0引言
能源是社会发展的原动力,现代建筑对煤炭、石
油、天然气等传统能源的过分依赖,高能耗、低效率建筑的存在不仅增加了能源的消耗,而且污染环境。资
料显示,建筑能耗占社会总能耗的30%左右,
而暖通空调能耗约占建筑能耗的85%[1]。随着我国城市化的飞速发展和人们生活水平的不断提高,建筑能耗所占社会商品能源总消耗量的比例也持续增加,目前的比例已从1978年的10%上升到了近年来的26.7%左右,而且此数值仅为建筑运行过程所消耗的能源,不包括建筑材料制造用能及建筑施工过程能耗[2]。因此,提倡建筑节能不仅能缓解能源紧张、社会经济发展与能源供应不足的问题,而且能降低污染物排放,有效保护环境。
太阳能是一种无污染的能源,也是人类可利用的
最丰富的能源。我国有着丰富的太阳能资源,每年获
得的太阳能约为3.6×1022J,相当于1.2万t标准煤的热值[3],约占全国国土面积2/3
的地区年平均辐射总量在3340~8400MJ/m2,年日照时数超过2200h,相当于110~280kg/h标准煤的热值[4]。因此,研发太阳能在建筑中综合利用的技术,探究太阳能技术与建筑的有机结合将具有积极而深远的意义。
1建筑节能概述
所谓建筑节能,最初是指减少建筑物中能量的流失,现在则普遍称为“提高建筑物中的能源利用率”,即在保证提高建筑物舒适度的前提下,合理使用能源,不断提高能源利用效率。它所界定的范围是指建筑使用能耗,包括空调、采暖、照明、家用电器、炊事等方面的能耗。建筑物是由各相关部分有机组合而成的系统,因而建筑节能是一项复杂的系统工程。我国建筑节能的重点是:建筑本体的节能、暖通空调系统的优化节能以及提高照明和其他用电设备的效率。从规划、设计、建造、调试、运行、维护、管理等各个不同阶
太阳能技术在建筑节能中的应用形式及工程实例分析
季
炜1,
王晓燕2,
刘景伟3,
董世奎
4
公司口号(1.兰州理工大学流体动力与控制学院,兰州
730050;2.郑州职业技术学院,郑州450000;
3.河南省扶沟县城关镇一中,河南
周口市
461300;4.哈尔滨工业大学航空航天热物理研究所,哈尔滨150001)
摘要:通过太阳能技术在建筑节能中应用形式的探讨和典型工程实例分析,指出太阳能技术应用于建筑的环保性、经济性以及在缓解能源紧张、节能减排、促进社会经济可持续发展中所起到的重要作用,提出应积极推广太阳能技术在建筑上的应用。
关键词:太阳能技术;建筑节能;节能减排;可持续发展
中图分类号:TU111.4+5
中国十大涂料品牌文献标志码:
A文章编号:1673-7237(2007)09-0050-05
AnalysisofEngineeringPracticeandtheAppliedFormsofSolarEnergyTechnologyinBuildingEnergySaving
JIWei1,WANGXiao-yan2,LIUJing-wei3,DONGShi-kui4
(1.CollegeofFluidPowerandControlEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;
淘宝物流单号查询2.ZhengzhouVocationalAcademy,Zhengzhou450000,China;
3.TheNo.1JuniorSchoolofChengguanTownFugouCountry,Fugou,Fugou461300,China;
4.InstituteofAeronauticalandAstronauticalThermophysics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract:Afterdiscussiontheapplyingformsofsolarenergytechnologyandanalyzingtherepresentativeengineeringpractice,thechar-acteristicsofenergy-savingandenvironmentalprotectionofsolarenergytechnologywhichisappliedinbuildingenergysavingwerepresentedandthesignificanteffectonmitigatingenergytension,savingenergyandreducinglossandpromotingthesustainabledevelopmentofthesocialeconomywaspointedout.Theapplicationofsolartechnologyinarchitectureshouldbepromotedactively.
