小議綠色建筑中綠色能源的應用

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太陽能

太陽能是日常生活中最常見的清潔能源，在生活中已經開始被廣泛應用。作為一種清潔能源，它除了擁有對環境無污染的優點外，還具有很多其他優勢。首先，它在自然界廣泛存在，只要有陽光就可以直接使用，而免去了開采和運輸的繁雜工作;其次，它儲量極大，根據有關研究在我國它每年的理論儲量達到了17000億t標準煤，可媲美上萬三峽工程的發電量;第三，它有長久的使用壽命，只要太陽的氫儲量有剩余，它便用之不竭。在綠色建筑中，太陽能的利用是必要的，也是多樣的，有供電、采暖、熱水、制冷等多種用途。如果系統地分類，那么它主要包括主動式太陽能系統、被動式太陽能系統以及太陽能光伏系統。首先，被動式太陽能系統是指不使用額外裝置，直接利用建筑物朝陽面的實體部分吸熱儲熱，依靠輻射、對流來實現對能源的分配［2］。這種利用方式造價較低，無需過多投入就能在夏季把熱量排出，在冬季吸熱滿足供暖需求。德國在這方面十分重視，設計師將重要的房間都朝向陽面，而房頂和窗戶均采用透明的保溫材料設計，房屋中也設計了紅外線追蹤裝置，使房間的吸熱部分可以隨著陽光旋轉以充分吸收太陽能［3］。主動式太陽能系統則正好相反，它不使用建筑本體集熱，而是利用高效的太陽能集熱器獲取能量，根據需求不同，它可以通過與散熱器、制冷機等裝置結合，從而發揮供暖、制冷、熱水等多種作用。主動式太陽能系統對太陽能的利用效率高于被動式系統，雖然造價較高，但使用方便。太陽能熱水器就是這種系統的典型應用，小型的集熱器足以滿足一個普通家庭對熱水的需求。在建筑中利用太陽能加熱實現地板輻射采暖也是一種環保節能的新型采暖方式。采用這種方式采暖時，由于地面為散熱源，故而人員聚集處溫度一般不超過29℃［4］，而太陽能集熱器在較低溫度時集熱效率最高，因此這種組合可能是綠色建筑中采暖的最佳方式。太陽能光伏系統與前兩種系統不同，它指利用太陽能發電。它的主要部件是光伏板及其組件，這是一種在陽光下就能產生直流電的裝置，以半導體制成，小型的光伏電池可用于手機等小型電子設備，而復雜的太陽能光伏系統可以為住宅供電，它在建筑中的應用可分為獨立光伏系統和并網光伏系統。其中獨立型光伏發電系統是使用蓄電池和逆變器，但逆變器不向電網反送電能的光伏發電系統。利用白天陽光使該系統向負荷供電，并向蓄電池充電，夜間由蓄電池向負荷供電，與電網無關聯。并網型光伏發電系統通過逆變器向電網反送電力，并與電網并聯向負荷用戶供電，系統不存在蓄電池［5］。建筑－太陽能一體化是未來綠色建筑的發展趨勢，美國、歐洲和日本分別推出了“屋頂光優計劃”，美國計劃到2010年安裝1000～3000MW，日本的目標是7600MW，太陽電池與建筑結合是一個必然的趨勢［6］。

地熱能

地熱能是一種從地球內部獲得的能源，它來源于地球內部的熔巖和放射性物質的衰變。地球的內部有極高的溫度，直到距離地表33km的莫霍面，溫度依然能高達1000℃。隨著地下水的循環和深層巖漿向地表侵入，這些熱量逐漸被傳送到近表層并將附近的地下水加熱滲出地表。地熱能除了存在于普通熱水以外，地熱能也蘊含在蒸汽、地壓型熱水、熔巖以及干熱巖中，它是一種清潔能源，在使用中對環境不會產生任何污染。相對于太陽能等清潔能源的不穩定，地熱能更加“穩定現實”，主要分布在板塊的邊緣與交界處，儲量高于任何人類已利用的能源。它的再生速度同樣高于石油等現有資源，只要開采速度適宜，它可作為可再生資源使用。基于以上優勢，相信地熱能將成為煤炭、核能的穩定替代能源［7］。現今人們對地熱能的使用具體分為兩個方式，一種為地熱能的直接利用，一種為地熱能發電。其中利用地熱能發電在民用建筑設計中的實用性不大，而地熱能的直接利用在建筑中具有很高的實用性。人類自古便開始對地熱能進行直接利用，比如利用溫泉沐浴或治病等，這些都屬于對地熱能的直接利用。隨著時間的推移，人們對于地熱能的直接利用有了更多的方式，比如利用它供暖、熱水、養殖水產、溫室控溫。其中，地熱采暖早已在北京、天津等城市普遍應用。采用這種供暖方式比采用傳統的鍋爐供暖要節省大約3成的成本，并且不產生污染，達到了節能減排的目的。當然，這種供暖方式仍存在初期投入較高以及地熱回灌技術不夠完善等問題，需要改進［7］。隨著地源熱泵技術的采用，不僅地熱供暖技術得到完善，地熱能也有了制冷、空調等更多可利用于建筑的用途。由于該項技術利用地下淺層地溫作為熱源，隨處可取，使過去傳統意義上所謂的“地熱資源在分布上有局限性”的觀念得到了改變。地源熱泵供暖系統在我國東北地熱資源豐富地區已有應用，如黑龍江林甸縣林甸鎮目前地熱采暖面積達50萬m2，合計年用熱水量200萬m3，采用熱泵技術梯級利用，在室外溫度－28℃時，室內溫度可達到18～21℃，最高可達到26℃。每年可節約燃煤5000t，減少CO2排放1.31萬t，減少SO2排放425t［8］。地源熱泵供暖也早已在發達國家得到廣泛應用，如瑞士是一個傳統意義上沒有地熱資源的國家，但采用地源熱泵技術后，到1995年已可提供228GWh/a的熱功率用于建筑供暖［9］。地熱能同樣可以用于制冷以及空調，如在廊坊地區，深水井中地下水的溫度一般常年保持在十幾度左右，可以通過制冷工質在蒸發器中吸收熱量，并向地熱水中放出熱量來降低房間溫度。除此之外，上海世博會的世博軸，采用的就是中國目前最大規模應用地源熱泵和江水源熱泵技術的中央空調［10］。

