綠色建筑中可再生能源利用的評價研究★

殷 曉 瑋

(蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖 241003)

0 引言

綠色建筑評價范圍較廣，其主要涉及建筑的內外部環境，能源消耗以及資源利用等多個方面，而利用能源尤其是對于可再生資源利用來說是綠色建筑的關鍵內容。可再生資源相比化石能源來說，能夠實現持續性發展，取之不盡，用之不竭，對于環境破壞程度影響較小，利于生態環境發展。可再生能源受到技術條件以及自然環境等諸多因素的影響，目前在建筑中常作為部分常規能源的替代能源。可再生能源也并不是完全無限制使用的，為了能夠提高可再生能源的利用率，甚至會增加一些額外消耗，比如在太陽能制冷時會增加水泵的電能量耗損，因此在綠色建筑中如何正確的評價可再生能源的利用是當前需要解決的問題。

1 可再生能源在國內的資源分布情況

太陽能是自身發生的核反應持續釋放的能量，我國具有充足的太陽能資源，一年中太陽輻射達到內陸的能量相當于1.248×1012t標準煤炭使用量[1]。從整體上來看，我國太陽能資源優越也為合理開發利用太陽能提供了重要的資源條件，尤其對于西北邊遠地區來說，交通閉塞，相比中東地區來說，經濟水平落后，因此大力推廣太陽能利用，能夠充分發揮當地的太陽能資源優勢，明顯改善當地人們生活質量。

淺層地熱能資源是儲存于地下200 m的土壤或土地以及水體中，具有較高開發價值的能量。通常地熱溫度低于25 ℃，是受到地球深處地熱能以及太陽能共同作用存在的。根據近三年的研究表明，對我國地級市開展淺層地熱能源評價，結合評價內容，目前國內每年淺層地熱資源量相當于標準煤95億t，按照當前現有的開發技術，能夠實現每年節約高于3.5億t標準煤的使用量，如果淺層地熱能源得到合理開發，每年將會減少大量的煤炭使用量，并減少二氧化碳排放量[2]。

2 可再生能源建筑技術分析

從太陽能的建筑使用技術上來看，太陽能熱水系統包括儲能、控制、輻射、管路等多個系統。太陽能集熱器能夠將太陽能轉化為熱能，進而轉化為熱水，具有集熱效率較高，自動化運行，節能環保等功能。太陽能集熱器能夠將表面接收的太陽能傳遞給冷水，常見的集熱器包括真空管和平板式集熱器[3]。平板集熱器采用高熱導率的銅管，表面覆有耐壓層，其使用壽命可達到30年以上，具體在運行過程中的原理是集熱器表面涂層能夠吸收的太陽輻射，轉化的熱能被通道的冷水吸收利用，加熱水溫以滿足人們生活需求。

真空管集熱器能夠將安裝吸收熱裝置體的管內形成真空，達到熱量損失減少的目的，在表面使用真空鍍膜涂上涂層后吸收輻射能量，減少吸熱體熱量損失。儲能水箱是將集熱器所生產的熱水儲存起來，具有良好的保溫效果，通常是由外殼、內膽以及保溫層共同構成的，聚氨酯是常用的保溫材料。控制系統可以通過水溫、水壓、水量等控制來滿足人們的生活需求。在使用太陽能熱水系統時需要結合房屋安裝環境以及自身特點，考慮氣候類型和人們的經濟能力，以降低電能為目標，滿足人們的生活需求。

從淺層地熱能的建筑技術來看，針對地源熱泵運行原理，是一種低能耗高品位電能，能夠將位于淺地表水和地下土壤中的熱能提取之后進行制熱或制冷，由室外側換熱系統、主機以及室內換熱系統共同構成的環保空調循環系統。在處于制冷狀態下，換熱器中的水吸收建筑中的熱量后，能夠在水泵驅動下循環給地下的換熱器，再將熱量傳給地下土壤中，發揮土壤的冷源效果。在冬季供熱條件下，由于換向閥調整，制冷劑流向出現逆轉，換熱器變為蒸發器，室外循環系統中的水能夠通過地下換熱器吸收土壤熱量，并將換熱器的熱量傳給機組制冷劑，室內循環系統換熱器在吸收制冷機熱量之后，可通過水循環作用釋放到建筑內部中。在使用地源熱泵的過程中，需要根據淺層地熱能的類型區分土壤源、地表水源以及地下水源泵這三種類型[4]。其中對于地下水源熱泵來說，能夠充分利用熱泵技術，減少化石能源的消耗，然后將地板下方的水體冷熱量傳遞到建筑物中，是一種環保空調系統。具體使用時，將水泵提取地下水到熱交換器，發生熱交換之后排到地下。目前國內在使用該系統時受到一定限制，主要是由于該系統是否適合使用，需要結合周邊地下水情況進行分析，同時還需要花費大量的成本調查相關的水文數據和水體穩定度，如果地下水較深時會增加施工成本，因此也從一定程度上影響了地源熱泵的經濟效應。地源熱泵的運行原理見圖1。

