可再生能源利用在既有建筑節能改造中的應用研究

謝勤娟

（河南六建建筑集團有限公司，471000）

可再生能源利用在既有建筑節能改造中的應用研究

謝勤娟

（河南六建建筑集團有限公司，471000）

隨著節能建筑在我國的逐漸推廣，對既有建筑如何進行節能改造成了大家關注的焦點。本文選用太陽能和地熱能兩種可再生能源，研究了其在既有建筑節能改造中的應用。

既有建筑；節能改造；可再生能源；太陽能；地熱能

一、引言

建筑是滿足人類物質和精神生活需要的重要人工環境。能源是人類生存和發展的重要物質基礎。近年來，能源環境問題已經成為世界各國最為關注的熱點。

建筑節能概念起源于西方發達國家，主要是指將節能型的技術、工藝、設備、材料和產品等，綜合運用于建筑物的規劃、設計、新建、改造和使用的過程中，并執行節能標準，將可再生能源及時利用，以提高保溫隔熱性能和采暖供熱、空調制冷制熱系統效率等方式，加強建筑物用能系統的運行管理。在室內熱環境質量擁有基礎保障的前提下，減少包括供熱、空調制冷制熱、照明、熱水供應等在內的建筑物使用能耗[1]。

既有建筑節能的對象是已經投入使用的建筑物，在使用者擁有穩定舒適的生活和工作環境的基礎上，對使用能耗進行降低，使其符合國家節能標準。既有建筑節能改造是指對不符合民用建筑節能強制性標準的既有建筑進行圍護結構、供熱系統、采暖制冷系統、熱水供應設施和照明設備等實施節能改造，在不降低系統服務質量的前提下，應用高新節能技術及產品，提高運行管理水平，使用可再生能源等途徑，提高建筑的能源使用率，減少能源浪費，節約用能費用。

二、可再生能源利用

可再生能源是指可以再生的能源總稱，包括生物質能源、太陽能、光能、沼氣等。生物質能源主要是指雅津甜高粱等，泛指多種取之不竭的能源，嚴格來說，是人類歷史時期內都不會耗盡的能源[2]。

為了實現建筑為人類提供健康、舒適工作和生活環境的功能，又減少對傳統能源的使用，減輕對能源的依賴和環境的污染，可以在有條件的改造區設計安裝專門的系統利用太陽能、地熱能等可再生能源來取代傳統能源。

1、太陽能利用

太陽能是資源潛力最大的可再生能源，可利用的技術包括制熱、發電、采光和制冷等。其利用方式可以分為被動式和主動式兩種。由于采暖和空調能耗占建筑能耗的 65%以上，本文將重點研究利用太陽能采暖和通風措施。在利用過程中，冬季增加太陽輻射得熱和夏季減少太陽輻射得熱是重要目標[3]。

（1）被動式太陽房采暖和通風降溫

被動式太陽房采暖是指不依靠任何機構動力通過建筑圍護結構本身來實現吸熱、蓄熱、放熱的過程，從而達到房屋利用太陽能采暖的目的。其過程一般是讓陽光直射入窗戶進入采暖房間，或者先照射在集熱器部件上，然后通過空氣循環將太陽能送入室內。被動式太陽房按照結構的不同可以分為直接受益式、集熱墻式、附加陽光間式、卵石床蓄熱式和屋頂池式幾種類型。本文著重介紹直接受益式、集熱墻式和附加陽光間式。

①直接受益式。如圖3.1所示，一般在房屋的南立面設置較大面積的玻璃，太陽光直接照射作為集熱儲熱體的屋內地面、墻體，地面和墻體白天吸收陽光輻射熱并儲存起來，夜晚將白天吸收的熱量釋放出來維持室溫。這種方式使用方便且結構簡單，但是其不足之處在于窗戶面積較大可能造成夏季較大的冷負荷，在白天光線過強的情況下容易引起眩光，導致室內溫度波動較大。

