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新能源综合利用建筑介绍

文:admin 发表时间2005-7-7

    一、太阳能利用进展

随着生活水平的提高，人们越来越重视生活质量，建筑能耗在国家总能耗中的比例也逐步增高，并成为重要组成部分。统计资料显示，发达国家的建筑能耗占其总能耗的30－40％，在我国建筑能耗约占全国总能耗的1／4，并且这一比值还有增大的趋势。太阳能作为一种用之不尽，取之不竭，洁净无污染的能源在建筑中已经有多年的应用历史，在建筑中利用太阳能可以有效的减少对常规能源的消耗，降低温室气体排放。近年来太阳能技术在建筑物热水供应和制冷采暖等领域的应用得到了各国政府的重视和扶持。日本1974年就制定了“阳光计划”、美国总统亲自提议启动了“百万屋顶计划”、丹麦由欧共体能源计划支持的赫尔弗Acrlcr项目以及日本东京都住宅公团支持的太阳城计划……这些计划虽然规模和侧重不尽相同，但基本都涵盖于太阳能在建筑中应用这个范畴。目前已经或正在建立太阳能建筑应用研究的国家和地区还包括意大利、西班牙、德国、美国、日本、韩国、新加坡、香港等国家和地区。

在中国，从70年代以来先后有多家院所对太阳能建筑进行过研究，被动式太阳房在农村地区的推广也取得了一定的成就，太阳能空调供热系统也曾做过多次尝试，但没有实用记录。目前在我国太阳能利用中占较大比例的是太阳能热水器，太阳能光热产品发展迅速，其生产厂家也已经有数百家，据不完全统计，截至2001年底，全国太阳能热水器保有量已达3300万平方米，年产量达到780万平方米，年销售量为欧洲的10倍。其利用形式比较单一，仅仅是简单的布置于建筑物顶部为居民提供淋浴热水。在国家九五计划中，对太阳能在建筑中的应用给予了充分的关注，并资助建立了两座太阳能空调供热示范建筑，一座是1996年由中科院广州能源所在南方的江门市建成；另一座是1999年由北京太阳能研究所在北方的山东乳山市建成。两座建筑物共同的特点是面积小，太阳能在建筑物总能耗中占的比例较小，太阳能只提供空调供热负荷的一部分，其余由另外附建的锅炉房提供。太阳能光电技术是太阳能利用中发展起来的一颗明珠，其光电转换效率最近几十年得到极大的提高，但由于价格昂贵，因此在建筑中的应用很少。

在建筑中综合利用太阳能难以进行大面积推广，主要原因表现在以下几个方面：1、长期以来使用以屋顶式太阳能热水器为主，因此对于高层建筑来说应用范围有限，给人们一种太阳能热水器仅适用于层数较少楼房使用的印象。2、虽然开发过一些阳台式太阳能热水器，但容易影响建筑物立面的美观，遭到建筑师的反对，因此应用很少。3、太阳能能量密度低，不稳定，单独用太阳能为建筑物提供能量存在较大困难。4、太阳能热水温度低，导致吸收式制冷效率低。5、价格较贵，尤其是太阳能光伏发电系统，给人造成节能不经济的印象。

上述原因在某些情况下是确实存在的问题，但随着技术的进步，太阳能集热器效率得到较大的提高，所生产的热水温度也有相当大幅度的提高，太阳能集热器也越来越美观，如果结合建筑设计来布置太阳能集热器，对建筑物墙体做到好的保温效果，并配合其他新能源利用技术，如热泵技术，就可以解决上述问题，达到利用太阳能为建筑供能的目的。

2008年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，在申奥过程中中国政府对在奥运村及奥运场馆中大量使用太阳能作出了承诺，因此对太阳能利用和建筑设计相结合进行研究，并在奥运场馆及奥运村中应用，从而为在北京甚至全国进行推广作准备，形成产业化已经成为太阳能利用行业的一个新的经济增长点，也为在北京市大力推广太阳能利用，提高可再生能源的比重，降低建筑能耗，提升城市整体形象创造了条件。