3 可再生能源與傳統空調系統能源評價方法

針對地源熱泵和傳統空調系統進行能源評價時，可以進行負荷計算，進一步比較地源熱泵和傳統空調系統的能耗，對兩種系統經濟性進行比較分析。

在傳統空調系統負荷計算過程中，主要包含溫頻法(即BIN法)、當量滿負荷運行時間法以及度日法。其中溫頻法作為空調能耗的簡化模擬方法，原理是假設日射和溫差負荷，兩者之和即為圍護結構負荷，該負荷與外界氣溫呈現線性關系，基于此線性關系計算出各種溫度條件下的冷熱負荷，乘以溫度段的累積的小時數，可以獲得該溫度條件下的冷熱能耗，通過累積冬天和夏天的冷熱能耗需求之和，則為全年的冷熱能耗。但是利用這種方法進行計算，會導致全年冷熱負荷高于實際負荷，因此需要對該方法進行改進。假設建筑物負荷會隨著室外溫度發生信息變化，調整BIN法的計算公式，如下式所示：

式中：EQ——全年的運行消耗量；

Wij，Tij——第i臺設備在處于j工況下的運行功率和運行時間[5]。

針對空調能耗計算利用改進BIN法，求得各溫度條件下的冷熱負荷數據，結合空調系統的冷熱源參數獲得運行功率，再由不同負荷條件下的基礎制冷和制熱功率運行時間來獲得全年運行負荷。

地源熱泵和傳統空調系統經濟性比較可以從初始投資費用、經營成本、動態費用、敏感性這4個角度進行。首先不同方案初始的投資費用中包括設備購置費用、建設安裝費及鉆孔費等，年經營成本包含運營費用、人工費用以及維修費用。由于經營成本和初始投資成本無法體現目前的經濟指標，也無法考慮在設備使用周期內的時間價值，而動態費用年值能夠整體將方案的經濟性凸顯出來。為了便于方案比對，引入動態費用年值，將初始投資金額分析時間價值之后，分攤到生命周期中，加上年經營成本，進而獲得最小值的方案。動態費用年值計算公式如下所示：

AC=PC(A/P，i，n)。

式中：AC，PC——費用年值和現值；

i——基準收益率；

n——使用壽命[6]。

在敏感性分析中，不同方案的動態費用是受到電價、燃氣價格、政府補貼等多種因素的影響，敏感性分析原理是以其中一個影響因素變動之后，其余影響因素固定不變，進一步研究該影響因子對整個研究的影響程度。

4 綠色建筑評價中可再生能源比重分析

除上述評價方法之外，根據我國有關綠色建筑評價標準明確指出，針對綠色建筑評定過程，可將其分為節材與資源利用，內環境質量、運營管理，節能和能源利用，節地和室外環境節水及水資源利用這六個方面。該標準也是國內建筑評價系統的重要參考依據。現行的綠色建筑評價標準中所給出的評分體系，可以采用累積總分的方式進行評價，在所有控制項滿足的基礎上，由優選項和一般項滿足條目數來決定最終評定等級。對于一些公共建筑或住宅來說，控制項目無可再生能源相關應用要求。而在近年來所頒布的綠色建筑評價標準修訂版本中，對于非石化能源相關要求和分值有了具體的定義。假設建筑節能部分所有的條目都是比較適用的，最終評價總分為100分，根據公式所給定的計算方法，我們對一些得分項進行分值和權重計算，對公共建筑以及住宅建筑進行設計評價和運行評價，相應條目總分的最大貢獻度與目前標準所提出的數值比例相對較低。目前我國實現特定的綠色建筑評價標準中，在控制項中沒有體現可再生能源的利用情況，因此，針對能源利用較高且對環境友好要求較高的綠色建筑評價體系中，可再生能源的相關利用并不是缺一不可。