②集熱墻式。如圖3.2所示，集熱墻式是在直接受益式基礎上增加集熱手段，讓在室內太陽輻射獲得量增強，并且能有效避免太陽光直接射入室內。在墻體的表面設有吸收率高的涂層，墻體上下開口，夾層空氣就會受到熱壓的驅動，冷空氣從下部開口流入，熱空氣從上部開口流出，形成了一個氣流循環。墻體表面吸收的太陽輻射熱，主要由夾層空氣帶入室內。墻體外表面顏色深淺、墻體與玻璃之間夾層熱阻的大小，都會影響系統集熱效率的高低。為防止夜間熱量散失，玻璃外側應設置保溫窗簾和保溫板。

③附加陽光間式。如圖3.3所示，一般在房間的南側有一玻璃罩著的陽光間，陽光間與主體房間由墻或窗隔開，主要用于養花或栽培，又稱溫室式太陽房。其原理與集熱墻式太陽房類似，熱量通過隔墻上的開口，由空氣帶入主體房間。

太陽能被動式通風降溫技術主要通過太陽房的溫室效應和煙囪效應來實現，具體應用形式有太陽煙囪、太陽能屋頂集熱器、特布隆墻等。特布隆墻既可用于夏季降溫，也可用于冬季采暖。用于夏季降溫時，室內空氣從底部進入，經蓄熱器加熱后，在浮力作用下上升，從風道頂部流出。冬季調整開口位置，按相反方向流動，如圖3.4所示。

圖3.1 直接受益式的基本形式

圖3.2 集熱墻式

圖3.3 附加陽光間基本形式

圖3.4 被動式通風降溫技術特布隆墻

（2）主動式太陽能采暖

主動式設計是以太陽能集熱器作為建筑采暖的熱源，通常以空氣或水為工質。從主動系統供暖示意圖(圖3.5)可以看出，主要由集熱器、管道、儲熱物質及散熱器等組成主動供暖系統。在工質為水的情況下，循環動力常由水泵提供；工質為空氣時，循環動力常由風機提供。與被動式系統相比，主動式系統造價較高且結構較為復雜，其優勢在于不容易受外界環境限制干擾，能夠節約傳統能源[4]。

①空氣集熱式

空氣集熱式是以空氣為工質的主動式太陽能采暖系統。其主要形式有集熱屋面、窗戶集熱板系統兩種，集熱屋面是把集熱器放在坡屋面、用混凝土地板作為蓄熱體的系統；窗戶集熱板系統（圖3.6）適用于晝夜溫差大、太陽輻射強度高的地區多層居住建筑。

圖3.5 主動式太陽能采暖系統圖

圖3.6 窗戶集熱板系統示意圖

②液體集熱式

如圖3.7所示，以液體作為工質的主動太陽能采暖系統。既可以用水做工質，也可以用高沸點的油或防凍劑作工質。一般在建筑頂層設置太陽能集熱器。該系統具有采暖和降溫的雙重作用，該方式已經作為供應生活熱水系統普遍推廣。

③太陽能熱泵

如圖3.8所示，是太陽能系統與熱泵系統的結合，通過壓縮機，借助熱量交換，把地面、土壤、水池中的低溫熱能收集、輸送到建筑物內使用，也可以與常規平板集熱器結合形成太陽能熱泵系統。

在太陽能采暖的各種方式中，用空氣作工質的系統因其技術簡單成熟、運行安全、造價低廉等優點而得到廣泛應用。

3.7 液體集熱器系統圖

圖3.8 太陽能熱泵系統圖

2、地熱能利用

地源熱泵是一個廣義的術語，它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統。地源熱泵技術是一項值得大面積推廣的建筑供能技術。地源熱泵是將淺層和深層的大地能量（土壤、地下水、地表水等天然能源）進行綜合利用來作為冬季熱源和夏季冷源，然后再由熱泵機組向建筑物供冷供熱的系統，是一種利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空調系統[5]。