Keywords:solarenergytechnology;buildingenergysaving;savingenergyandreducingloss;sustainabledevelopment
收稿日期:2007-06-21;一次修回:2007-06-27;二次修回:2007-09-09
基金项目:
兰州理工大学学生科技创新基金项目(CX08070415)和甘肃省科技攻关计划项目(2GS047-A52-001)
■新能源与环境
NEWENERGY&ENVIRONMENT
建筑节能
2007年第9期(总第35卷第199期)
No.9in2007(TotalNo.199,Vol.35)
50
段着手,降低建筑的能源需求,优化供能系统设计,开发新型能源系统方式,提高系统的运行效率和管理水平。因此,建筑节能的关键技术应包括:维护结构的热传递机理、节能指标体系优化方法以及建筑低能耗维护结构组合优化设计方法、冷热源优化运行方式,包括制冷采暖系统运行工况优化调控,冷热负荷的预测技术,开发调节控制软件等;建筑室内温度控制和冷热量计量控制成套技术,新能源供热制冷成套技术的研究开发,包括地热能、太阳能、地下和地面水体储能等的开发利用,低能耗建筑的综合设计体系研究,建筑设计、环境控制和节能设计的优化匹配,节能建筑和节能设备优选和集成,以及相应优化节能设计软件的开发等。目前,我国建筑节能领域的研究热点包括:
建筑本体(如围护结构)、
能源系统(如暖通空调系统、办公照明设备等)的节能设计,可再生能源利用、节能诊断控制和能源管理、节能模拟分析、集成化设计、既
有建筑节能改造等。所以,太阳能技术与建筑物有机
结合,用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能的研究已经成为建筑学和能源科学领域发展的一个重要方向。
2太阳能技术在建筑节能中的应用
图1所示,太阳能在建筑节能中应用的主要方向是光伏发电技术和光热转换技术。太阳能光伏发电技术是指利用光电转换原理使太阳辐射光通过半导体物质转变为电能,从而实现了能源的灵活运用。从长远来看,太阳能光伏发电技术为城市类型的居住建筑提供了开阔的前景,但是初投资高、转化效率低;太阳能光热转换技术是指通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的技术,建筑中常用的太阳能光热转换技术包括太阳能热水技术、被动式太阳能采暖技术、太阳能热压通风技术等,以上各种适用于建筑节能的太阳能技术见表1[5]。
图1太阳能技术在建筑中的应用形式及功能需求太阳能技术利用方式承载收集器的建筑界面优点
缺点
太阳能发电间接屋面、阳台板、遮阳板等实现了能源的灵活运用,可二次分配初次成本高、效率低太阳能热水
间接屋面、阳台板、遮阳板等技术成熟,可大面积推广利用
集热器与建筑结合欠佳阳光间直接阳台、玻璃中庭等
易与建筑形态结合对夏季降温要求高
直接受益式直接窗(玻璃)简单、费用低、形式灵活温度波动大
特朗伯墙(Trombe)直接墙体温度波动小,效益高建筑立面处理有一定难度金属罩面集热墙(太阳墙)
直接墙体
热效率高,可提供新鲜空气初投资大,与建筑结合有一定难度太阳能通风
直接
楼梯间或中厅等竖向式贯通空间
结合建筑构造,可调控
受日照、风环境影响大,通风强度较小
被
动
式
太
阳
能
采
暖表1
适用于建筑节能的太阳能技术
太阳能与建筑结合的优点和优势包括[6]:
①太阳能技术与建筑的结合能有效地减少建筑能耗;
②太阳能与建筑结合,电池板和集热器安装在屋顶或屋面上,不需要额外占地,节省了土地资源;
③太阳能与建筑结合,就地安装、就地发电上网和供应热水,不需要另外架设输电线路和热水管道,降低对市政配套的依赖,同时也减少了对市政建设的压力;
④太阳能产品没有噪音,没有排放,不消耗任何燃料,公众易于接受。
2.1太阳能光伏发电技术在建筑节能中的应用
目前,太阳能光伏发电技术与建筑物相结合研究
最多的是建筑光伏一体化系统(BIPV),该系统能将太阳能发电机组完美的集成于建筑物的墙面或屋顶上,其工作原理与普通的光伏发电系统完全相同,唯一区别是太阳能组件既被用作系统发电机,又被用作建筑物外墙材料。用于BIPV系统的光伏构件既可以是透明的也可以是半透明的,这样光线依然能透过光伏构件进入室内,不影响室内采光。采用BIPV系统,可就地发电、就地使用,且具有诸多优点:利用太阳作为能源发电可达到节能与环保的要求;节省了电网投资和
