寒冷地區辦公建筑節能改造中使用可再生能源的可行性分析

席 暉 高志紅

（1.河北工程大學 建筑學院，河北 邯鄲 056038；2.邯鄲市滏山房地產開發有限公司，河北 邯鄲 065038）

當今，節約能源、開放新能源、減少環境污染是世界各國普遍面臨的主要問題之一，我國是世界第三位的能源生產國，也是世界第二位的能源消費國。2011年，國務院發布了《“十二五”節能減排綜合性工作方案》，在節能方面，提出到2015年，全國萬元國內生產總值能耗下降到0.869 噸標準煤（按2005年價格計算），比2010年的1.034 噸標準煤下降16%，比2005年的1.276噸標準煤下降32%。工作方案中還提出要調整能源消費結構。在做好生態保護和移民安置的基礎上發展水電，在確保安全的基礎上發展核電，加快發展天然氣，因地制宜發展風能、太陽能、生物質能、地熱能等可再生能源。

我國已建成的建筑物能源浪費嚴重，其中辦公建筑面廣量大，加之在建筑結構、使用功能以及能耗設備等方面具有自身的特點，導致其能源消耗存在著很大的浪費，存在在全生命周期中能耗量大、能耗不經濟等問題。辦公建筑的節能改造具有極大的節能潛力，成為公共建筑節能改造工作的主要研究對象之一。多數改造主要集中在改善建筑物圍護結構的保溫隔熱性能、 提高供暖設備效率、冬季供暖改為分戶計量等，基本處于節約不可再生能源的階段。其中辦公建筑數量多面積大，在使用周期中采暖、制冷、照明等能耗大，是公共建筑節能改造的重點，尤其是在可再生資源的利用上有很大的發展潛力，例如太陽能的熱能、光能的轉化，地熱能的利用等。

1 寒冷地區氣候條件

我國《民用建筑熱工設計規范》中規定，寒冷地區是指最冷月平均氣溫在0℃～10℃與之間、日平均氣溫≤5℃的天數在90～145d 之間的地區，其設計要求應滿足冬季保溫要求，部分地區兼顧夏季防熱。氣候條件較差，對該地區的辦公建筑節能改造具有較大的實際意義。

2 辦公建筑現狀調查

本研究對邯鄲市區的54 棟辦公建筑進行了現場調研和能耗測試，調研的辦公建筑包含16 棟政府辦公樓、27 棟商務辦公樓和11 棟綜合樓。

調研結果表明，不同年代建筑的結構形式、節能構造等存在較大差異。

20 世紀80年代的辦公建筑，其結構形式以磚混結構為主，層數在2～6 層，且進深較短，面積規模較小，大多在2 500m2以內。沒有圍護結構的保溫措施，外窗以單層單玻塑鋼窗為主。夏季以分體式空調為主，外墻隨意打孔外掛空調機，冬季采暖以暖氣片和地暖為主。

20 世紀90年代以后的辦公建筑，結構形式以框架結構為主，層數大多在6 層以上，進深和面積規模明顯加大，面積大多在25 000m2。外窗以單層雙玻玻塑鋼窗為主，2000年以后以雙層雙玻塑鋼窗、 鋁合金窗為主。夏季空調以中央空調集中控制為主，冬季采暖以暖氣片和地暖為主。

3 太陽能

太陽能是綠色無污染能源，在很多國家和地區都得到應用和推廣。寒冷地區大部分在北緯35°～45°之間，處于太陽較豐富的二類、三類地區，冬季晴天天數在一半以上，太陽能資源比較豐富，有良好的利用條件。

太陽能的利用主要是光熱轉換和光伏發電兩個方面。光熱轉換技術因為前期投資較少、維護成本較低，應用較廣，但是能量轉換率較低，在既有辦公建筑的節能改造中可操作性更強一些；光伏發電技術前期投資較多、維護成本較高，目前應用范圍較小，但是對將來的發展有更深遠的影響。

3.1 太陽能光熱轉換

太陽能光熱轉換技術比較成熟，能量轉換的媒介主要水和空氣，一般晴天的白天能滿足生活熱水的供應，晚上和陰天天氣需要輔助電能發熱。

以水做媒介，是利用太陽能集熱器加熱水作為生活用熱水。整個系統利用溫差循環進行運作，當集熱器的溫度探頭測到水溫高于預設值時熱水開始循環，將熱水輸入貯熱水箱。當貯熱水箱中的溫度探頭測到水箱與集熱器的水溫差大于預設值時，啟動熱水循環泵，使集熱器與水箱中的水進行交換循環。太陽能熱水器已經廣泛使用，但在寒冷地區，冬季室外氣溫低于0℃時，水容易結冰，必須輔助熱泵進行加熱，可結合太陽能光伏發電，在必要時啟用熱泵進行補充。

