廈門大學(xué)能源學(xué)院　蘇鋆珊

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新能源在綠色建筑中的應(yīng)用研究

廈門大學(xué)能源學(xué)院蘇鋆珊

能源危機(jī)已然成為制約當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，而建筑業(yè)能源消耗量占能源總消耗的比重依然很高。將新能源應(yīng)用于建筑中，推廣綠色建筑，從而推動經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今社會的潮流。該文從介紹綠色建筑以及幾種常見新能源的特點(diǎn)入手，著重分析太陽能、地?zé)崮苓@兩種新能源在綠色建筑中的具體應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)。

新能源 綠色建筑 太陽能 地?zé)崮?應(yīng)用

當(dāng)今社會，科技不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，而人類社會的自然環(huán)境卻日益遭到破壞。自然資源的巨大消耗、自然環(huán)境的嚴(yán)重破壞成為全人類必須共同面對的重要難題。在這樣的大環(huán)境下，新能源的開發(fā)與利用成為人類社會繼續(xù)蓬勃發(fā)展的新希望。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在全國的自然資源消耗中，有近1/3的資源在建筑行業(yè)中被消耗掉，而在這其中，能源消耗占了25%［1］。由此可見，只有將建筑業(yè)中的傳統(tǒng)能源消耗降低，大量使用新能源，才能大大削減自然資源的消耗。在這樣的背景下，綠色建筑這一概念應(yīng)運(yùn)而生。

1　綠色建筑與新能源

1.1綠色建筑

在《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中，有關(guān)綠色建筑的概念界定是這樣的：綠色建筑是指在建筑的整個(gè)壽命周期內(nèi)，通過最大限度地從節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等方面節(jié)約資源，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境、減少污染的目的，促進(jìn)自然和諧共生，為人類提供一個(gè)健康、適用和高效的使用空間。也就是說，綠色建筑是一種最高效率地利用能源、最低限度地影響環(huán)境的建筑物，它為人類提供一個(gè)健康、舒適的工作、居住、活動的空間，具有全壽命期、綠色化、以人為本、因地制宜、整體設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“以人為本”與“人—建筑—自然”三者的和諧統(tǒng)一，促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)社會在21世紀(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2］。

1.2新能源的概念及特點(diǎn)

1981年，聯(lián)合國在肯尼亞首都內(nèi)羅畢召開的能源會議上確定了新能源的概念，它與傳統(tǒng)能源有很大的差異，其來源非常廣泛，且對環(huán)境的污染很小，幾乎可以說是取之不盡，用之不竭，是一種與生態(tài)環(huán)境能夠高度協(xié)調(diào)的清潔能源。目前，聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）將新能源分為以下三類:第一類是大中型水電；第二類是新可再生能源，包括小水電、太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能；第三類是傳統(tǒng)生物質(zhì)能［3］。

其中，太陽能具有取之不盡、用之不竭，干凈無污染等優(yōu)點(diǎn)，是人類最有希望利用的能源。然而，它也具有分散性和間歇性的缺點(diǎn)，給人類的開發(fā)利用帶來了一定的難度。

地?zé)崮苁侵竵碜缘厍騼?nèi)部的天然、可再生熱能。它儲存在地下，不帶有害物質(zhì)，不受任何天氣狀況的影響，可以隨時(shí)采用，是極具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉础５撬哂蟹植驾^分散的特點(diǎn)，造成了較大的開發(fā)難度。

風(fēng)能實(shí)際上是太陽能的一種轉(zhuǎn)換形式，它是指空氣運(yùn)動的能量，具有最大的普遍性。它既有可再生、無污染、蘊(yùn)藏量大、分布廣泛的優(yōu)點(diǎn)，也具有密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大等缺點(diǎn)。

生物質(zhì)能是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是唯一一種可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料［4］。