二、项目简介

本项目位于北京南郊的大兴芦城工业区天普太阳能公司实验园区内。旨在将太阳能光-热、光-电、地源热泵空调技术等与建筑面积2600m2的建筑有机结合、融为一体。其目的一是为2008年奥运村建设项目提供示范，二是在科学研究与示范的基础上实现新能源建筑的产业化技术准备。主要工作包括三方面的内容，一方面，从建筑的总体设计出发，将直通闷晒式全玻璃真空太阳能集热管作为建筑物南向构件，形成新式幕墙，在提供热水中心和热泵低温热源的同时，具有良好的装饰功能。并采用其它高效节能技术降低建筑的耗能指标，使建筑本身符合“节能建筑”标准；另一方面，通过采用太阳能跨季节蓄热+地温热泵的联用技术实现建筑采暖、制冷；其三，将太阳能光伏阵列作为建筑构件为建筑提供部分照明、办公电源，在小区绿地、游泳池和钓鱼池广泛使用智能控制的太阳能草地灯庭院灯和太阳能光电喷泉及光电喷灌。

本项目具体内容和采用的技术如下：

1、该建筑物为框架结构，楼内设有多功能厅、办公室、住宅，是一栋多功能综合楼。在建筑美学设计、建筑结构、护围结构、结构蓄热等方面，充分考虑了新能源设备、构件与建筑的匹配融合。在本项目中，建筑为主体，它自身的建筑与节能特性以及其它附属特性（成本、实用、美学等）成为与之相附加的多项技术的可行性基础，也是其它技术具体实施的载体。

2、在建筑主体上，按预先设计将节能技术有机结合于建筑主体。例如，全部窗户采用双层中空玻璃；楼的向阳面，外装饰部分采用蓝色大直径真空管太阳能集热器形成立体幕墙，总集热面积将达到150m2以上，以粗犷的线条与建筑物融为一体，此太阳能集热器幕墙除建筑立面的装饰功能外，主要功能是提供全部热水用于生活热水、游泳池加热等，夏季高温季节将把过剩热水储存在6000m3容积的地下蓄热池，在冬季采暖期将作为部分/全部低温热源提供给制暖热泵；在建筑物向阳墙面上设有容量5kw的太阳能光电板，提供照明和广告牌的电源供应。

3、建筑内的环境调控系统，核心将采用4台地源热泵来实现制冷和采暖，按需供应避免系统空耗。热泵分区设立，各自独立运行：办公区安装一台，客房、会议室共用一台，两套高级住宅各安装一台，实行分区运行、分别计量、单独核算管理，有效制约人为能源浪费，地源热泵的回水通过地渗井回灌地下。

4、楼前面为采用太阳能保护技术的草坪，采用土壤储热，冬季通过地温的提高和选择耐寒草种来保证草坪四季常绿。楼周围全部绿化，楼正门前设草坪停车场，楼后设花园和太阳能光伏水泵喷水池和钓鱼池。生活污水采用净化处理系统处理后用于草坪灌溉，并采用太阳能水泵输送。草地灯、庭院灯全部采用光伏电源太阳能独立供电，智能化独立自动运行。周边环境规划，强调“生态建筑”的自成体系、融入自然的追求。

三、本项目的特点

如今，节能环保观念已逐渐深入人心，太阳能应用已进入大系统应用的增长阶段，价格和技术瓶颈都已基本打破，对扩大应用领域和规模的需求日益突现。此时，探讨太阳能与建筑的和谐统一就显得尤为重要了，但是太阳能的低密度、不稳定以及供应与季节需求的错位等，使太阳能大规模应用的商业价值大打折扣，在市场经济下这显然是致命的。探讨如何与其它节能新技术嫁接，互补短长，以期达到优良的外部特性、特别是提高太阳能年平均贡献率就显得更为重要。在本项目中我们经过论证筛选后，将实际尝试太阳能的跨季节储存和与热泵技术、节能管理等发挥综合效力的建筑物实际应用。本项目内容针对耗能巨大的建筑制冷采暖需要，具体方案中摒弃了一味追求“零能源”建筑轰动效应的部分，以经济实用价值为最高追求，其成果也具有广泛而长远的价值。