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减少了输送损失;彩光伏模块可取代昂贵的外饰材料,不仅具有装饰效果而且降低太阳能发电系统成本;缓解电力需求;作为建筑物外围护具备隔音隔热的作用;改善室内热环境。国外对建筑光伏一体化系统的研究已有较长时间,但目前还处于建造实验房的阶段,美国、欧洲、日本均推出了BIPV系统的国家发展规划;国内上海交通大学太阳能研究所进行了该方面的研究,试制了太阳能光伏屋顶一体化系统,建造了一个生态能源房。建筑光伏一体化系统成本较高,短时期内在建筑中难以应用,其高额成本主要源自光电转换系统价格较高,并不存在太多设计上的难度。
从我国目前状况来看,对这种太阳能利用的方式的研究也应保持在小规模,仅以跟踪国际研究为主。2.2太阳能光热技术在建筑节能中的应用
太阳能光热技术在建筑节能中应用最为广泛的是太阳能热水及被动太阳能采暖技术。我国太阳能热水系统的发展始于上世纪80年代,只是将太阳能简单地直接转换为生活用水的加温,停留在低水平应用层,而在欧洲太阳热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系统联合运行,在供应生活和洗浴热水的同时,还为建筑供暖,图2是典型的太阳能低温地板辐射换热系统原理图[7]。为了同时满足用户的需求和城市景观的要求,太阳能热水系统开始向实用、美观和与建筑有机结合的方向发展,与建筑的一体化结合已成为太阳能热水系统发展的目标和方向;我国20世纪70年代就开始研究开发和示范被动太阳能采暖建筑,至今已推广约1000万m2(建筑面积),图3是广泛用于被动太阳能采暖建筑的特朗伯墙结构图。目前被动太阳能房开始由体建筑向住宅小区发展,如甘肃省临夏市建成占地9.8万m2、建筑面积9.2万m2的太阳能小区;兰州“阳光计划”投资4.28亿元在郊区兴建73.3万m2太阳能住宅小区等。我国被动太阳房采暖节能60%~70%,平均每平方米建筑面积每年可节约20~40kg标准煤,发挥着良好的经济和社会效益,但在技术水平上同国外还有相当大的差距。
图2太阳能低温地板辐射换热系统原理图
图3特朗伯集热墙结构
2.3太阳能光热、光电技术在建筑节能中的综合应用国家公务员工资
目前太阳能发电系统对太阳能的光电转化率低下,光和热被大量的流失掉,而热→电→热的能量二次转化增加了能量在转换和传输的过程中的损失,使得太阳能的利用率更为低下,针对以上情况,国内外学者提出太阳墙、光伏组件与建筑墙体一体化,集发电、采暖、通风与建筑护围结构有机结合的太阳能系统。见图4、图5和图6,墙体的最外层是光电幕墙,安装在多孔的波状金属板上,空气在金属板下的空腔内受热,在风机的动力作用下空腔内的热空气从墙体的顶部通过风道进入空调的新风系统或者直接排出室外[8]。与传统的墙面相比太阳能设备取代了传统的护围结构,照射在墙面上的太阳能不但被有效的利用起来而且显著改善了护围结构的隔热保温性能。光电幕墙对太阳光的反射率约为15%,光电幕墙的光电转化率在17%~35%之间;在冬季被光电幕墙浪费的那部分太阳能又被集热板吸收用于空调机组新风的预加热,使新风空气预热到30℃左右,热效率在50%~60%之间,相当于每平方米能产生多于500W的热量,同时使通过墙体向外界扩散的热量随管道内的热空气重新进入空调的新风系统,降低了墙体与室外空
图4太阳墙原理示意图
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图5附于钢结构或砖体结构示意图
图6太阳能墙体与光伏组件的结合
气的热交换;在夏季,风机停止运转,被加热的热空气在自然对流的作用下从波状金属板与墙体组成空腔的上部流出,一方面使外界的热量不能直接通过墙体的传热进入室内,减少了空调的负荷;另一方面空气在空腔内的流通降低了光电幕墙的温度,能使光电幕墙的光电转换率提升10%。这样一来,从经济上分析这种采用复合的太阳能采集技术的墙体的初期投资回收速度比单纯采用光电板回收速度提高了3~4倍。
3工程案例分析
甘肃光照资源丰富,全省共有无电乡9个,无电村3264个,无电户360173个,其中岷县年平均日照时数2214.9h,年平均气温4.9~7.0℃,年平均相对湿度68%,年平均无霜期90~120d,年平均降水量596.5mm,最热7月份平均气温16℃,最冷1月份平均气温-6.9℃。由甘肃省财政厅支持的甘肃省中德财政合作太阳能项目,目前已建成独立太阳能光伏电站6座,项目由德国肖特太阳能公司提供系统集成。其中蒲麻镇胡家山社太阳能光伏电站供电34户,太阳电池方阵功率4.5kWp,蓄电池容量42kWh,逆变器功率6kW,村落电网长度1.8km,电站外景见图7。该项目的实施在促进可再生能源利用的步伐,改善当地能源结构,保护自然环境,提高当地人民生活水平方面起到了积极作用,项目不足之处在于尚未实现太阳能光伏与