1.3推廣綠色建筑、開發(fā)新能源的重要意義

1.3.1這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要

在現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)中，經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的重要保障之一就是能源的穩(wěn)定供應(yīng)。當(dāng)前，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的能源短缺問題日趨嚴(yán)重，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。新能源的開發(fā)與利用能夠從一定程度上緩解能源危機(jī)，推動人類社會繼續(xù)向前發(fā)展。在建筑生產(chǎn)使用過程中，從建材的生產(chǎn)到建筑的施工，再一直到建筑物的竣工使用，在整個(gè)過程中無時(shí)不在消耗著能源，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，我國的建筑能耗占到全國總能耗的25%以上，是能源消耗不可忽視的一部分。因此，推廣綠色建筑、開發(fā)新能源是控制能源消耗的必要舉措，也是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段。

1.3.2這是環(huán)境保護(hù)的需要

工業(yè)生產(chǎn)主要應(yīng)用的自然能源，如煤炭、石油及天然氣等化石能源多是不可再生資源，這些自然資源在開發(fā)利用過程中都對環(huán)境造成了巨大的不可逆轉(zhuǎn)的傷害。例如，在化石能源的開發(fā)過程中，極有可能造成土地不能利用，甚至導(dǎo)致惡劣天氣的產(chǎn)生；在對化石能源的使用過程中，可能會排放二氧化碳、氮氧化物以及硫化物等大量有害氣體，由此造成對環(huán)境的污染。因此，要想改善人類的生存環(huán)境、滿足環(huán)境保護(hù)的需要，就必須推廣綠色建筑，開發(fā)新能源，從而進(jìn)一步減少各種污染物的排放。

1.3.3這是提高人民生活水平的需要

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，追求更加健康舒適的生活環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今社會的潮流。綠色建筑不是簡單的要求節(jié)約建筑能耗，其全壽命期、綠色化、以人為本、因地制宜、整體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是對利用新能源技術(shù)減少建筑能耗和滿足建筑環(huán)境健康舒適提出了更高的追求。這是一種提高生活質(zhì)量的有效方法，同時(shí)也是提高人民生活水平的需要，同樣，它也是社會發(fā)展的一種必然趨勢。

2　新能源在綠色建筑中的應(yīng)用

我國是新能源比較豐富的國家之一，其中太陽能和地?zé)崮芟鄬ωS富，在建筑中的應(yīng)用也相對較多。

2.1太陽能在綠色建筑中的應(yīng)用

太陽能成為綠色建筑中廣泛應(yīng)用的一種新能源形式，它在建筑中的具體應(yīng)用方式包括太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能采暖和太陽能制冷等方面。太陽能在建筑

中的應(yīng)用，不僅滿足了綠色建筑的要求，更滿足了建筑隨社會發(fā)展而不斷增大的對能量的需求以及環(huán)境友好的要求。

2.1.1太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)主要應(yīng)用于住宅，是早期的太陽能應(yīng)用，已經(jīng)在世界上得到了廣泛推廣。中國是世界上太陽能熱水器最大生產(chǎn)國，同時(shí)也是最大消費(fèi)國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年，光是全國太陽能熱水器總集熱的面積就已達(dá)到1.5億平方米，除此之外，再加上其他太陽能熱利用，年替代能源量達(dá)到3000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤；預(yù)計(jì)到2020年，全國太陽能熱水器總集熱面積將達(dá)到約3億平方米，如果再加上其他太陽能熱的利用，年替代能源量將達(dá)到6000萬噸標(biāo)準(zhǔn) 煤［5］。

太陽能熱水系統(tǒng)由太陽能集熱元件、蓄熱容器、循環(huán)管道、控制系統(tǒng)及其他相關(guān)附件構(gòu)成。在太陽光的照射下，使太陽光的光能轉(zhuǎn)化為熱能，對冷水進(jìn)行加熱，從而獲得熱水。由于太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步輔助匹配熱源，如電力與燃?xì)饽茉?，才能保證太陽能熱水系統(tǒng)比較穩(wěn)定的熱水供應(yīng)。

根據(jù)安放位置的不同，目前住宅太陽能熱水系統(tǒng)的分類如下表1所示。

表1　住宅太陽能熱水系統(tǒng)分類

2.1.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，利用太陽能電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)的一種新型發(fā)電模式。通過光伏直流電發(fā)電的輸出，可以為直流設(shè)備提供電能，當(dāng)然，也可以另外通過逆變器，將直流轉(zhuǎn)換為交流給交流設(shè)備供能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有對環(huán)境污染少、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，適用于在綠色建筑中使用。