1、技术关键点创新点：

a、太阳能制冷采暖技术已进行了多年研究，大量的科学实验说明：由于太阳能的密度低、不稳定、非连续及与季节供应的矛盾，使几乎所有的太阳能制冷采暖系统都必须不同程度的依赖辅助能源的保障，导致太阳能采暖保证率极低，现有的太阳能采暖空调系统运行费用昂贵，有的甚至在使用中太阳能系统形同虚设。可以说，至少在现阶段，采用太阳能直接驱动制冷设备或直接给末端供暖设备提供能量是不经济的，即使采用辅助能源系统提供不足的热能，整个系统的运行成本和保障可靠性依然满足不了现实需要。在本项目中，我们开源节流，经济地采用太阳能热水系统和节电75%的水源热泵相结合，并且从建筑物本身节能出发，将控制系统空耗和遏制人为浪费的管理引入系统，为减少与之配套的新能源系统奠定基础。

b、在本项目方案中，将春夏秋三季过剩的太阳热能储存起来，作为采暖季热泵系统的低温热源使用，使得太阳能系统工作在合适的温度范围，采用地下蓄热池跨季节存储过剩的太阳热能由此提高太阳能的保证率及系统经济性，成为本项目方案上的关键点和创新点。

c、科学合理的系统应该是适用的、经济的。本项目中需要解决系统配置的优化，获得工程实践经验，是本项目的技术关键点。提高系统的耐候性能、可靠性、可维护性，也是本项目的技术关键。

d、本项目的建筑采暖空调的核心设备是地源热泵，拟采用由北京天普太阳能工业有限公司和中科能能源高科技有限公司联合制造的天普牌地源热泵中央空调，优点在于：夏季制冷，冬季采暖省电75%左右，功能可靠；机组节省空间，噪音小，无任何污染，环保效果好；运行费用低，低于燃油、天然气采暖空调的50%以上；一次性投资少，仅相当于常规中央空调投资。采用此技术设备技术成熟可行、投资无风险。在本项目中，采用热泵的创新点是热源多元化，一是采用储存的太阳能。从夏季太阳能热水器产生并跨季节储存的热水，冬天仍然高于地表水温度。我们曾在1998年冬测量过本公司跨季节存储在地下的太阳能热水池中的水温，当时环境温度-10℃，自来水（井水）温10℃，热水池中的水温达到40℃。热泵使用较高的低温热源，可以轻易提升到采暖要求的温度，大大节省热泵耗能。当热水池中的热能耗尽时再将热泵切换为地温运行。二是本项目中的地温热泵采用埋管方式提取地温，用渗井解决回灌，不浪费水源。

e、直通闷晒式玻璃太阳集热管，是天普公司的发明专利，自1998年问世以来，经过科技攻关、反复试验、设计改进、实施产业化和工程实践，已经成熟。直径150mm，长度1500mm的高硼硅玻璃真空太阳集热管，单管容水量20kg，太阳集热器与储水箱合为一体，省去了常规热水器必需的储水箱，并且热损系数大大降低、集热效率明显提高。将大直径直通储热式玻璃真空集热管模块作为建筑物向阳面的幕墙，竖直立面放置，解决外装饰的同时可有效的抑制夏季过热和结垢，提高了冬季热效率，同时有效地提高了抗冰雹等自然灾害的能力。此系统提供24小时的生活热水是完全可行的。

f、太阳能光电技术的采用用于部分建筑照明、办公、广告、喷灌、喷泉、草地灯等，为新能源建筑和小区域环境营造提供了亮点，突出了太阳能清洁能源和生态系统的和谐。

g、很早就有业内的专家呼吁“太阳能与建筑的结合”，在本项目中我们将探索太阳能系统作为建筑功能构件的可行性和合理性，力求将太阳能与建筑完美统一互相衬映。这是本项目的关键点和创新点。玻璃真空太阳集热管热水器模块作为建筑构件形成向阳面蓝色玻璃幕墙；太阳能光伏组件也作为镶嵌的蓝色平板玻璃幕墙；加上采用大面积双层中空玻璃的采光面，玻璃幕墙成为建筑立面的唯一元素，同时取消普通建筑室外空调安装的杂乱感。这些采集太阳能功能元件的建筑构件化，融入建筑体形之中，外立面的巧妙装饰使建筑物外部线条简洁而干净,体现建筑艺术的纯美品质与内在价值的向往与追求，为建筑艺术和空间处理提供了条件。

