬梢惑w化能源控制利用結(jié)構(gòu)、將能源的作用發(fā)揮到最大、設(shè)計(jì)互補(bǔ)供能的體系。其中，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是研究的重中之重。

以某風(fēng)力-太陽(yáng)能光伏供電與建筑結(jié)合的形式為分析案例，說(shuō)明風(fēng)能和太陽(yáng)能如何與建筑形成一體化運(yùn)行體系。首先，此系統(tǒng)由放電控制器、逆變電源、蓄電池組、太陽(yáng)能電池組和風(fēng)能發(fā)電機(jī)組成。在充電控制器的控制下，蓄電池組中的電能來(lái)源于太陽(yáng)能電池組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，經(jīng)直交流轉(zhuǎn)換后，逆變電源輸出交流電流，經(jīng)由配電器分配給建筑內(nèi)的所有用戶。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由發(fā)電機(jī)、尾翼、風(fēng)架和支架構(gòu)成，啟動(dòng)風(fēng)速為3 m/s，額定風(fēng)速為40 m/s，風(fēng)速可處于3～25 m/s 的范圍內(nèi)，風(fēng)力直徑約為2 m，輸出電壓為AC 24 V/36 V，輸出額定功率為150 W。風(fēng)力資源聚集地處將尾翼和風(fēng)槳固定。太陽(yáng)能電池組的主要材料為單晶硅，該模塊的輸出功率為150 W，空載電壓處于30～40 V 的范圍，短路電流為5 A。蓄電池組的容量為300 Ah，工作電壓為24 V，主要材料為鉛酸。逆變電源是將直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏鞯暮诵慕M件，組件中包含CPU 控制、保護(hù)電路、逆變電路和濾波電路［7］。

實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)從光伏建筑一體化和風(fēng)能建筑一體化2 方面予以細(xì)致探索。設(shè)計(jì)安裝光伏器件的工作質(zhì)量將決定一體化水平，通過(guò)在建筑外表面安裝光伏器件的方式，搭建光伏墻和光伏屋頂，形成建筑體與太陽(yáng)能有機(jī)結(jié)合的整體結(jié)構(gòu)。光伏墻指的是在外墻表面安放電池組，組合成幕墻結(jié)構(gòu)，一般設(shè)置在南墻面，充分利用此方向上采光的優(yōu)勢(shì)。并將光伏組件外表面設(shè)計(jì)為半透明或透明材料，調(diào)整組件間距，防止過(guò)密影響透光效果。光伏屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)安裝是將太陽(yáng)能電池組置于屋頂防水層上，組合成陣列，提高太陽(yáng)能接收水平。光伏列陣架設(shè)于外維護(hù)結(jié)構(gòu)上，吸收散射光和直射光，在不浪費(fèi)土地資源的基礎(chǔ)上，為低層建筑住戶采光效果提升起到促進(jìn)作用。而光伏組件在吸收太陽(yáng)能后，經(jīng)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，可供整棟建筑人員使用。

風(fēng)能建筑一體化設(shè)計(jì)主要是在遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)、屋頂、玻璃窗和墻體上融入光伏組件，在綠地、前后院等位置設(shè)置風(fēng)能組件。且風(fēng)能組件一般設(shè)在距離主體建筑有一定距離的位置，不僅解決因組件過(guò)大、美觀性無(wú)法保障的問(wèn)題，還能夠避免受到建筑體風(fēng)能阻擋作用的影響，提高可利用風(fēng)能的水平。建筑高度與風(fēng)能資源間具備正相關(guān)關(guān)系，建筑體高度越高，高處可利用的風(fēng)能總量越大，因此，要將風(fēng)能組件安裝于屋頂。由于城市建筑以集群方式存在，整體密度較大，對(duì)風(fēng)能利用起到抑制效果。如此，要將風(fēng)電機(jī)組按照風(fēng)道垂直方向設(shè)立，配合風(fēng)場(chǎng)分布狀況，確定安放位置。