以空氣作媒介，熱轉換系統主要由壓縮器、膨脹閥空氣、蒸發器、冷凝器等4 部分組成，將從空氣中吸收的低位熱能轉變為高位熱能，從而用于制取熱水。傳熱介質吸收空氣熱能后由液態變為氣態；氣態的介質進入壓縮機，通過輸入少量電能，傳熱介質轉變為高溫高壓氣體；在冷凝器中，高溫高壓的氣體與冷水進行熱交換，釋放大量熱能，變回液態進入下一次循環，而冷水就可以轉換成熱水。

圖1 空氣源熱泵機組工作原理

目前市面上常見的太陽能熱水器具有一定的缺陷：（1）熱水管路長，使用時需要大量放水。（2）舒適性差，不能保證24 小時熱水供應，水溫不穩定。（3）雖然在太陽能熱水器上增加了電加熱器，太陽能不足時主要靠電加熱制熱水，但不能恰當實現光電互補，冬季很難保證有充足的熱水。（4）市場主流產品還是“落水式”，其進水、出水只有一根水管，使用非常不方便。

辦公建筑節能改造時，太陽能光熱轉換系統可以和地暖結合起來，地暖需要的熱水溫度較低，一般在40℃～50℃之間，這恰好是太陽能熱水系統在冬季能達到的溫度。

3.2 太陽能光伏發電

太陽能光伏發電系統一般由發電板、蓄電池、充電控制器、防反沖二極管、逆變器、測量設備等組成。發電板為了方便安裝，一般設置在辦公建筑屋頂或墻面上。現有技術條件下，光伏發電的轉化率在5%～20%，利用率較低，太陽能光伏發電一般輔助光熱轉換，在冬季或陰天時提供電能。根據荷蘭鹿特丹市立檔案局的改造經驗，15 000m2的辦公樓屋頂設置1 840m2的光伏電池，能滿足自身80%的電力需求。所以，提高我國的太陽能光伏發電轉換效率后，將大大減少一次性能源——煤的使用，減少環境污染。

4 地熱能

地熱能是以土壤或水為熱源、水為載體在封閉環路中循環進行熱交換。地源熱的利用通常包括地下埋管、井水抽灌和地表水盤管等系統。地源熱泵技術，利用地球表面淺層 （通常小于400 米深）地熱資源作為冷熱源進行能量轉換。地表淺層收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500 倍還多。使用地源熱泵，沒有燃燒過程，對周圍環境無污染排放；不向周圍環境排熱，沒有熱島效應，沒有噪音。

土壤源熱泵系統是用土壤作為熱源，由地熱換熱器和熱泵機組形成封閉的環路，環路根據制冷劑運行方向的不同形成了制冷和制熱兩種循環。夏季，循環介質將室內熱量釋放到地下土壤中； 冬季，循環介質將土壤中的熱量提取出來釋放給室內空氣。從理論上分析，土壤源熱泵的熱源溫度比較穩定，每消耗1kw 的熱量可得到4kw 左右的能量，比燃煤鍋爐節約近1/2 的能耗，運行費用是普通中央空調的50%～60%。但是，北方寒冷地區供熱期比供冷期長，土壤熱源系統的供熱效率也下降，所以在使用前，必須針對不同地區的水文地質條件和工程情況，分析在使用壽命內地下土壤溫度的變化，保證其不存在土壤溫度降低或者在可接受范圍內。

傳統的空氣源熱泵在室外溫度低于0℃時，供熱效率大幅降低，水源熱泵因為地下水的超采而受到限制，土壤源熱泵在寒冷地區使用，長期的冷熱負荷不均衡容易導致土壤的溫度逐年下降。

5 結論

可再生能源的利用和開發對緩解能源危機、減少環境污染具有重要的戰略意義，應用可再生能源是既有辦公建筑節能改造發展中跨越式突破：（1）利用太陽能，冬季采暖系統結合光熱轉換，輔助光伏發電；（2）利用地熱能，空調系統結合地源熱泵。

[1]阮帆.咸寧地區既有辦公建筑節能改造技術措施研究[D].沈陽建筑大學碩士學位論文，2012年.

[2]趙忠超，Branko Simanic，程林.既有建筑采用可再生能源節能改造技術分析[J].建筑經濟，2009年第2期 （總316期），p96～6.