建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中新能源的應(yīng)用

閻川

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

城市化的建設(shè)及發(fā)展需要建筑工程項(xiàng)目的施工，但建筑工程的施工涉及環(huán)境污染以及能源消耗等問題，不符合我國(guó)節(jié)能降耗以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求。為此，建筑行業(yè)需要向綠色、節(jié)能以及環(huán)保的方向轉(zhuǎn)型，以此才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。隨著我國(guó)“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的推行，建筑工程施工中需要注重節(jié)能設(shè)計(jì)，即需要使用新能源逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，以此降低能源消耗，減少施工污染。因建筑節(jié)能設(shè)計(jì)較為專業(yè)，所以建筑企業(yè)需要委托精通節(jié)能設(shè)計(jì)要求及標(biāo)準(zhǔn)，掌握各類新能源設(shè)計(jì)的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)意義

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是節(jié)能建筑發(fā)展的有效措施，主要是指依據(jù)區(qū)域氣候?qū)ㄖこ痰囊?guī)劃分區(qū)、建筑朝向、風(fēng)向、群體與單體數(shù)量、樓間距、外部空間環(huán)境以及太陽輻射等進(jìn)行節(jié)能化設(shè)計(jì)，以便于提高建筑工程施工以及后期竣工使用的節(jié)能性以及環(huán)保性等。具體的節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)有多個(gè)，例如建筑規(guī)劃及平面布局需要注重自然通風(fēng)，建筑區(qū)域綠化面積應(yīng)≥35%；建筑室內(nèi)空間需要保證大寒日連續(xù)自然光照時(shí)間>2h(或3h)，具體的建筑施工需要使用節(jié)能、環(huán)保型材料，需要注重能源資源消耗的有效控制，盡可能提高建筑節(jié)能設(shè)計(jì)力度，提升資源利用率，進(jìn)而有助于促進(jìn)節(jié)能建筑的發(fā)展?，F(xiàn)如今，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)是時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，其可以使得建筑工程施工擺脫傳統(tǒng)高能耗、高污染的施工模式，有助于提高建筑工程施工的節(jié)能性以及環(huán)保性等，同時(shí)還可以促進(jìn)綠色建筑的發(fā)展[1]。與此同時(shí)，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可以盡可能減少建筑垃圾以及污染物的產(chǎn)生，即除了施工中需要使用各類新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源之外，其他建筑材料均是環(huán)保型材料，不僅可以回收再利用，且環(huán)境污染性較低。

2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中新能源應(yīng)用分析

2.1 風(fēng)能應(yīng)用

風(fēng)能屬于新能源之一，其在自然界中的分布較為廣泛，但是其在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有一定限制，該能源的應(yīng)用方式需要依托于太陽光，即在太陽的照射下，受溫度的影響，加之空氣中水的含量，致使不同區(qū)域之間的氣壓存在明顯差異，進(jìn)而可能會(huì)產(chǎn)生風(fēng)。現(xiàn)如今，隨著建筑施工技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)當(dāng)中會(huì)使用風(fēng)能，即利用現(xiàn)代化技術(shù)推動(dòng)風(fēng)車設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)而風(fēng)能會(huì)轉(zhuǎn)化成電能，以此為建筑工程的施工提供電力支持。除此之外，除了建筑門窗的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了風(fēng)能的利用之外，借助通風(fēng)口的預(yù)留，可以保持建筑室內(nèi)外自然通風(fēng)，同時(shí)還可以減少空調(diào)設(shè)備的使用，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的施工目標(biāo)[2]。

