小議綠色建筑中綠色能源的應(yīng)用
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太陽(yáng)能
太陽(yáng)能是日常生活中最常見(jiàn)的清潔能源，在生活中已經(jīng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。作為一種清潔能源，它除了擁有對(duì)環(huán)境無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)外，還具有很多其他優(yōu)勢(shì)。首先，它在自然界廣泛存在，只要有陽(yáng)光就可以直接使用，而免去了開(kāi)采和運(yùn)輸?shù)姆彪s工作;其次，它儲(chǔ)量極大，根據(jù)有關(guān)研究在我國(guó)它每年的理論儲(chǔ)量達(dá)到了17000億t標(biāo)準(zhǔn)煤，可媲美上萬(wàn)三峽工程的發(fā)電量;第三，它有長(zhǎng)久的使用壽命，只要太陽(yáng)的氫儲(chǔ)量有剩余，它便用之不竭。在綠色建筑中，太陽(yáng)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(tǒng)地分類，那么它主要包括主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)、被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)以及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。首先，被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)是指不使用額外裝置，直接利用建筑物朝陽(yáng)面的實(shí)體部分吸熱儲(chǔ)熱，依靠輻射、對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的分配［2］。這種利用方式造價(jià)較低，無(wú)需過(guò)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(guó)在這方面十分重視，設(shè)計(jì)師將重要的房間都朝向陽(yáng)面，而房頂和窗戶均采用透明的保溫材料設(shè)計(jì)，房屋中也設(shè)計(jì)了紅外線追蹤裝置，使房間的吸熱部分可以隨著陽(yáng)光旋轉(zhuǎn)以充分吸收太陽(yáng)能［3］。主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)則正好相反，它不使用建筑本體集熱，而是利用高效的太陽(yáng)能集熱器獲取能量，根據(jù)需求不同，它可以通過(guò)與散熱器、制冷機(jī)等裝置結(jié)合，從而發(fā)揮供暖、制冷、熱水等多種作用。主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的利用效率高于被動(dòng)式系統(tǒng)，雖然造價(jià)較高，但使用方便。太陽(yáng)能熱水器就是這種系統(tǒng)的典型應(yīng)用，小型的集熱器足以滿足一個(gè)普通家庭對(duì)熱水的需求。在建筑中利用太陽(yáng)能加熱實(shí)現(xiàn)地板輻射采暖也是一種環(huán)保節(jié)能的新型采暖方式。采用這種方式采暖時(shí)，由于地面為散熱源，故而人員聚集處溫度一般不超過(guò)29℃［4］，而太陽(yáng)能集熱器在較低溫度時(shí)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(yáng)能光伏系統(tǒng)與前兩種系統(tǒng)不同，它指利用太陽(yáng)能發(fā)電。它的主要部件是光伏板及其組件，這是一種在陽(yáng)光下就能產(chǎn)生直流電的裝置，以半導(dǎo)體制成，小型的光伏電池可用于手機(jī)等小型電子設(shè)備，而復(fù)雜的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可以為住宅供電，它在建筑中的應(yīng)用可分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。其中獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)是使用蓄電池和逆變器，但逆變器不向電網(wǎng)反送電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)。利用白天陽(yáng)光使該系統(tǒng)向負(fù)荷供電，并向蓄電池充電，夜間由蓄電池向負(fù)荷供電，與電網(wǎng)無(wú)關(guān)聯(lián)。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)逆變器向電網(wǎng)反送電力，并與電網(wǎng)并聯(lián)向負(fù)荷用戶供電，系統(tǒng)不存在蓄電池［5］。建筑－太陽(yáng)能一體化是未來(lái)綠色建筑的發(fā)展趨勢(shì)，美國(guó)、歐洲和日本分別推出了“屋頂光優(yōu)計(jì)劃”，美國(guó)計(jì)劃到2010年安裝1000～3000MW，日本的目標(biāo)是7600MW，太陽(yáng)電池與建筑結(jié)合是一個(gè)必然的趨勢(shì)［6］。
地?zé)崮?/p>
