生態(tài)建筑能源利用技術(shù)的探討★

李 琪 楊衛(wèi)波*

(1.揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225127;2.揚州大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇揚州 225127)

0 引言

伴隨著社會進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的生態(tài)平衡的嚴(yán)重破壞，人類在滿足自身發(fā)展的同時力求尋找到一種人、自然與社會和諧共生的可持續(xù)性生存環(huán)境。建筑業(yè)作為人類對自然資源、生態(tài)環(huán)境影響最大的活動之一，同樣面臨著可持續(xù)發(fā)展的問題，由此而引發(fā)的將可持續(xù)發(fā)展思想融入建筑設(shè)計中的生態(tài)建筑漸成為社會各界人士共同關(guān)心的一個熱點。

本文擬從能源利用技術(shù)的角度對生態(tài)建筑進(jìn)行探討，以為其實際應(yīng)用起到拋磚引玉之功效。

1 生態(tài)建筑

生態(tài)建筑是從生態(tài)學(xué)的角度來考慮建筑設(shè)計，是生態(tài)學(xué)與建筑學(xué)兩大學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。生態(tài)建筑就是用生態(tài)學(xué)原理和方法，以人、建筑、自然和社會協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)，有節(jié)制地利用和改造自然，尋求最適合人類生存與發(fā)展的生態(tài)建筑環(huán)境，將建筑環(huán)境作為一個有機的、具有結(jié)構(gòu)和功能的整體系統(tǒng)來看待［1］。生態(tài)建筑設(shè)計的最終目標(biāo)就是要實現(xiàn)資源的有效利用、舒適健康的生存環(huán)境及建筑的可持續(xù)性。

2 生態(tài)建筑與能源

能源是人類賴以生存與發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，而建筑能耗是能源消費構(gòu)成的重要部分，占相當(dāng)大的比重。因此，在能源如此短缺的今天，在能耗占社會總能耗比例如此之大、能源消耗帶來環(huán)境污染問題如此嚴(yán)重的建筑領(lǐng)域必須重視建筑節(jié)能技術(shù)，并大力提倡以綠色、生態(tài)及可持續(xù)性為標(biāo)志的生態(tài)建筑能源利用技術(shù)，以實現(xiàn)建筑、能源、環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展。能源系統(tǒng)設(shè)計作為生態(tài)建筑研究中的重要組成部分，其能源利用的可持續(xù)性既是生態(tài)建筑從理論走向?qū)嵺`的必經(jīng)之路，也是生態(tài)建筑要實現(xiàn)的主要目標(biāo)之一。

3 生態(tài)建筑中的能源利用技術(shù)

3.1 生態(tài)建筑能源利用技術(shù)的層次性

生態(tài)建筑能源利用系統(tǒng)是在綜合運用各種能源技術(shù)后形成的一個綜合能源技術(shù)集成體，其品質(zhì)的好壞在很大程度上取決于所選用的各種能源利用技術(shù)的層次性。根據(jù)復(fù)雜難易程度，可以將生態(tài)建筑能源利用技術(shù)分為以使用簡單與常規(guī)技術(shù)為主的低技術(shù)與采用最新科技與高新技術(shù)的高技術(shù)兩個層次。前者屬普及型的生態(tài)建筑能源技術(shù)，如各種形式的被動太陽能利用技術(shù)及地?zé)崮苤苯永眉夹g(shù)等;后者多屬研發(fā)型能源技術(shù)，如以太陽能作為能源的太陽能熱泵、制冷、空調(diào)及發(fā)電技術(shù)與地源熱泵等。生態(tài)建筑能源利用技術(shù)層次性的選擇應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與社會效益來決定，其選擇的原則是要尋求經(jīng)濟(jì)增長與生態(tài)環(huán)境效益的綜合平衡。

3.2 生態(tài)建筑中可利用的能源形式

3.2.1 太陽能

太陽能是目前生態(tài)建筑中應(yīng)用最成熟的一種能源形式，主要可分為被動式與主動式利用兩種形式，其中前者是指不需要輔助動力及能源轉(zhuǎn)換裝置直接對太陽能加以利用的方式。后者主要是指需要各種動力或能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的太陽能利用系統(tǒng)。被動利用技術(shù)多屬于成熟的低技術(shù)，但因其簡單、造價低及效果明顯而在當(dāng)今生態(tài)建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。主動利用技術(shù)多屬高技術(shù)形態(tài)，需要復(fù)雜的技術(shù)與設(shè)備作為支持，但其對于開發(fā)利用不能直接使用的太陽能資源及轉(zhuǎn)換太陽能形式以拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域等方面均具有重大的意義，因此具有很好的發(fā)展前景，目前在高技術(shù)生態(tài)建筑中應(yīng)用廣泛。

