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小议绿色建筑中绿色能源的应用

小议绿色建筑中绿色能源的应用

太阳能

太阳能是日常生活中最常见的清洁能源,在生活中已经开始被广泛应用。作为一种清洁能源,它除了拥有对环境无污染的优点外,还具有很多其他优势。首先,它在自然界广泛存在,只要有阳光就可以直接使用,而免去了开采和运输的繁杂工作;其次,它储量极大,根据有关研究在我国它每年的理论储量达到了17000亿t标准煤,可媲美上万三峡工程的发电量;第三,它有长久的使用寿命,只要太阳的氢储量有剩余,它便用之不竭。在绿色建筑中,太阳能的利用是必要的,也是多样的,有供电、采暖、热水、制冷等多种用途。如果系统地分类,那么它主要包括主动式太阳能系统、被动式太阳能系统以及太阳能光伏系统。首先,被动式太阳能系统是指不使用额外装置,直接利用建筑物朝阳面的实体部分吸热储热,依靠辐射、对流来实现对能源的分配[2]。这种利用方式造价较低,无需过多投入就能在夏季把热量排出,在冬季吸热满足供暖需求。德国在这方面十分重视,设计师将重要的房间都朝向阳面,而房顶和窗户均采用透明的保温材料设计,房屋中也设计了红外线追踪装置,使房间的吸热部分可以随着阳光旋转以充分吸收太阳能[3]。主动式太阳能系统则正好相反,它不使用建筑本体集热,而是利用高效的太阳能集热器获取能量,根据需求不同,它可以通过与散热器、制冷机等装置结合,从而发挥供暖、制冷、热水等多种作用。主动式太阳能系统对太阳能的利用效率高于被动式系统,虽然造价较高,但使用方便。太阳能热水器就是这种系统的典型应用,小型的集热器足以满足一个普通家庭对热水的需求。在建筑中利用太阳能加热实现地板辐射采暖也是一种环保节能的新型采暖方式。采用这种方式采暖时,由于地面为散热源,故而人员聚集处温度一般不超过29℃[4],而太阳能集热器在较低温度时集热效率最高,因此这种组合可能是绿色建筑中采暖的最佳方式。太阳能光伏系统与前两种系统不同,它指利用太阳能发电。它的主要部件是光伏板及其组件,这是一种在阳光下就能产生直流电的装置,以半导体制成,小型的光伏电池可用于手机等小型电子设备,而复杂的太阳能光伏系统可以为住宅供电,它在建筑中的应用可分为独立光伏系统和并网光伏系统。其中独立型光伏发电系统是使用蓄电池和逆变器,但逆变器不向电网反送电能的光伏发电系统。利用白天阳光使该系统向负荷供电,并向蓄电池充电,夜间由蓄电池向负荷供电,与电网无关联。并网型光伏发电系统通过逆变器向电网反送电力,并与电网并联向负荷用户供电,系统不存在蓄电池[5]。建筑-太阳能一体化是未来绿色建筑的发展趋势,美国、欧洲和日本分别推出了“屋顶光优计划”,美国计划到2010年安装1000~3000MW,日本的目标是7600MW,太阳电池与建筑结合是一个必然的趋势[6]。

地热能

地热能是一种从地球内部获得的能源,它来源于地球内部的熔岩和放射性物质的衰变。地球的内部有极高的温度,直到距离地表33km的莫霍面,温度依然能高达1000℃。随着地下水的循环和深层岩浆向地表侵入,这些热量逐渐被传送到近表层并将附近的地下水加热渗出地表。地热能除了存在于普通热水以外,地热能也蕴含在蒸汽、地压型热水、熔岩以及干热岩中,它是一种清洁能源,在使用中对环境不会产生任何污染。相对于太阳能等清洁能源的不稳定,地热能更加“稳定现实”,主要分布在板块的边缘与交界处,储量高于任何人类已利用的能源。它的再生速度同样高于石油等现有资源,只要开采速度适宜,它可作为可再生资源使用。基于以上优势,相信地热能将成为煤炭、核能的稳定替代能源[7]。现今人们对地热能的使用具体分为两个方式,一种为地热能的直接利用,一种为地热能发电。其中利用地热能发电在民用建筑设计中的实用性不大,而地热能的直接利用在建筑中具有很高的实用性。人类自古便开始对地热能进行直接利用,比如利用温泉沐浴或治病等,这些都属于对地热能的直接利用。随着时间的推移,人们对于地热能的直接利用有了更多的方式,比如利用它供暖、热水、养殖水产、温室控温。其中,地热采暖早已在北京、天津等城市普遍应用。采用这种供暖方式比采用传统的锅炉供暖要节省大约3成的成本,并且不产生污染,达到了节能减排的目的。当然,这种供暖方式仍存在初期投入较高以及地热回灌技术不够完善等问题,需要改进[7]。随着地源热泵技术的采用,不仅地热供暖技术得到完善,地热能也有了制冷、空调等更多可利用于建筑的用途。由于该项技术利用地下浅层地温作为热源,随处可取,使过去传统意义上所谓的“地热资源在分布上有局限性”的观念得到了改变。地源热泵供暖系统在我国东北地热资源丰富地区已有应用,如黑龙江林甸县林甸镇目前地热采暖面积达50万m2,合计年用热水量200万m3,采用热泵技术梯级利用,在室外温度-28℃时,室内温度可达到18~21℃,最高可达到26℃。每年可节约燃煤5000t,减少CO2排放1.31万t,减少SO2排放425t[8]。地源热泵供暖也早已在发达国家得到广泛应用,如瑞士是一个传统意义上没有地热资源的国家,但采用地源热泵技术后,到1995年已可提供228GWh/a的热功率用于建筑供暖[9]。地热能同样可以用于制冷以及空调,如在廊坊地区,深水井中地下水的温度一般常年保持在十几度左右,可以通过制冷工质在蒸发器中吸收热量,并向地热水中放出热量来降低房间温度。除此之外,上海世博会的世博轴,采用的就是中国目前最大规模应用地源热泵和江水源热泵技术的中央空调[10]。