2.1.2.1太陽能光伏發(fā)電的基本原理

當(dāng)光線照射在光伏材料上并在界面層被吸收后，具有足夠能量的光子會在P型硅和N型硅中將電子從共價(jià)鍵中激發(fā)從而產(chǎn)生電子-空穴對，在這種情形下，界面層附近的電子和空穴在復(fù)合之前，將通過空間電荷的電場作用被相互分離，電子就會向帶正電的N區(qū)運(yùn)動過去，而空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動過去，這樣將會在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)向外、可測試的電壓。界面層面積越大，吸收的光能越多，如果通過光照在界面層產(chǎn)生的電子-空穴對越多，這樣形成的電流也就越大。

2.1.2.2太陽能電池分類

太陽能電池的分類有許多種，按照材料的不同可分為五種：一是硅太陽能電池，二是多元化合物薄膜太陽能電池，三是有機(jī)太陽能電池，四是敏化納米晶太陽能電池，最后是聚合物多層修飾電極型太陽能電池。其中，硅太陽能電池發(fā)展最為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。現(xiàn)今市場上的太陽能電池模塊有95%以硅為原材料，其中有60%為多晶硅，30%為單晶硅，預(yù)計(jì)這一現(xiàn)狀還將持續(xù)一段時(shí)間［6］。

2.1.2.3綠色建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)——光伏與建筑一體化

根據(jù)光伏系統(tǒng)與建筑的結(jié)合形式不同，建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為兩種：“安裝型”或“附著型”光伏系統(tǒng)（BAPV）與“構(gòu)件型”或“建材型”光伏系統(tǒng)（BIPV）。其中，在BAPV中，光伏系統(tǒng)通過附著在建筑物的屋頂或外墻上，從而使建筑物起到支撐光伏組件的作用；而光伏不作為建筑物的構(gòu)成，它僅能起到為建筑物提供電能的作用。而BIPV是通過光伏系統(tǒng)與建筑的密切結(jié)合后，其中光伏組件不僅能產(chǎn)生電能，而且已成為建筑物的一部分，最常見的如光伏幕墻和光伏采光頂?shù)?，能夠起到遮風(fēng)擋雨、調(diào)節(jié)室內(nèi)采光的作用。

從BAPV到BIPV，是光伏與建筑一體化不斷發(fā)展的升級，使光伏發(fā)電系統(tǒng)不再僅僅作為一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目附著在建筑上，而是將建筑設(shè)計(jì)和光伏材料有機(jī)結(jié)合起來，發(fā)揮“1+1＞2”的優(yōu)勢。BIPV的光伏組件既是一種建材，同時(shí)它又能發(fā)電，由此而知，它不僅能減少能源的消耗，同時(shí)又能部分抵消光伏組件的成本，更能夠改善室內(nèi)環(huán)境，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)效果。廈門大學(xué)翔安校區(qū)的能源樓工程房就采用了BIPV技術(shù)，屬于一種新型光伏節(jié)能直流建筑。該建筑巧妙地將光伏發(fā)電與建筑屋頂結(jié)合，通過傾斜式鱗狀屋面的設(shè)計(jì)，在減少支架成本的同時(shí)更兼顧美學(xué)效果，傾斜屋面還融入了采光窗的設(shè)計(jì)，在增加大樓內(nèi)部自然采光的同時(shí)，減少了室內(nèi)照明的需要，減少了較多的能量損耗，真正達(dá)到節(jié)能的目的。

光伏幕墻是另一種常見的BIPV應(yīng)用形式。在傳統(tǒng)的玻璃幕墻中，它的維護(hù)功能十分單一，而光伏幕墻能有機(jī)結(jié)合太陽能電池光伏組件，變廢為寶，將太陽光這一原來需要屏蔽在外的有害因素，直接轉(zhuǎn)化為電能而被人類使用。這不僅為建筑提供綠色電力，還具有遮陽和隔熱的功能。除此之外，光伏幕墻這種復(fù)合式的設(shè)計(jì)不需要多占用其他的建筑面積，且造價(jià)低，具有特殊的裝飾建筑物的功能，是未來綠色建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