5 太陽能利用評價的案例分析

在對太陽能的利用進行評價時，會對評價對象進行考察。優先選擇一些重要的評價指標，針對指標重要度不同，在構建指標評價體系之后，需要給予不同指標賦予相應的權重系數，通過定量的方式能夠體現在整個評價指標體系中的重要度。相比普通建筑來說，綠色建筑與其具有共同點，即能夠為人們提供更加舒適空間，而不同點在于綠色建筑提倡能夠盡可能減少對于不可再生能源的使用，減少對于環境造成的不良影響。不同類型的可再生能源對于資源節約、環境影響減少的貢獻度是不同的，因此需要對不同指標進行權重設置，在使用過程中可以采用綜合評價法的方式。能夠對事物的好壞進行綜合性評價，大多是對多種對象進行排序，先由不同因素影響將各評價對象排出先后順序，再進行綜合領域評估，有時無法掌握評價對象信息，再開展評價。這是與灰色系統具有一定類似的，針對該情況也形成了以灰色系統為核心的評價方法，灰色關聯度分析實際上就是灰色綜合評價法的重要分支，可用于對各因素關聯性進行定量描述。

太陽能資源總量等級見表1。

表1 太陽能資源總量等級

該地方在太陽能利用評價過程中還存在一些問題，因此在評價時需要把握以下原則：

1)結合實際情況設置合理的評價指標，目前國家將區域劃分為9個平臺區，不同區域其評價指標值不同，具體指標會受到可再生系統產能和建筑能源消耗這兩種因素的影響。因此需要綜合建筑熱工設計分區和可再生能源的分布情況，進一步對可再生綠色建筑能源進行分區評價，能夠防止由于采用統一標準，對一些建筑能耗較高的地區或者缺乏氣候資源的地區產生不利影響，進一步實現因地制宜的評價。

2)能夠明確評價地區范圍，由于太陽能會受到技術水平和氣候資源等因素的影響，部分地區是不適用太陽能系統的。對于太陽能比較匱乏的地區來說，其在使用過程中成本較高，初期成本高，回收期較長，無法實現整體效益。

3)太陽能利用率除受到外界因素影響外，還會受到人為因素的影響，因此需要從設計施工維護整個過程完成數據審查，確保太陽能利用系統的運行效率和質量。

從經濟性角度上分析，雖然太陽能是一種具有較高清潔度的可再生能源，但是受到太陽能整套設備的成本等因素的影響，沒有在建筑中實現廣泛應用。部分太陽能資源匱乏的地區在利用太陽能系統時成本較高，回收期較長。基于這種自然條件下，對于這些地區不鼓勵使用太陽能。結合我國有關研究部門對建筑可再生能源示范區域的測試報告，我們發現目前在太陽能熱水上的耗能處于0.1元/(kW·h)～0.3元/(kW·h)，而如果利用光伏發電時相應的最少為1.4元/(kW·h)～1.7元/(kW·h)，結合這些數據我們發現單位面積太陽能熱水系統增加投資集成器為1 400元/m2，光伏系統相比熱水系統來說成本要更高。

在太陽能利用平臺上，結合當地資源條件進行太陽能利用系統設計，進而減少常規不可再生能源的消耗，降低對于環境的影響。我們以某小區為例，該小區獲得國家綠色建筑三星認證，采用并網建筑光伏發電系統，建筑安裝了150件單體柜，裝機總量可以達到25 kW，年累計發電量為4.2萬kW·h。根據綠色建筑評價標準中節能與能源利用這一條文件有關規定，結合當地條件可充分利用太陽能等自然資源。如果可再生能源給建筑所提供的熱水量高于生活熱水總需求量時，則有可能滿足相應的優先選項要求。該小區建筑光伏系統發電量可以達到4.2萬kW·h，而平均年消耗電量為202萬kW·h，可再生能源發電量占總用電量2.03%，超過有關規定2%，是滿足使用要求的。雖然使用光伏系統太陽能替代率不高，但能夠滿足基本評分要求。

6 結語

對于建筑節能來說，綠色建筑的可再生能源是其重要部分，國家有關部門非常重視。結合發達國家經驗和我國的實際發展情況，我們發現目前在系統節能中可再生能源的利用,對于降低非可再生能源是十分重要的。近年來，發達國家逐漸提出低能量消耗的建筑物施工目標，目前我國在該領域還沒有出臺相應的定量目標。無論國內建筑能耗目標采用哪種規定，逐漸降低能源消耗，使可再生能源扮演更加重要的角色，這對于我國可再生能源發展和國家整體規劃都是十分重要的。