3.2.2 地?zé)崮?/p>

地?zé)崮苤饕侵竵碜陨顚拥貧?nèi)部的可開采的中高溫可再生熱能和源自吸收太陽輻射能的溫度較低的地表熱能。根據(jù)是否需輔助耗能設(shè)備對能源品位進(jìn)行提升或轉(zhuǎn)換，地?zé)崮茉谏鷳B(tài)建筑中的應(yīng)用可分為直接與間接利用兩種形式，前者主要包括利用地溫恒溫特性的覆土建筑、利用地下風(fēng)道對室外新風(fēng)進(jìn)行降溫加熱的地下空調(diào)、利用地下水直接進(jìn)行采暖與降溫的地下水空調(diào)、利用地下土壤(或巖石)進(jìn)行(太陽能)季節(jié)性儲能技術(shù)等;后者主要包括利用地表土壤(或水)中能量的各種形式地源熱泵及利用地下深層中高溫地?zé)崴?或蒸汽)的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)等。直接利用形式多屬于低技術(shù)層次，而間接利用形式中的地源熱泵技術(shù)是伴隨著能源危機而在近期才出現(xiàn)的，屬于高技術(shù)層次，正處于研究與推廣階段。

3.2.3 風(fēng)能

風(fēng)能是太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻而引起各地溫差和氣壓不同導(dǎo)致空氣流動而產(chǎn)生的能量。利用風(fēng)力機械可將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能、機械能和熱能等。風(fēng)能利用的主要形式有風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水、風(fēng)力致熱及風(fēng)帆助航等，其中風(fēng)力發(fā)電是目前應(yīng)用最廣泛、近年來發(fā)展最快的新能源和可再生能源利用形式，許多國家都制定了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃與激勵政策。風(fēng)能在建筑能源中的應(yīng)用是有待進(jìn)一步研究的建筑節(jié)能技術(shù)。

除了風(fēng)能發(fā)電外，如何將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成熱能并用于建筑物采暖與降溫等是一項嶄新的生態(tài)建筑能源利用技術(shù)的研究課題，有許多難題有待于解決。

3.2.4 生物質(zhì)能

生物質(zhì)能是綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存在生物質(zhì)內(nèi)部的一種能量。其利用方式主要有直接燃、熱化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物—化學(xué)轉(zhuǎn)化三種，其中直接燃燒法在今后相當(dāng)長時期內(nèi)仍將是我國農(nóng)村生物質(zhì)能利用的主要方式。生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居世界能源消費總量第四位的能源。

3.2.5 海洋能

海洋能是指蘊藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、海水溫差能及海水鹽度差能等不同的能源形態(tài)。海洋能按儲存的能源形式可分為機械能、熱能和化學(xué)能，其中潮汐能、波浪能、潮流能、海流能為機械能，海水溫差為熱能利用，鹽度差為化學(xué)能。海洋能技術(shù)是指將海洋能轉(zhuǎn)換成為電能或機械能的技術(shù)，對于靠海地區(qū)，大力開發(fā)海洋能具有重要的意義。

3.3 生態(tài)建筑中常用的節(jié)能與生態(tài)元素

3.3.1 太陽能強化通風(fēng)構(gòu)件

太陽能強化通風(fēng)構(gòu)件是最為經(jīng)典的被動式太陽能利用技術(shù)，且因其設(shè)計簡單、造價低及效果明顯等優(yōu)點而頗受建筑設(shè)計者的青睞，近年來已成為生態(tài)建筑能源系統(tǒng)設(shè)計中一個必備的節(jié)能與生態(tài)元素。目前比較流行的太陽能強化通風(fēng)構(gòu)件有特朗伯墻、太陽能煙囪及屋頂式太陽能集熱器。其中前者發(fā)展最早，后兩者都是在前者的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。其原理都一樣，均是利用太陽能加熱夾層空氣而產(chǎn)生熱壓來驅(qū)動空氣的流動，從而起到強化通風(fēng)(夏季)或給室內(nèi)供暖(冬季)的效果。

3.3.2 生態(tài)幕墻系統(tǒng)

生態(tài)幕墻系統(tǒng)是當(dāng)今生態(tài)建筑中普遍采用的一項先進(jìn)技術(shù)，并被譽為建筑“可呼吸的皮膚”或“生物氣候緩沖層”。它主要是針對以往玻璃幕墻能耗高、室內(nèi)空氣質(zhì)量差等問題，采用雙層體系作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提供自然通風(fēng)、采光、增加室內(nèi)空氣舒適度及降低能耗，從而較好地解決了自然采光和節(jié)能之間的矛盾。生態(tài)幕墻的主要功能是在滿足室內(nèi)采光要求的前提下達(dá)到節(jié)能、通風(fēng)、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、隔音及建筑美學(xué)要求。