2.1.2.4綠色建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

一是可以滿足建筑的美學(xué)要求。在與光伏一體化的建筑中，經(jīng)過有關(guān)設(shè)計(jì)可將光伏組件隱藏起來，既能有效遮擋陽光直射并將其轉(zhuǎn)化為電能，又不會影響建筑的美學(xué)效果，達(dá)到了光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑風(fēng)格的完美結(jié)合。

二是可以滿足建筑的采光需求。BIPV建筑中的光伏幕墻和光伏采光頂?shù)榷寄苡行д{(diào)整透光率，不僅能夠滿足光線通透的需求，還能起到調(diào)節(jié)室內(nèi)采光的作用。

三是可以滿足建筑的安全性能需求。在綠色建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的光伏組件是由鋼化玻璃和PVB膠片構(gòu)成的。鋼化玻璃的使用符合國家建筑標(biāo)準(zhǔn)，不易破碎。而PVB膠片有優(yōu)良的粘結(jié)性、韌性與彈性，具備吸收沖擊的功能，就算玻璃破損，也能避免因四處散落而傷人。兩者的結(jié)合讓可能形成的傷害減少到最低程度，從而滿足建筑的安全性能需求。

四是具備綠色環(huán)保的優(yōu)勢。不論是BAPV還是BIPV，建筑物都可以為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積，不需要另占土地；光伏發(fā)電時(shí)無噪聲、無污染，具有環(huán)境友好性；光伏與建筑一體化，發(fā)出的電能首先能被建筑使用，減少了電力輸送的費(fèi)用和能耗；除確保自身建筑內(nèi)用電的基礎(chǔ)上，還可能向電網(wǎng)供電，且發(fā)電波峰正好與用電高峰期重合，舒緩了高峰期電力供應(yīng)不足，具有非常大的社會效益。

2.1.3太陽能采暖系統(tǒng)

太陽能采暖系統(tǒng)是指將分散、無污染、可再生的太陽能吸收，將其轉(zhuǎn)化為熱能，供建筑物冬季采暖的系統(tǒng)。在建筑生產(chǎn)實(shí)踐中，因?yàn)閷μ柲芾梅绞降牟町?，它可分為被動式和主動式太陽能采暖系統(tǒng)兩種不同系統(tǒng)。

2.1.3.1被動式太陽能采暖系統(tǒng)

被動式太陽能采暖系統(tǒng)，在實(shí)踐中也稱為太陽能自然采暖，它不是通過采用專門的集熱器等裝置，而是通過對建筑物周圍環(huán)境的合理布局，對建筑物的方位和朝向進(jìn)行科學(xué)布置，對建筑物內(nèi)部和外部等本身結(jié)構(gòu)的巧妙處理，在此基礎(chǔ)上，再對建筑材料進(jìn)行恰如其分的選擇，保證建筑物能夠?qū)⑻枱崮艹浞治?，以供建筑物自身的采暖?/p>

被動式太陽能采暖系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用在我國發(fā)展非常迅速。它不需要過多的設(shè)備，且冬暖夏涼、經(jīng)濟(jì)舒適。雖然相比普通建筑，其投入相對較高，但在一定程度上，采暖費(fèi)用呈現(xiàn)降低趨勢，且技術(shù)成熟，投資少，能夠降低能耗，保護(hù)環(huán)境。因此，推廣被動式太陽能采暖系統(tǒng)可以減少經(jīng)濟(jì)支出，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，從而推動社會可持續(xù)發(fā)展，對我國經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展都有非常重要的意義。

2.1.3.2主動式太陽能采暖系統(tǒng)

主動式太陽能采暖系統(tǒng)的構(gòu)成比較復(fù)雜，包括集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、末端供熱采暖系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、輔助熱源等部分。它以太陽能集熱器作為熱源，代替化石燃料的鍋爐，大大降低了環(huán)境污染。相比于被動式太陽能采暖系統(tǒng)，主動式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以使供熱狀況更加穩(wěn)定，可以保持室內(nèi)穩(wěn)定溫度；缺點(diǎn)是需要設(shè)備多，系統(tǒng)更復(fù)雜，投資費(fèi)用大。但是隨著社會的發(fā)展，主動式太陽能采暖系統(tǒng)更加符合社會的需求，越來越多地在建筑中得到應(yīng)用。