2、研究、试验方案或主要技术路线

基本技术方案为:采用大直径闷晒式玻璃太阳能真空管收集并存储太阳能。设立在建筑南向立面，成为建筑热水中心和低温热源。夏季过剩的太阳能热水存储在设在地下的大型储水池中。采暖期，我们计划进行两种供暖方式的试验：第一种，采用从储热水池和太阳能集热幕墙直接向房间的风机盘管输送50℃左右的热媒水；第二种，探讨以储热水池的热水为低温热源由热泵提升后用于采暖，在严寒天气也可从散布于地下的埋管直接收集土壤的热能由热泵向房间供暖，我们将探讨操作规律并与直接太阳能供暖进行比较。

3、主要技术指标

A、建筑物

1、建筑面积：2600平方米；

2、建筑结构：坡屋顶五层框架结构楼房。双层中空玻璃窗，太阳能光-热、光-电转换设施成为建筑向阳立面的装饰构件。安装玻璃真空太阳集热器150平米，太阳能光伏组件5千瓦。

3、功能：多功能厅、公寓、办公室、住宅。

B、采暖、降温

安装四台地温热泵分区解决建筑采暖空调需求。

夏季：房间制冷温度25±2℃（室外平均气温32℃），地温热泵制冷，自然换风。

冬季：房间采暖温度19±２℃，太阳能、地温热泵联动。

Ｃ、其它能源

室内24小时热水供应，保证40人以下的淋浴热水（45℃）。配套小区安装总数不小于50台的全自动太阳能庭院灯、草地灯。太阳能光-电系统提供小区内的绿地灌溉、喷泉等的用电和楼内部分生活用电。

四、技术经济分析

a、本项目中太阳能热水系统的经济效益分析

初步估算，以年平均日产9吨45℃热水计算，进水温度为15℃，系统每天输出能量达1.134×106Kj，相当于（假设锅炉效率85%）节约266.8公斤标准煤，年节煤约97.4吨，整个系统的使用寿命按15年计，则整个系统的使用周期内相当于减少燃烧1460吨标煤。

b、本项目中采暖系统的经济效益分析

目前天普牌热泵系列产品的热力系数COPH≥4，与常规电锅炉相比节电率超过75%。在本项目中，作为基础的建筑节能设计与管理，力争把平均建筑供暖负荷降低到≤30W/m2，则每平米-每采暖季费用为18.01元。现阶段执行的大规模集中供暖的参考价格如下：燃煤锅炉（无回热站）供暖收费16.1元/m2·年，燃气锅炉供暖收费27元/m2·年，电锅炉供暖收费36元/m2·年。

太阳能热泵系统/然煤锅炉/燃气锅炉/电锅炉=1.0/0.9/1.5/2.0

c、本项目中夏季制冷的经济效益分析

本项目中所采用的热泵制冷系统的单位制冷面积安装价格与同规格普通中央空调系统基本持平。而由于热泵系统的制冷负荷计算是建立在节能建筑的基础上的，所以选用较小容量制冷机，综合设备投资可节约50%左右。

目前天普牌热泵系列产品的制冷热力系数COPC≥3.5，平均建筑制冷负荷降低到≤25W/m2，而普通中央空调系统的制冷热力系数COPC约为3.0，普通建筑的制冷负荷为60W/m2。由此计算，则新能源综合利用建筑的单位面积制冷费用与采用中央空调的普通民用建筑的单位面积制冷费用的比值为1：3.57。
  

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