風能

風能是一種空氣流動能，它的產生是由于太陽的熱能輻射到地表，而地表受熱不均勻，產生了溫差，從而引起了空氣的對流運動。從本質上講，風能也屬于太陽能的一種，而且它總量巨大，盡管太陽輻射到地表的熱能只有不到3%轉化為風的動能，但這些能量已經接近地球所有綠色植物固定能量的百倍，是全球水資源動能的10倍。我國自古就有使用風能的傳統，兩千年前中國人民就已駕駛帆船在江海馳騁，宋代制造的垂直軸風車也沿用至今。現在的中國在風能的利用量上走在世界的前列，僅次于美國。截至2008年底，全球風力發電裝機容量達到121188MW，比2007年增加了27261MW［11］，全球安裝的所有風力渦輪機發電量可達260TWh/a，超過全球電力消耗的1.5%［12］。中國繼續在世界風能發展中發揮著領軍作用，僅2009年裝機容量新增13800MW，連續4年超過一倍的增長，對渦輪機廠商來說是一個巨大的市場［13］。同太陽能相仿，風能的利用也可以分為主動與被動兩種形式，在綠色建筑中這兩種方式都能發揮很大的作用。首先，被動式風能利用指直接利用自然通風來調控建筑的室內溫度和空氣質量。這種技術在夏季可以直接降溫，取代空調，達到節能減排的目的，在冬季仍可少量通風減少室內的空氣污染。主動式風能利用指利用風力發電，這是一種把風的動能轉化為電能的技術，在目前歐美發達國家的新型建筑中都采用了這種清潔的發電方法。它采用的風力發電組包括了風輪、發電機、鐵塔等部件。首先，風輪吸收風能并將其轉化為機械能，接著通過齒輪變速的作用使風輪的轉速穩定后直接接入發電機，便可以開始放電。以目前的技術，只需要3m/s的風速就可以滿足小型風力發電機的最低風力需求。巴林的世貿中心是利用風力發電的著名建筑，它的兩座塔樓主體如同兩片巨型機翼將來自波斯灣海面上的毫無阻礙、經年不息的海風集中并加速使其在經過兩座塔樓時形成漏斗效應，將風速提高了30%，三座風力發電渦輪機每年可為大樓提供10%～15%的電力，即1100～1300MW•h，這些電力足以滿足巴林300個家庭一年的用電量［14］。歐洲的風電也已經能夠滿足4000萬人生活的需要，歐洲風能協會預計2020年歐洲會有近兩億人完全使用風電，占歐洲人口的一半［15］。

生物質能

生物質能是一種清潔的可再生能源，它源于綠色植物光合作用，是太陽能轉化而成的一種化學能。這種能量分布廣、來源多，除了直接來源于綠色植物以外，生活污水、人畜糞便等有機物質也含有生物質能。生物質能的儲量極高，而且可以轉化為常見的燃料，現今它已成為了世界能源消費量最高的能源之一，僅次于石油、天然氣、煤炭等化石燃料。有關專家認為至2050年，生物質能源將提供世界60%的電力和40%的液體燃料，生物質能將成為未來可持續發展能源系統中的主要能源［16］。在建筑中生物質能的主要利用方式就是通過燃燒為室內供暖或作為烹飪的燃料。生物質能的利用方式主要包括生物質直接燃燒、熱化學轉化、生物化學轉化三種利用方式，通過這些使用方式可以將生物質能轉化為固、液、氣三種形態的多種燃料。由于農業秸稈的大量廢棄，在我國農村生物質直接燃燒的使用方式較為普遍，通過對鍋爐的結構改造，生物質的燃燒效率可以滿足農戶需求。近年，我國已推廣新式省柴節煤灶超過1.7×108戶，新式灶提高了熱效率10多個百分點，緩解了部分地區柴草不足的緊張局面［17］。在環保建筑中生物質的利用方式多以生物化學為主，這種方式通過原料的生物化學作用和微生物的新陳代謝作用產生氣體或液體燃料，對環境基本不產生破壞。它的產物主要是沼氣和各種醇類燃料，其中沼氣的使用技術較為成熟。沼氣發酵的生物質原料主要是生活廢物、廢液和各種垃圾，它是一種高效可行的垃圾處理方式，它所產生的甲烷同樣是一種清潔能源，在我國農村發展很快，沼氣池超過500萬個［18］。在綠色建筑中，沼氣池發酵技術是生物質能最高效的使用方式，可以減輕建筑對化石燃料的依賴。

隨著科技與經濟的進步以及人們對綠色建筑的倡導，綠色能源必將逐步取代化石燃料先進的地位。與傳統能源相比，在建筑中利用綠色能源無疑對人與自然的和諧共處更加有利，也符合了可持續發展的科學理念。然而，盡管綠色能源建筑的前景十分廣闊，但是大部分新型能源仍然存在分布分散、穩定性差、造價高昂和技術不足等缺陷，世界對綠色能源的研究依然面臨諸多挑戰。（本文作者：劉邦禹 單位：大連理工大學）