2.2地?zé)崮茉诰G色建筑中的應(yīng)用——地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)是一種供熱制冷的新能源應(yīng)用系統(tǒng)，它是利用地下淺層地?zé)崮苓M(jìn)行的。由于淺層地溫能幾乎不受資源限制且技術(shù)日漸成熟，近幾年在我國各地區(qū)發(fā)展迅速。

2.2.1地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)

地源熱泵系統(tǒng)主要特點(diǎn)有：①可再生，地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮埽且环N清潔的可再生能源；②節(jié)能，地下淺層地?zé)豳Y源四季溫度較為穩(wěn)定，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，運(yùn)行效率更高，能夠有效節(jié)約能源；③環(huán)保，地源熱泵系統(tǒng)在工作過程污染物排放較少，較好地保護(hù)了環(huán)境；④應(yīng)用范圍廣，地源熱泵系統(tǒng)不僅可以供暖，還可以制冷，一機(jī)多用；⑤安全，地源熱泵系統(tǒng)在工作時(shí)實(shí)現(xiàn)了水電分離，有較大的安全性。

2.2.2地源熱泵系統(tǒng)在綠色建筑中的應(yīng)用

基于地源熱泵系統(tǒng)既可制冷又可供熱的特性，其主要應(yīng)用分為兩種：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和地源熱泵熱水系統(tǒng)。

2.2.2.1地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，包括淺層地?zé)崮懿杉到y(tǒng)、水源熱泵機(jī)組、冷熱分配系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)等四個(gè)部分，運(yùn)作的原理是首先利用地源熱泵轉(zhuǎn)化淺層地?zé)崮?，從而為智能建筑提供制冷、制熱服?wù)。它利用水與地?zé)崮苓M(jìn)行冷熱交換來作為熱泵的冷熱源，在冬季，把室外的地下水熱量通過循環(huán)水，為室內(nèi)提供熱量，進(jìn)行供暖；在夏季，循環(huán)水把室內(nèi)的熱量交換出來，帶到地下水，此時(shí)地下作為室內(nèi)熱量的排放區(qū)域。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有能源的可再生優(yōu)越性，高效、節(jié)能、環(huán)保、無污染等特性，且占地面積少，應(yīng)用廣泛，具有極高的社會效益和市場潛力。

2.2.2.2地源熱泵熱水系統(tǒng)

地源熱泵熱水系統(tǒng)是利用地源熱泵，提取淺層土壤熱能、地表水熱能或地下水熱能等低溫?zé)嵩?，再將它們轉(zhuǎn)化為生活熱水。它由淺層地能采集系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和熱水供應(yīng)裝置等子系統(tǒng)構(gòu)成，其中，淺層地能采集系統(tǒng)能夠提取淺層土壤熱能、地下水熱能、地表水熱能，然后通過水源熱泵機(jī)組進(jìn)行熱交換，最后通過熱水供應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)對綠色建筑的熱水供應(yīng)。

地源熱泵熱水系統(tǒng)具有高效節(jié)能、能源利用率高、受自然環(huán)境影響較小、工作時(shí)限無限制、占地面積小、環(huán)境安全、過程可靠的優(yōu)點(diǎn)，在未來有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3　結(jié)束語

開發(fā)利用新能源，并將其融入建筑設(shè)計(jì)之中，已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代不可逆轉(zhuǎn)的趨勢和潮流。人類社會向前發(fā)展，經(jīng)濟(jì)增長和大眾生活水平提高的進(jìn)一步需求是推廣節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材的綠色建筑，從而改善生活和工作環(huán)境。通過在建筑行業(yè)推廣應(yīng)用太陽能、地?zé)崮芑蚴瞧渌履茉春涂稍偕茉矗軌蛴行娲鷤鹘y(tǒng)能源，減少污染物排放，是緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、使人類文明可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。

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