2.2 光伏應(yīng)用

2.2.1 光伏新能源概述

光伏新能源發(fā)電中的新能源主要是指太陽能，即利用相關(guān)設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能，隨后在利用逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成為交流電，最后需要使用控制器對(duì)電流的輸出進(jìn)行控制。具體而言，白天建筑企業(yè)可以利用特殊裝置收集太陽能，隨后利用光電效應(yīng)將太陽能儲(chǔ)蓄電池充滿，等到黑夜降臨，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器會(huì)將太陽能轉(zhuǎn)變成為電能，以此為建筑各方面用電提供電力支持，此種電能轉(zhuǎn)換方式不僅可以減少傳統(tǒng)能源資源的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗發(fā)展目標(biāo)，還可以提高新能源利用率，降低生態(tài)環(huán)境污染，減少企業(yè)用電成本。與此同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在新能源應(yīng)用方面的利用率較高，可以防止出現(xiàn)能源浪費(fèi)現(xiàn)象，且電網(wǎng)電能的調(diào)配效率更高，電力供應(yīng)更加穩(wěn)定以及安全等。此外，與發(fā)電廠相比，光伏新能源的占地面積較小，常被安裝在建筑屋頂，不僅可以為建筑工程的施工節(jié)省地面空間，還可以提高建筑樓體自身利用率[3]。如若建筑工程的節(jié)能設(shè)計(jì)無特殊性要求，幾座光伏發(fā)電站的設(shè)置便可以滿足建筑各方面的用電需求，不僅施工建設(shè)成本相對(duì)偏低，且電力供應(yīng)更加方便與靈活。

2.2.2 建筑應(yīng)用的分析

光伏新能源是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其在建筑電氣節(jié)能中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是新型空調(diào)，借助光伏新能源可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑室內(nèi)空間溫度的調(diào)整，光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)蓄的部分太陽能在轉(zhuǎn)化成為電能之后會(huì)被用于建筑室內(nèi)空間的供暖以及制冷等方面。供暖過程中使用的新能源是可再生太陽能，其不僅可以減少CO2排放量，還可以降低生態(tài)環(huán)境污染，屬于是節(jié)能、環(huán)保型設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，光伏電池儲(chǔ)蓄太陽能時(shí)所產(chǎn)生的噪音污染較小，相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行期間不會(huì)對(duì)建筑室內(nèi)外人員的工作及生活產(chǎn)生不良影響。此外，當(dāng)太陽能照射光伏電池相關(guān)設(shè)備時(shí)，部分電能可以用于制冷，太陽光照越強(qiáng)烈，電能的轉(zhuǎn)化量越充足，從而制冷效果越好[4]。另一方面是除濕處理。在建筑室內(nèi)空間中，長(zhǎng)時(shí)間供暖或制冷等都會(huì)影響室內(nèi)空氣循環(huán)，光伏新能源的應(yīng)用可以將室內(nèi)空間調(diào)制人體最佳舒適狀態(tài)，即借助循環(huán)系統(tǒng)通過蒸發(fā)或冷卻等方式處理室內(nèi)濕熱空氣，不僅可以達(dá)到除濕效果，還可以節(jié)省部分能源消耗，降低環(huán)境污染，改善建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2.2.3 建筑節(jié)能的體現(xiàn)

在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，光伏新能源的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是光伏系統(tǒng)與建筑結(jié)合，另一方面是光伏系統(tǒng)與建筑集成。前者，主要是指光伏新能源系統(tǒng)與建筑體的結(jié)合，將該系統(tǒng)安裝在建筑體外側(cè)，其可以通過接收陽光而將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，以此為建筑樓體提供電力支持。而由太陽能轉(zhuǎn)化的電能可用于建筑各方面，針對(duì)于剩余電能，光伏新能源系統(tǒng)還可以進(jìn)行存儲(chǔ)，以防止因突發(fā)電力事故發(fā)生而導(dǎo)致停電事件。此種結(jié)合方式可以減少供電成本，且光伏系統(tǒng)拆卸維修較為簡(jiǎn)便，系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)于環(huán)境的污染較小[5]。當(dāng)前，該系統(tǒng)已被普遍應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)當(dāng)中。后者，該系統(tǒng)與建筑的集成主要是指將光伏系統(tǒng)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。與外裝光電系統(tǒng)的集成形式不同，此種集成方式主要是將部分組件組裝至建筑樓體結(jié)構(gòu)當(dāng)中，而將吸收太陽能的裝置安裝在建筑體外部，當(dāng)此類裝置吸收太陽能之后，建筑結(jié)構(gòu)中的各組件會(huì)發(fā)揮儲(chǔ)蓄以及電能轉(zhuǎn)換的作用，其不僅可以為建筑各用電提供穩(wěn)定且持續(xù)的電力供應(yīng)，還可以減少電能損耗，提高電能利用率。