地?zé)崮苁且环N從地球內(nèi)部獲得的能源，它來(lái)源于地球內(nèi)部的熔巖和放射性物質(zhì)的衰變。地球的內(nèi)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(dá)1000℃。隨著地下水的循環(huán)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?zé)崮艹舜嬖谟谄胀崴酝?，地?zé)崮芤蔡N(yùn)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(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生任何污染。相對(duì)于太陽(yáng)能等清潔能源的不穩(wěn)定，地?zé)崮芨印胺€(wěn)定現(xiàn)實(shí)”，主要分布在板塊的邊緣與交界處，儲(chǔ)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(xiàn)有資源，只要開(kāi)采速度適宜，它可作為可再生資源使用?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，相信地?zé)崮軐⒊蔀槊禾?、核能的穩(wěn)定替代能源［7］。現(xiàn)今人們對(duì)地?zé)崮艿氖褂镁唧w分為兩個(gè)方式，一種為地?zé)崮艿闹苯永?，一種為地?zé)崮馨l(fā)電。其中利用地?zé)崮馨l(fā)電在民用建筑設(shè)計(jì)中的實(shí)用性不大，而地?zé)崮艿闹苯永迷诮ㄖ芯哂泻芨叩膶?shí)用性。人類自古便開(kāi)始對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行直接利用，比如利用溫泉沐浴或治病等，這些都屬于對(duì)地?zé)崮艿闹苯永?。隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)于地?zé)崮艿闹苯永糜辛烁嗟姆绞?，比如利用它供暖、熱水、養(yǎng)殖水產(chǎn)、溫室控溫。其中，地?zé)岵膳缫言诒本?、天津等城市普?a href="http://www.baojiexiang.com/lunwen/ditanjianzhuluwen/31244.html" target="_blank">應(yīng)用。采用這種供暖方式比采用傳統(tǒng)的鍋爐供暖要節(jié)省大約3成的成本，并且不產(chǎn)生污染，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。當(dāng)然，這種供暖方式仍存在初期投入較高以及地?zé)峄毓嗉夹g(shù)不夠完善等問(wèn)題，需要改進(jìn)［7］。隨著地源熱泵技術(shù)的采用，不僅地?zé)峁┡夹g(shù)得到完善，地?zé)崮芤灿辛酥评?、空調(diào)等更多可利用于建筑的用途。由于該項(xiàng)技術(shù)利用地下淺層地溫作為熱源，隨處可取，使過(guò)去傳統(tǒng)意義上所謂的“地?zé)豳Y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(tǒng)在我國(guó)東北地?zé)豳Y源豐富地區(qū)已有應(yīng)用，如黑龍江林甸縣林甸鎮(zhèn)目前地?zé)岵膳娣e達(dá)50萬(wàn)m2，合計(jì)年用熱水量200萬(wàn)m3，采用熱泵技術(shù)梯級(jí)利用，在室外溫度－28℃時(shí)，室內(nèi)溫度可達(dá)到18～21℃，最高可達(dá)到26℃。每年可節(jié)約燃煤5000t，減少CO2排放1.31萬(wàn)t，減少SO2排放425t［8］。地源熱泵供暖也早已在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，如瑞士是一個(gè)傳統(tǒng)意義上沒(méi)有地?zé)豳Y源的國(guó)家，但采用地源熱泵技術(shù)后，到1995年已可提供228GWh/a的熱功率用于建筑供暖［9］。地?zé)崮芡瑯涌梢杂糜谥评湟约翱照{(diào)，如在廊坊地區(qū)，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(guò)制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱量，并向地?zé)崴蟹懦鰺崃縼?lái)降低房間溫度。除此之外，上海世博會(huì)的世博軸，采用的就是中國(guó)目前最大規(guī)模應(yīng)用地源熱泵和江水源熱泵技術(shù)的中央空調(diào)［10］。
風(fēng)能
風(fēng)能是一種空氣流動(dòng)能，它的產(chǎn)生是由于太陽(yáng)的熱能輻射到地表，而地表受熱不均勻，產(chǎn)生了溫差，從而引起了空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。從本質(zhì)上講，風(fēng)能也屬于太陽(yáng)能的一種，而且它總量巨大，盡管太陽(yáng)輻射到地表的熱能只有不到3%轉(zhuǎn)化為風(fēng)的動(dòng)能，但這些能量已經(jīng)接近地球所有綠色植物固定能量的百倍，是全球水資源動(dòng)能的10倍。我國(guó)自古就有使用風(fēng)能的傳統(tǒng)，兩千年前中國(guó)人民就已駕駛帆船在江海馳騁，宋代制造的垂直軸風(fēng)車也沿用至今?，F(xiàn)在的中國(guó)在風(fēng)能的利用量上走在世界的前列，僅次于美國(guó)。截至2008年底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到121188MW，比2007年增加了27261MW［11］，全球安裝的所有風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電量可達(dá)260TWh/a，超過(guò)全球電力消耗的1.5%［12］。中國(guó)繼續(xù)在世界風(fēng)能發(fā)展中發(fā)揮著領(lǐng)軍作用，僅2009年裝機(jī)容量新增13800MW，連續(xù)4年超過(guò)一倍的增長(zhǎng)，對(duì)渦輪機(jī)廠商來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的市場(chǎng)［13］。同太陽(yáng)能相仿，風(fēng)能的利用也可以分為主動(dòng)與被動(dòng)兩種形式，在綠色建筑中這兩種方式都能發(fā)揮很大的作用。首先，被動(dòng)式風(fēng)能利用指直接利用自然通風(fēng)來(lái)調(diào)控建筑的室內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量。