男友生日礼物建筑物的有机结合。该项目2004年6月正式启动,于2006年12月完成一期太阳能光伏电站的初步验收。
图7甘肃岷县蒲麻镇胡家山社太阳能光伏电站
山东德州市某小区6层住宅,建筑面积7733.16m2,建筑高度19.2m,总户数80户,采用墙面壁挂式太阳能集热器24h全日供热水系统,立面效果图见图8。德州年水平面太阳辐照量5125.748MJ/m2,水平面年平均日太阳辐照量14.043MJ/m2,年日照时数2597.3h,年平均日照时数7.1h,年平均环境温度14.29℃。根据计算[9],太阳能热水系统增投资6750元,年节能量5898.22MJ,寿命期内太阳能热水系统的总节能费用2092.14元,回收年限10.33年,二氧化碳减排量10.09MJ。该项目经济性、节能性及环保性能明显,项目中使用的太阳能光热设备既实用美观又做到与建筑物有机结合。
图8壁挂式太阳集热器建筑立面效果图
4结语
太阳能作为一种清洁能源已成为世界各国能源研究工作中的一个重要课题,太阳能在建筑节能中的应用具有一定的经济性、节能性、环保性。太阳能光伏、光热综合利用与建筑有机结合的不断完善,采
用太阳能与建筑一体化设计的建筑必定成为我国今后建筑业发展的主流方向。我国太阳能一体化建筑在正常发展和生态驱动发展两种发展模式下,2010年左右其显著的经济和社会效益将会逐渐显现出来,届时太阳能利用量占社会总能耗的比例将不断的提高,CO2及氮氢化合物的排放将大幅减少。预计2020年的太阳能利用量在社会总能源供给中达到4.7%,减少CO2及氮氢化合物排放10~20TtC/yr[10]。
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作者简介:季炜(1980-),男,甘肃岷县人,硕士,主要研究方向为分布式能源系统、新能源及可再生能源利用工程。
单位地址:甘肃省兰州市兰州理工大学流体动力与控制学院(730050):E-mail:godji@163.com
行业动态与资讯
宁夏:贺兰县节能减排被实施强制措施
贺兰县节能减排利剑出鞘,对暖泉工业区14家能耗能高、工业“三废”不达标、生产设备工艺落后的企业分别采取立即关停、停产治理和限期治理等强制措施。
贺兰县暖泉工业区共有企业26家,除对符合国家产业政策且环保达标的宁夏光华活性炭有限公司等12家企业允许正常生产外,此次被列入关停的企业有贺兰泰鑫冶炼公司和贺兰宁鑫工贸公司两家企业。这两家企业生产设备属国家明令淘汰的落后生产工艺装备,违反国家产业政策,且未办理环境影响评价。这次停产治理的8家企业是:宁夏天雄碳材料公司、宁夏洁宁活性炭公司、宁夏华业盛冶炼公司、宁夏胜昔耐火材料公司、贺兰县宝荣活性炭公司、宁夏浩丰源冶炼公司、贺兰县暖泉国祥耐火材料厂、宁夏贺兰金山水泥公司立窑生产线。这些企业均存在污染治理设备不完备、未进行环保“三同时”验收手续等。贺兰磷肥公司、贺兰金山水泥有限公司、贺兰盛达公司等4家企业因化学需氧量、氨氮超标排放等原因被责令限期治理。
据了解,2007年以来,贺兰县坚持经济效益与环境效益并重的原则,对暖泉、德胜等工业园区严格实施新项目预审制,对浪费资源严重、污染严重和达不到环保要求的项目坚决禁止进区。
(摘自《宁夏日报》)山东:实施建筑节能评审认定制度据新华社济南2007年9月11日电,山东省建设厅日前制定了《山东省建设领域节能减排工作实施方案》,提出“十一五”期间实现节能2200万t标准煤,节地21.6万亩,减排二氧化碳5852万t、二氧化硫44万t的总体目标。
方案提出,推行住宅性能认定制度,实现A级性能认定的节能省地环保型住宅的比例达到35%以上。积极推进商品住宅一次性装修到位。实施建筑节能评审认定制度,未经节能评审认定的工程不准通过竣工验收备案,不准交付使用。
自2008年始,在所有新建商品房销售时,在买卖合同、质量保证书、使用说明书及住宅品质状况表等文件中载明节能措施、耗能量等信息。大型公共建筑建成后,必须进行建筑节能能效专项测评,达不到节能标准的不得组织竣工验收备案。对建筑外围护结构保温隔热性能、供热(制冷)系统效率、单位建筑面积耗热量指标、实际节能效果等予以测评,规范和引导能效测评标识行为,组织实施绿建筑评估认证制度。
(摘自《青岛日报》)
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