3.3.3 建筑中庭

建筑中庭是指建筑的一面或多面采用玻璃與室外隔斷的半室內(nèi)半室外建筑空間，在某種程度上也可以將其理解為一種擴(kuò)大了的“雙層皮”幕墻體系。它作為一種廣受歡迎的集休閑、娛樂、購物、交通及餐飲等于一體的多功能公共建筑空間，在當(dāng)今高技術(shù)生態(tài)建筑中得到廣泛應(yīng)用。中庭空間在吸收太陽輻射、改善自然采光、促進(jìn)室內(nèi)通風(fēng)及緩沖室外氣候的影響等方面的生態(tài)效應(yīng)也逐漸被人們所認(rèn)識。中庭往往被設(shè)計成一個被動式太陽能的調(diào)節(jié)空間，把它作為溫室，成為室內(nèi)生態(tài)區(qū)的一部分。中庭空間不僅是現(xiàn)代建筑室內(nèi)的精彩演繹，也是生態(tài)建筑中重要的生態(tài)與節(jié)能設(shè)計策略。

4 生態(tài)建筑綜合能源利用系統(tǒng)設(shè)計的原則與目標(biāo)

生態(tài)建筑綜合能源利用系統(tǒng)是依據(jù)各地具體情況，綜合采用各種能源技術(shù)與形式的集成體。其設(shè)計宜采用被動與主動技術(shù)、低技術(shù)與高技術(shù)相結(jié)合，以優(yōu)先采用被動與低技術(shù)為主，并在此基礎(chǔ)上考慮主動與高技術(shù)層次能源技術(shù)的設(shè)計原則。在能源技術(shù)層次的選擇上，還要考慮生態(tài)建筑本身的定位，如屬低技術(shù)的生態(tài)建筑，則宜以低層次的能源技術(shù)為主，如屬高技術(shù)則有必要采用一些當(dāng)代高技術(shù)層次的能源技術(shù)手段。在能源形式與種類的選擇上，要因地制宜，以選取當(dāng)?shù)刈钸m宜的能源形式為宗旨。

生態(tài)建筑綜合能源利用系統(tǒng)的最終目標(biāo)是在保證與環(huán)境和諧共處的前提下，用最少的常規(guī)能源消耗來為人們提供一個適宜的生存空間。

5 生態(tài)建筑能源利用技術(shù)的評價

生態(tài)建筑能源利用技術(shù)的評價大致可以從以下四個方面來對生態(tài)建筑能源利用技術(shù)進(jìn)行評價:

1)建筑節(jié)能狀況。

重點應(yīng)放在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱及其相應(yīng)的自動控制上，使建筑節(jié)能滿足國家現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具體實施與評價嚴(yán)格按照建設(shè)部發(fā)布的《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》(建設(shè)部第76號令)執(zhí)行。節(jié)能指標(biāo)對于北方采暖地區(qū)為50%，其他節(jié)能措施要達(dá)到節(jié)能5%。

2)常規(guī)能源系統(tǒng)的優(yōu)化。

在使用常規(guī)能源時，應(yīng)對能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)合理地選擇確定整個系統(tǒng)中各設(shè)備系統(tǒng)的能源供應(yīng)方案，優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計與運行，避免因多種能源結(jié)構(gòu)形式的重復(fù)建設(shè)而造成浪費，在滿足功能與健康要求的基礎(chǔ)上，減少對常規(guī)能源的需求量和因使用常規(guī)能源對環(huán)境造成污染。

3)新能源的利用。

新能源的利用程度是生態(tài)建筑能源利用技術(shù)評價中的一項重要參考指標(biāo)，是生態(tài)建筑是否符合“生態(tài)”原則的直接體現(xiàn)與標(biāo)志。其重點應(yīng)放在太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、廢熱資源等綠色能源的開發(fā)與利用上。新能源的利用要因地制宜，宜選擇適合本地特點、性能價格比優(yōu)良的技術(shù)與產(chǎn)品。

4)環(huán)境效益。

環(huán)境效益作為生態(tài)建筑最重要的目標(biāo)之一，是其是否生態(tài)的直接體現(xiàn)，是評判建筑是否生態(tài)的主要指標(biāo)，而能源利用技術(shù)在很大程度上決定了其對環(huán)境的影響。因此，生態(tài)建筑中應(yīng)盡量使用綠色能源，減少環(huán)境污染。

6 結(jié)語

生態(tài)建筑能源系統(tǒng)的設(shè)計作為生態(tài)建筑研究中的重要組成部分，是一項涉及多專業(yè)領(lǐng)域交叉的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要建筑、能源及動力設(shè)備等學(xué)科的密切配合，其具體實施過程要因地制宜。生態(tài)建筑能源利用技術(shù)的研究將有助于促進(jìn)建筑與能源動力等學(xué)科的結(jié)合，并為其相互融合發(fā)展提供一個好的平臺。

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