2.2.4 光伏應(yīng)用注意事項(xiàng)

光伏新能源裝置的安裝施工較為專業(yè)，正式安裝之前安裝人員需要進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要對(duì)安裝施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，該裝置的安裝需要較大場(chǎng)地，以便于太陽能的充分吸收與利用。與此同時(shí)，因一天之內(nèi)太陽的照射角度會(huì)不斷變化，所以安裝人員在太陽能板安裝角度的選擇方面，應(yīng)盡可能確保太陽照射最大值，且還需要確保在太陽照射過程中不會(huì)有其他物體進(jìn)行遮擋。除此之外，光伏新能源裝置的安裝需要注重安全性，如果是在長(zhǎng)時(shí)間的太陽能照射情況下，該裝置的能量聚集會(huì)逐漸增大，其可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)[6]。為此，安裝人員需要做好防火災(zāi)保護(hù)措施，同時(shí)還需要選擇高質(zhì)量且耐高溫的太陽能板，并定期對(duì)該裝置進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與維修，確保太陽能板正常工作。

2.3 地?zé)崮軕?yīng)用

地?zé)崮軐儆谛履茉粗?，其在建筑工程施工中的?yīng)用是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要表現(xiàn)，利用地?zé)豳Y源可以解決人民日常生活及生產(chǎn)的用電需求。在人民的日常生活中，熱水屬于必備資源，地?zé)崮艿氖褂每梢蕴岣哔Y源利用率，降低能源消耗以及減少環(huán)境污染等。當(dāng)前，在熱水量以及電力需求量較大區(qū)域，地?zé)崮艿膽?yīng)用較為普遍，其應(yīng)用不僅可以保證電力及熱水供應(yīng)穩(wěn)定，還可以減少CO2排放量，促進(jìn)節(jié)能建筑發(fā)展。一方面，地?zé)峁┡矫妗＠脽峤粨Q器可以將地?zé)崮苓M(jìn)行轉(zhuǎn)變，以此可以為建筑供暖以及熱水使用等提供能源支持。地?zé)崮艿臒嵩粗饕獊碜杂诘叵律顚訜崴?，借助加熱系統(tǒng)可以將地?zé)崮荛g接或直接的輸送至各建筑用戶，傳統(tǒng)低溫地?zé)嵯到y(tǒng)是由諸多設(shè)備、系統(tǒng)組合而成，其中鍋爐屬于主要設(shè)備，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。另一方面，地?zé)峥照{(diào)方面。部分建筑企業(yè)會(huì)在節(jié)能設(shè)計(jì)方面設(shè)置無污染地?zé)崮芸照{(diào)，其每天可以滿足用戶至少0.1t的熱水需求量，同時(shí)還可以對(duì)游泳池水進(jìn)行加熱，使得游泳池水可以在24h之內(nèi)始終保持溫暖[7]。此外，地?zé)峥照{(diào)在運(yùn)行的過程中不會(huì)向空氣中排放任何有毒氣體，屬于綠色環(huán)保裝置。