這種技術(shù)在夏季可以直接降溫，取代空調(diào)，達(dá)到節(jié)能減排的目的，在冬季仍可少量通風(fēng)減少室內(nèi)的空氣污染。主動(dòng)式風(fēng)能利用指利用風(fēng)力發(fā)電，這是一種把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，在目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的新型建筑中都采用了這種清潔的發(fā)電方法。它采用的風(fēng)力發(fā)電組包括了風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、鐵塔等部件。首先，風(fēng)輪吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，接著通過(guò)齒輪變速的作用使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后直接接入發(fā)電機(jī)，便可以開(kāi)始放電。以目前的技術(shù)，只需要3m/s的風(fēng)速就可以滿足小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最低風(fēng)力需求。巴林的世貿(mào)中心是利用風(fēng)力發(fā)電的著名建筑，它的兩座塔樓主體如同兩片巨型機(jī)翼將來(lái)自波斯灣海面上的毫無(wú)阻礙、經(jīng)年不息的海風(fēng)集中并加速使其在經(jīng)過(guò)兩座塔樓時(shí)形成漏斗效應(yīng)，將風(fēng)速提高了30%，三座風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)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(gè)家庭一年的用電量［14］。歐洲的風(fēng)電也已經(jīng)能夠滿足4000萬(wàn)人生活的需要，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)2020年歐洲會(huì)有近兩億人完全使用風(fēng)電，占?xì)W洲人口的一半［15］。
生物質(zhì)能
生物質(zhì)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(yáng)能轉(zhuǎn)化而成的一種化學(xué)能。這種能量分布廣、來(lái)源多，除了直接來(lái)源于綠色植物以外，生活污水、人畜糞便等有機(jī)物質(zhì)也含有生物質(zhì)能。生物質(zhì)能的儲(chǔ)量極高，而且可以轉(zhuǎn)化為常見(jiàn)的燃料，現(xiàn)今它已成為了世界能源消費(fèi)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(guān)專家認(rèn)為至2050年，生物質(zhì)能源將提供世界60%的電力和40%的液體燃料，生物質(zhì)能將成為未來(lái)可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)中的主要能源［16］。在建筑中生物質(zhì)能的主要利用方式就是通過(guò)燃燒為室內(nèi)供暖或作為烹飪的燃料。生物質(zhì)能的利用方式主要包括生物質(zhì)直接燃燒、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、生物化學(xué)轉(zhuǎn)化三種利用方式，通過(guò)這些使用方式可以將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為固、液、氣三種形態(tài)的多種燃料。由于農(nóng)業(yè)秸稈的大量廢棄，在我國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)直接燃燒的使用方式較為普遍，通過(guò)對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)改造，生物質(zhì)的燃燒效率可以滿足農(nóng)戶需求。近年，我國(guó)已推廣新式省柴節(jié)煤灶超過(guò)1.7×108戶，新式灶提高了熱效率10多個(gè)百分點(diǎn)，緩解了部分地區(qū)柴草不足的緊張局面［17］。在環(huán)保建筑中生物質(zhì)的利用方式多以生物化學(xué)為主，這種方式通過(guò)原料的生物化學(xué)作用和微生物的新陳代謝作用產(chǎn)生氣體或液體燃料，對(duì)環(huán)境基本不產(chǎn)生破壞。它的產(chǎn)物主要是沼氣和各種醇類燃料，其中沼氣的使用技術(shù)較為成熟。沼氣發(fā)酵的生物質(zhì)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(chǎn)生的甲烷同樣是一種清潔能源，在我國(guó)農(nóng)村發(fā)展很快，沼氣池超過(guò)500萬(wàn)個(gè)［18］。在綠色建筑中，沼氣池發(fā)酵技術(shù)是生物質(zhì)能最高效的使用方式，可以減輕建筑對(duì)化石燃料的依賴。
隨著科技與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及人們對(duì)綠色建筑的倡導(dǎo)，綠色能源必將逐步取代化石燃料先進(jìn)的地位。與傳統(tǒng)能源相比，在建筑中利用綠色能源無(wú)疑對(duì)人與自然的和諧共處更加有利，也符合了可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)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(wěn)定性差、造價(jià)高昂和技術(shù)不足等缺陷，世界對(duì)綠色能源的研究依然面臨諸多挑戰(zhàn)。（本文作者：劉邦禹 單位：大連理工大學(xué)）