為實(shí)現(xiàn)一體化供電系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，在系統(tǒng)運(yùn)行層面要秉持著安全穩(wěn)定原則，所形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要方便檢修和后續(xù)維護(hù)工作開(kāi)展，著力應(yīng)對(duì)公共電網(wǎng)并網(wǎng)難題，為系統(tǒng)增添自動(dòng)化和智能化色彩；在結(jié)構(gòu)層面，要根據(jù)建筑體承重和防水性能，探究自然災(zāi)害對(duì)電池板的沖擊作用，考量現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的抵御能力，以此正確安裝光伏電池板；在管路層面，要注意控制管路運(yùn)行后的可能損失，通過(guò)預(yù)留太陽(yáng)能管路的方式，避免電量損失過(guò)大；在外觀層面，要結(jié)合建筑體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從美觀角度考慮如何在不遮擋視線、不損害外觀整體性的基礎(chǔ)上，確定光伏電池板的安裝地點(diǎn)。

2 自然通風(fēng)系統(tǒng)

對(duì)于高層建筑來(lái)講，通過(guò)布控空調(diào)機(jī)組的形式調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度將加大建筑體總體能耗，為此，應(yīng)用自然通風(fēng)系統(tǒng)可在室內(nèi)創(chuàng)設(shè)良好舒適的半戶外環(huán)境，降低空調(diào)系統(tǒng)的使用頻率，以此降低總體能耗。

結(jié)合風(fēng)廊對(duì)內(nèi)外風(fēng)環(huán)境的作用機(jī)理，設(shè)計(jì)滿足不同建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)廊，置換室內(nèi)污濁空氣的同時(shí)，將熱量帶走，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，為建筑內(nèi)部熱舒適性目標(biāo)達(dá)成給予支持。具體按照?qǐng)D3 所示充分利用自然風(fēng)，為建筑內(nèi)外風(fēng)環(huán)境優(yōu)化提供支持。

圖3 建筑辦公室室外及室內(nèi)風(fēng)廊模式示意圖

圖3 中，（a）為風(fēng)廊貫通建筑，背風(fēng)面和迎風(fēng)面在氣流連接下貫通，適用于炎熱天氣，具備半室外活動(dòng)環(huán)境的特點(diǎn)；（b）為室外與中心豎高庭連通的形式，通過(guò)設(shè)置多個(gè)水平廊道，室外風(fēng)可從不同方向進(jìn)入到室內(nèi)；（c）為風(fēng)廊中心布置形式，室外與室內(nèi)連接依靠進(jìn)出風(fēng)口，風(fēng)口設(shè)置在單元頂端和底端；（d）為風(fēng)廊外圍散布形式，適用于風(fēng)向多變的建筑體中。此種風(fēng)廊對(duì)于提升熱壓通風(fēng)效率起到促進(jìn)作用，太陽(yáng)能煙囪的形成支持熱壓通風(fēng)效率的提升；（e）為垂直風(fēng)廊與水平風(fēng)廊相互作用的形式，熱壓與風(fēng)壓共同作用，形成協(xié)同效應(yīng)。依據(jù)風(fēng)向條件選定風(fēng)口的具體朝向。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，太陽(yáng)能、風(fēng)能是可再生能源應(yīng)用于超低耗能建筑結(jié)構(gòu)中的兩大能源類型。為保證建筑體能耗降至最低，利用太陽(yáng)能設(shè)計(jì)光伏板，鋪設(shè)于建筑體上，不斷為建筑提供電能；利用太陽(yáng)能設(shè)計(jì)無(wú)需電能驅(qū)動(dòng)的空調(diào)機(jī)組，節(jié)約電能，并通過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)用冷凝水回收系統(tǒng)，提高水資源利用率，契合超低能耗建筑運(yùn)行特點(diǎn)。利用自然風(fēng)設(shè)計(jì)滿足建筑不同結(jié)構(gòu)環(huán)境的風(fēng)廊，充分借助自然風(fēng)，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，力求降低建筑整體能耗。