3 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中新能源應(yīng)用案例

3.1 工程概況

此次研究的案例是某縣糧食平房倉、倉庫及辦公樓屋面設(shè)置太陽能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該工程項(xiàng)目位于某縣新建庫區(qū)，預(yù)計(jì)安裝容量為8.86萬kW·h。該建筑工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)初期便十分注重節(jié)能環(huán)保理念的融合，其節(jié)能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在屋面，即設(shè)計(jì)人員在建筑屋面之上安裝了太陽能光伏列陣，隨后又將逆變器以及控制器的引出端連接于公共電網(wǎng)，此種設(shè)計(jì)方式可以減少蓄電池的安裝，不僅可以節(jié)約設(shè)備資源的使用，還可以滿足建筑工程施工的電力供應(yīng)需求。與此同時(shí)，電網(wǎng)與光伏方陣的并聯(lián)設(shè)計(jì)，可以利用光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化電能，以此既能夠滿足建筑內(nèi)部生產(chǎn)用電需求，又可以為建筑區(qū)域公共照明設(shè)施提供電力支持[8]。如果該過程中產(chǎn)生多余電能，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以將多余電能直接饋至電網(wǎng)，有助于防止能源、資源浪費(fèi)。

3.2 部件設(shè)計(jì)

3.2.1 太陽能電池陣列

首先，光伏組件選型。該建筑工程所選用的是多晶硅光伏組件，不同于單晶硅光伏組件，其運(yùn)行效率偏低，但運(yùn)行成本相對(duì)偏低，且組件運(yùn)行時(shí)功率的衰減率<15%，使用壽命較長(zhǎng)。此次建筑工程項(xiàng)目使用的峰值功率為165Wp，峰值電流為7A，峰值電壓為24V。其次，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)效率計(jì)算。該系統(tǒng)的總效率主要是由交流并網(wǎng)(η2)、逆變器(η1)以及光伏陣列(η3)組合而成，總功率計(jì)算公式為η1×η2×η3。與此同時(shí)，光伏陣列表面太陽能輻射量計(jì)算，計(jì)算公式為RD=[sin(α+β)/sinα]×S+D，其中RD表示傾斜光伏陣列面太陽能總輻射量、α表示太陽高度角、β表示光伏正面傾斜角、S表示水平面上太陽直接輻射量、D散射輻射量[9]。

3.2.2 其他裝置的選擇

該建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中除了需要安裝太陽能電池陣列之外，還需要設(shè)計(jì)安裝其他相關(guān)裝置。例如，逆變器(圖1)是該建筑工程節(jié)能設(shè)計(jì)新能源應(yīng)用的重要裝置，其質(zhì)量與系統(tǒng)運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性等關(guān)系密切。在1MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電單元當(dāng)中，逆變器有4臺(tái)并網(wǎng)連接，功率均為250kW，而在并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)當(dāng)中，逆變器共有12臺(tái)，功率均為250kW。

圖1 逆變器

監(jiān)控系統(tǒng)，其安裝作用主要是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況的了解，在該建筑工程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，并網(wǎng)變電器最多可連接50臺(tái)，且該系統(tǒng)能夠?qū)?0臺(tái)變電器的日發(fā)電量以及累計(jì)發(fā)電量等進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而助力工作人員了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息[10]。環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，該裝置的安裝目的主要是對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向以及日照強(qiáng)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)防雷接地裝置，該裝置是建筑工程設(shè)計(jì)施工中的重要內(nèi)容，其可以防止建筑遭受雷擊，也可以對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)，有助于確保光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著人民生活水平的逐步提高，人民的節(jié)能環(huán)保意識(shí)明顯增強(qiáng)，各建筑企業(yè)若想獲得長(zhǎng)久、穩(wěn)定發(fā)展，便需要與時(shí)俱進(jìn)，積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗以及環(huán)境保護(hù)等號(hào)召。建筑節(jié)能設(shè)計(jì)具有減少能源消耗、降低施工污染以及促進(jìn)綠色建筑發(fā)展等作用，不僅是建筑行業(yè)節(jié)能化轉(zhuǎn)型的重要途徑，也是轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)建筑施工模式的重要表現(xiàn)，尤其是針對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)中各類新能源的應(yīng)用，例如地?zé)崮艿膽?yīng)用、光伏新能源的應(yīng)用以及風(fēng)能的應(yīng)用等，其中光伏新能源的應(yīng)用最為廣泛。