（1）地源熱泵的特點

第一，地源熱泵是可再生能源利用。鍋爐一次能源利用率只有0.8～0.95，而熱泵（以地熱源熱泵為例）輸入1kW電能可得4kW熱能或5kW冷量。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽所散發到地球上的能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在，幾乎取之不盡，類似于無限的可再生能源。據估算，其經濟可開發資源總量約為5億噸標準煤。與常規能源相比，低溫地熱在供暖及生活熱水供應方面具有明顯優勢。

第二，經濟有效，運行穩定。總體而言，在一年中地能或地表淺層地熱資源的溫度都相對穩定，冬季相對環境空氣溫度稍高一些，夏季溫度稍低一些，這就是很好的冷熱源，地源熱泵也因為這種溫度的特性運行起來穩定可靠，比傳統空調系統運行效率要高 40%，因此，這種方式不僅使得舒適程度較高，還可以節省費用。

第三，環境效益顯著。地源熱泵相對空氣源熱泵可減少 40%以上的污染物排放，相對電供暖可減少排放70%以上的污染物。

第四，一機多用，應用范圍廣泛。地源熱泵系統可廣泛應用于供暖、制冷以及提供生活熱水等等，功能非常強大。

（2）地源熱泵的種類

①土壤熱交換器地源熱泵。這種源熱泵包括一個土壤耦合地熱交換器，它有水平安裝在地溝中的方式，也有以 U形管狀垂直安裝在豎井之中。如圖3.9。

②地下水地源熱泵。分為開式系統和閉式系統，開式系統是將地下水直接供應到每臺熱泵機組，之后將井水回灌地下。開式系統在適當的地下水條件和建筑物參數下是一個有吸引力的選擇方式，但必須謹慎。閉式系統中，一般包括帶潛水泵的取水井和回灌井，用板式換熱器將地下水和建筑內循環水分開。

③地表水地源熱泵。這種地源熱泵中有一個地下水熱交換器，是由多重并聯的塑料管組成，塑料管潛在水面以下，和土壤熱交換地源熱泵一樣被連接到建筑物中。

圖3.9 土壤熱交換器地源熱泵

（3）注意的問題

地熱供暖有其獨特性，在某些方面不能套用常規鍋爐供暖或市政集中供熱的成熟做法，在設計應用時應特別注意處理好熱能梯度利用和防腐兩個問題。從井中抽出的地熱水經供暖系統后就排放掉了，如果排水溫度偏高，就會造成資源浪費，影響地熱供暖系統的經濟效率和節能水平。因此，要采取措施梯度利用地熱水的熱能，使供暖排水時地熱水的溫度盡可能低，以提高地熱利用率。另外，深井地熱水不同于常規供暖用的循環水，地熱水礦化度高，常富含腐蝕性的 CL-離子等和微量氣體(如 H2S)，對設備、管路、閥門及儀器儀表等的防腐性很強，需要采取不同于常規的防腐措施，以保證地熱供暖系統的正常運行和合理壽命。

鑒于現在的情況，既有居住建筑節能技術改造可分階段進行。可以先對建筑物維護結構中能耗比較高的部位，采用簡單又經濟的方法進行改造，實現先期節能。如給門窗加裝密封條、窗戶玻璃加貼隔熱膜、外墻保溫改造等。

三、結論

既有建筑節能改造是降低社會總能耗、減輕環境污染的有效途徑，事關經濟社會的可持續發展，意義非常重大。本文分析指出，太陽能和地熱能是最重要的新能源，也是未來建筑節能的方向。

[1] 何永清. 現代住宅建筑節能與應用[M]. 北京:化學工業出版社, 2010.6.

[2] 郭建. 既有住宅建筑節能改造技術與模式淺析[J]. 大眾科技, 2009,11:74－75.

[3] V. Garcia-Hansen, A. Pattini, Passive solar systems for heating and ventilation for rooms without an equator-facing fa?ade, Renewable Energy 2002, 26:91-111.

[4] 何文晶. 太陽能采暖通風技術在節能建筑中的研究與實踐[D], 山東建筑工程學院, 2005.

[5] 沈致和. 住宅節能原理與設計[M]. 合肥：安徽科學技術出版社, 2006.4-6.

TU635

1674-3954（2011）03-0297-02