劉艷峰：在離太陽最近的地方放飛夢想

初見劉艷峰，這位西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院的副院長與想象中科研工作者的形象完全相符：細(xì)邊眼鏡，謙遜、溫雅，頗有“腹有詩書氣自華”的味道。投身建筑節(jié)能領(lǐng)域多年，他嚴(yán)謹(jǐn)、執(zhí)著的學(xué)風(fēng)深受同行推崇。

采訪中，他的語調(diào)平和，思維活躍；當(dāng)論及自己從事的專業(yè)，他的語氣不禁變得熱切而充滿感情。

他所在團隊在國際太陽能建筑領(lǐng)域中，開創(chuàng)性地采用了“基礎(chǔ)參數(shù)—設(shè)計理論及方法—技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)—工程示范”研究思路和方法，編制了國際上首套針對太陽能富集特點的建筑節(jié)能和采暖設(shè)計地方標(biāo)準(zhǔn)及配套圖集。

他提出“通過建筑構(gòu)件優(yōu)化太陽能集熱蓄熱能力，利用太陽能集熱、蓄熱、定向熱輸送設(shè)備系統(tǒng)補充建筑用熱需求”的技術(shù)路線，在國際可再生能源研究領(lǐng)域中位于前沿。

這些前沿成果為我國太陽能豐富地區(qū)的太陽能熱利用、建筑采暖能耗控制提供了新型備選技術(shù)發(fā)展方向，未來將為太陽能集熱器、高效蓄能、新型采暖設(shè)備和系統(tǒng)以及建筑節(jié)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的形成奠定技術(shù)應(yīng)用和推廣基礎(chǔ)。

為“日光城”尋找冬日暖意

青藏高原，一個被喻為“離太陽最近的地方”，天空純凈得毫無雜質(zhì)，愈加襯托出陽光燦爛而明亮；有著“日光城”之美譽的拉薩，其年日照時間甚至超過了3000小時。然而，這里長達將近六個月的冬季卻無比寒冷，很多民居建筑未設(shè)置供暖設(shè)施，僅靠燃燒柴薪、牛糞取暖，不但效果不佳，而且對環(huán)境造成了較大污染。2004年，拉薩被國家列入供暖地區(qū)，但是由于受到經(jīng)濟條件和能源供應(yīng)的限制，城市供暖問題始終未能解決。城市冬季供暖既是困擾拉薩乃至全區(qū)多年的難題，也是廣大市民渴望已久的一件大事。

西藏是離太陽最近的地方，也是太陽能最豐富的地區(qū)，利用這一得天獨厚的天然資源不僅用之不竭，而且不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染。

經(jīng)過多年對太陽能采暖的持續(xù)研究，2012年劉艷峰牽頭的團隊以“西藏高原低能耗太陽能建筑研究與應(yīng)用”獲得了陜西省科學(xué)技術(shù)獎一等獎。這一成果不僅建立了基本不依靠常規(guī)能源的太陽能采暖技術(shù)體系，形成了“建筑保溫+被動太陽房+主動太陽能采暖”的技術(shù)方案，而且依托該項目，劉艷峰帶領(lǐng)團隊創(chuàng)建出高效保溫和主被動結(jié)合太陽能采暖設(shè)計的原理和方法。該研究團隊還據(jù)此編寫了西藏自治區(qū)《民用建筑采暖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和配套圖集，為多部建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了理論和技術(shù)支持。

目前，成果已經(jīng)得到應(yīng)用和推廣，已形成20萬平方米高原城市示范建筑和100戶藏牧區(qū)示范建筑，累計推廣面積370萬平方米，節(jié)煤17萬噸，二氧化碳減排45萬噸。

這個冬天不太冷

與拉薩類似，我國西北地區(qū)存在同樣問題：多數(shù)采暖區(qū)雖太陽能資源豐富，但以太陽能支撐全部房間連續(xù)供暖的資金投入超出當(dāng)?shù)鼐用衿毡槌惺芰ΑＭ瑫r，受冬季室內(nèi)活動軌跡影響，村鎮(zhèn)居民對不同時段、各房間溫度期望值不同，因而適宜分時分區(qū)、差異化的太陽能采暖運行模式往往更理想。

2014年，劉艷峰主持了國家自然科學(xué)基金項目“基于西北村鎮(zhèn)居民室內(nèi)活動軌跡的差異化太陽能采暖熱過程及優(yōu)化設(shè)計研究”——以被動太陽能調(diào)節(jié)優(yōu)先，對于居民實際用熱需求與被動調(diào)節(jié)之間的差值，以主動太陽能采暖進行定時、定向、定量補充。在這個項目中，他創(chuàng)造性地提出以居民在時間上和空間上的熱需求特征為基礎(chǔ)，以可再生能源現(xiàn)狀為條件，以適應(yīng)性為原則的差異化采暖技術(shù)體系；在熱環(huán)境調(diào)節(jié)中，從“居民—建筑物—采暖設(shè)備系統(tǒng)”整個過程分析，采用被動優(yōu)先、主動補充的綜合調(diào)節(jié)手段。他想通過現(xiàn)場調(diào)查，掌握居民對室內(nèi)期望溫度在時間、空間上的分布特點，確定室內(nèi)溫度設(shè)計參數(shù)和差異化采暖模式；分析被動太陽能調(diào)節(jié)、房間間歇預(yù)熱、主動太陽能熱蓄調(diào)等熱過程的耦合關(guān)系，建立控制方程組；通過實驗測試和數(shù)值計算，定量分析主、被動調(diào)節(jié)的優(yōu)化匹配關(guān)系，形成適應(yīng)于居民用熱需求的房間負(fù)荷計算、建筑熱工設(shè)計、太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計方法以及運行調(diào)節(jié)策略。旨在不明顯增加常規(guī)能源消耗的基礎(chǔ)上，改善西北村鎮(zhèn)建筑熱環(huán)境。