风能

风能是一种空气流动能,它的产生是由于太阳的热能辐射到地表,而地表受热不均匀,产生了温差,从而引起了空气的对流运动。从本质上讲,风能也属于太阳能的一种,而且它总量巨大,尽管太阳辐射到地表的热能只有不到3%转化为风的动能,但这些能量已经接近地球所有绿色植物固定能量的百倍,是全球水资源动能的10倍。我国自古就有使用风能的传统,两千年前中国人民就已驾驶帆船在江海驰骋,宋代制造的垂直轴风车也沿用至今。现在的中国在风能的利用量上走在世界的前列,仅次于美国。截至2008年底,全球风力发电装机容量达到121188MW,比2007年增加了27261MW[11],全球安装的所有风力涡轮机发电量可达260TWh/a,超过全球电力消耗的1.5%[12]。中国继续在世界风能发展中发挥着领军作用,仅2009年装机容量新增13800MW,连续4年超过一倍的增长,对涡轮机厂商来说是一个巨大的市场[13]。同太阳能相仿,风能的利用也可以分为主动与被动两种形式,在绿色建筑中这两种方式都能发挥很大的作用。首先,被动式风能利用指直接利用自然通风来调控建筑的室内温度和空气质量。这种技术在夏季可以直接降温,取代空调,达到节能减排的目的,在冬季仍可少量通风减少室内的空气污染。主动式风能利用指利用风力发电,这是一种把风的动能转化为电能的技术,在目前欧美发达国家的新型建筑中都采用了这种清洁的发电方法。它采用的风力发电组包括了风轮、发电机、铁塔等部件。首先,风轮吸收风能并将其转化为机械能,接着通过齿轮变速的作用使风轮的转速稳定后直接接入发电机,便可以开始放电。以目前的技术,只需要3m/s的风速就可以满足小型风力发电机的最低风力需求。巴林的世贸中心是利用风力发电的著名建筑,它的两座塔楼主体如同两片巨型机翼将来自波斯湾海面上的毫无阻碍、经年不息的海风集中并加速使其在经过两座塔楼时形成漏斗效应,将风速提高了30%,三座风力发电涡轮机每年可为大楼提供10%~15%的电力,即1100~1300MW•h,这些电力足以满足巴林300个家庭一年的用电量[14]。欧洲的风电也已经能够满足4000万人生活的需要,欧洲风能协会预计2020年欧洲会有近两亿人完全使用风电,占欧洲人口的一半[15]。

生物质能

生物质能是一种清洁的可再生能源,它源于绿色植物光合作用,是太阳能转化而成的一种化学能。这种能量分布广、来源多,除了直接来源于绿色植物以外,生活污水、人畜粪便等有机物质也含有生物质能。生物质能的储量极高,而且可以转化为常见的燃料,现今它已成为了世界能源消费量最高的能源之一,仅次于石油、天然气、煤炭等化石燃料。有关专家认为至2050年,生物质能源将提供世界60%的电力和40%的液体燃料,生物质能将成为未来可持续发展能源系统中的主要能源[16]。在建筑中生物质能的主要利用方式就是通过燃烧为室内供暖或作为烹饪的燃料。生物质能的利用方式主要包括生物质直接燃烧、热化学转化、生物化学转化三种利用方式,通过这些使用方式可以将生物质能转化为固、液、气三种形态的多种燃料。由于农业秸秆的大量废弃,在我国农村生物质直接燃烧的使用方式较为普遍,通过对锅炉的结构改造,生物质的燃烧效率可以满足农户需求。近年,我国已推广新式省柴节煤灶超过1.7×108户,新式灶提高了热效率10多个百分点,缓解了部分地区柴草不足的紧张局面[17]。在环保建筑中生物质的利用方式多以生物化学为主,这种方式通过原料的生物化学作用和微生物的新陈代谢作用产生气体或液体燃料,对环境基本不产生破坏。它的产物主要是沼气和各种醇类燃料,其中沼气的使用技术较为成熟。沼气发酵的生物质原料主要是生活废物、废液和各种垃圾,它是一种高效可行的垃圾处理方式,它所产生的甲烷同样是一种清洁能源,在我国农村发展很快,沼气池超过500万个[18]。在绿色建筑中,沼气池发酵技术是生物质能最高效的使用方式,可以减轻建筑对化石燃料的依赖。

随着科技与经济的进步以及人们对绿色建筑的倡导,绿色能源必将逐步取代化石燃料先进的地位。与传统能源相比,在建筑中利用绿色能源无疑对人与自然的和谐共处更加有利,也符合了可持续发展的科学理念。然而,尽管绿色能源建筑的前景十分广阔,但是大部分新型能源仍然存在分布分散、稳定性差、造价高昂和技术不足等缺陷,世界对绿色能源的研究依然面临诸多挑战。(本文作者:刘邦禹 单位:大连理工大学)