此外，西北地區(qū)的地形條件大致是：村鎮(zhèn)周邊有很多不宜耕種的山地溝壑、荒灘，太陽能收集條件充足。如果能夠通過優(yōu)化建筑構(gòu)件自身對太陽能的收集、蓄存功能，再合理匹配太陽能光熱設(shè)備系統(tǒng)，發(fā)揮光熱利用成本地、效率高的特點，就可以在不明顯增加常規(guī)能耗的前提下，以太陽能支撐建筑采暖、衛(wèi)生熱水用能的需求。為此，劉艷峰申請獲批的陜西省重點科技創(chuàng)新團隊——西北村鎮(zhèn)太陽能光熱綜合利用創(chuàng)新團隊，提出基于地域建筑形態(tài)和氣候差別，結(jié)合我國西北村鎮(zhèn)周邊環(huán)境條件，形成規(guī)模化太陽能熱利用與單戶利用結(jié)合的技術(shù)線路，實現(xiàn)被動太陽能利用效果最大化。劉艷峰將率領(lǐng)團隊針對被動太陽能建筑熱工過程及優(yōu)化設(shè)計方法，太陽能蓄熱介質(zhì)熱蓄調(diào)過程及系統(tǒng)優(yōu)化，中小城鎮(zhèn)太陽能集中供熱站熱力學(xué)過程及關(guān)鍵技術(shù)，主、被動太陽能結(jié)合個性采暖耦合熱過程及優(yōu)化匹配等幾個關(guān)鍵內(nèi)容進行研究。他們的成果將為我國太陽能富集地區(qū)太陽能熱利用、建筑采暖能耗控制提供新型備選技術(shù)發(fā)展方向，并對太陽能集熱器、高效蓄能、新型采暖設(shè)備和系統(tǒng)以及建筑節(jié)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的形成奠定技術(shù)應(yīng)用和推廣基礎(chǔ)。

建筑節(jié)能 走中國自己的道路

近些年，中國的城市迅速“長高”，摩天樓鱗次櫛比，而建筑能耗總量也在逐年攀升，在能源總消費量中所占的比例已從20世紀(jì)70年代末的10%上升到近年的27.45%，其中，采暖耗能占民用建筑總能耗的56%～58%。

“建筑節(jié)能將對我國能源消費產(chǎn)生深遠影響，而且要走中國自己的道路，就地取材、就地改造、就地實施，”劉艷峰說。他主持的國家自然科學(xué)基金項目“周期性雙波動村鎮(zhèn)太陽能采暖建筑熱過程及其熱環(huán)境調(diào)節(jié)研究”，對提高太陽能采暖保證率、降低系統(tǒng)建造成本，改善村鎮(zhèn)建筑冬季熱環(huán)境水平和降低采暖能耗具有重要意義。在西北村鎮(zhèn)建筑中，被動太陽房室內(nèi)溫度和主動太陽能集熱量均為周期性波動且相位接近，造成采暖系統(tǒng)供熱量變化規(guī)律與建筑熱負(fù)荷相反、室內(nèi)溫度穩(wěn)定性差。因此以被動太陽房室內(nèi)溫度變化為基礎(chǔ)，對主動太陽能得熱進行“移峰填谷”式調(diào)節(jié)，是改善此類建筑熱環(huán)境的關(guān)鍵。劉艷峰率隊通過現(xiàn)場測試、實驗室模型模擬、計算機程序模擬，得出周期性雙波動形成的采暖熱量供需矛盾之間的定量關(guān)系式和建筑構(gòu)件及設(shè)備兩級蓄熱與室內(nèi)溫度穩(wěn)定性的定量關(guān)系式，并提出以優(yōu)化建筑構(gòu)件和設(shè)備蓄熱為核心的熱環(huán)境調(diào)節(jié)方法。

劉艷峰主持的另一項國家自然科學(xué)基金項目“波動雙外擾與間歇采暖下太陽能建筑熱過程及設(shè)計優(yōu)化研究”，在充分發(fā)揮被動調(diào)節(jié)節(jié)能效果的基礎(chǔ)上，確定間歇運行采暖系統(tǒng)的設(shè)計、運行參數(shù)，形成主-被動結(jié)合調(diào)節(jié)房間熱環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計方法。根據(jù)房間受階躍性和波動擾動聯(lián)合作用的特點，提出新的圍護結(jié)構(gòu)保溫、熱慣性參數(shù)體系和確定方法，為太陽能采暖建筑設(shè)計、建筑節(jié)能相關(guān)規(guī)范修訂提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

據(jù)《氣候變化綠皮書：應(yīng)對氣候變化報告（2012）》一書中的數(shù)據(jù)，我國太陽能平均總輻射年總量約為1500千瓦時/平方米，絕大部分（98%以上）地區(qū)的總輻射年總量都在1000千瓦時/平方米以上，有約3%的地區(qū)達到2000千瓦時/平方米以上。從資源總量的角度而言，中國絕大部分地區(qū)都適合太陽能的開發(fā)利用。劉艷峰說：“一個城市如果增加20%的投資用于太陽能取暖設(shè)施建設(shè)，就可解決城市70%的供熱問題。”他的目標(biāo)是：要讓西北地區(qū)和青藏高原的人們，能夠最大程度地享受到陽光帶來的溫暖，提升他們的生活質(zhì)量，更好地建設(shè)這片美好的土地。他說：“前面的路還很長，任務(wù)還很艱巨”。