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建筑節(jié)能技術及太陽能綠色環(huán)保建筑的發(fā)展遠景與應用
發(fā)布：admin發(fā)布時間：2019/3/11 16:07:25
建筑節(jié)能新技術是反映一個國家先進發(fā)達、綠色環(huán)保的重要標志,新能源利用是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的重要手段。本文對建筑物的節(jié)能和太陽能建筑技術的推廣應用進行分析探討。利用太陽能技術將是人類未來能源獲取的重要方式，在人類社會活動中，地下資源的利用已經(jīng)面臨匱乏的窘境，勢必將影響人類的生存。利用太陽能建筑將是可以行得通的道路。建筑節(jié)能成為日益關切的大問題,當今社會十分關注建筑工程的能耗及建筑物使用過程中長期的能耗,因此要根據(jù)建筑設計的節(jié)能要求,尤其是利用太陽能建筑技術的推廣應用。
太陽能光熱技術在建筑節(jié)能中應用最為廣泛的目前太陽能發(fā)電系統(tǒng)對太陽能的光電轉(zhuǎn)化率低，是太陽能熱水及被動太陽能采暖技術。我國太陽能熱光和熱被大量的流失掉，而熱→電→熱的能量二次轉(zhuǎn)化，水系統(tǒng)的發(fā)展始于上世紀80年代，只是將太陽能簡化增加了能量在轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)倪^程中的損失，簡單地直接轉(zhuǎn)換為生活用水的加溫，停留在低水平應用，太陽能的利用率更為低下，針對以上情況，在歐洲太陽熱水系統(tǒng)主要是作為輔助熱源與常規(guī)能源系統(tǒng)聯(lián)合運行，學者提出太陽墻、光伏組件與建筑墻體一體化，在供應生活和洗浴熱水的同時集發(fā)電、采暖、通風與建筑護圍結(jié)構(gòu)有機結(jié)合的太陽能系，還為建筑供暖是典型的太陽能低溫地板輻射。墻體的最外層是光電幕墻，安射換熱系統(tǒng)原理。與建筑的一體化結(jié)合已頂部通過風道進入空調(diào)的新風系統(tǒng)或者直接排出室成為太陽能熱水系統(tǒng)發(fā)展的目標和方向;而且顯著改善了護圍結(jié)構(gòu)的隔熱保溫性能。
1太陽能與建筑結(jié)合的優(yōu)點和優(yōu)勢
1.1太陽能技術與建筑的結(jié)合能有效地減少建筑能耗。
1.2太陽能與建筑結(jié)合，電池板和集熱器安裝在屋頂或屋面上，不需要額外占地，節(jié)省了土地資源。
1.3太陽能與建筑結(jié)合，就地安裝、就地發(fā)電上網(wǎng)和供應熱水，不需要另外架設輸電線路和熱水管道，降低對市政配套的依賴，同時也減少了對市政建設的壓力。
1.4太陽能產(chǎn)品沒有噪音，沒有排放，不消耗任何燃料，公眾易于接受。
2建筑物的節(jié)能技術
建筑節(jié)能是技術進步的重要標志,新能源利用是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。在目前條件下,建筑節(jié)能主要采取以下五項技術措施:
2.1減少建筑物的外表面積。建筑物的外表面積的衡量值是體形系數(shù)�？刂平ㄖ矬w形系數(shù)的重點是平面設計,當平面凸凹過多,建筑物外表面積就會增加。如住宅建筑設計中,經(jīng)常會遇到臥室及衛(wèi)生間開窗問題,由于衛(wèi)生間靠內(nèi)開窗要凹進平面很多,無形中增加了建筑物外表面積,另外還有飄窗,曬臺等構(gòu)造對節(jié)省能源很不利。所以對平面設計時,要綜合考慮多種因素,在滿足使用功能的同時,使建筑物體形系數(shù)控制在有合理效范圍內(nèi)。另外在立面造型,層高控制方面也會影響到建筑物體形系數(shù)。進入21世紀許多高層建筑采取矩形平面及矩形組合,使建筑物外表面積相應減小,整體尺寸較和諧,也保持了建筑物的外觀,對建筑節(jié)能是有益的。體現(xiàn)了建筑設計理念的新思維。
2.2重視圍護結(jié)構(gòu)體設計。建筑物的能源和熱工消耗,主要反映在外圍護結(jié)構(gòu)上。圍護結(jié)構(gòu)設計主要包括:選擇圍護結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)造,確定圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),外墻受周邊冷熱橋影響下其平均傳熱系數(shù)的計算,圍護結(jié)構(gòu)熱工性能指標及保溫層厚度的計算等。在外墻外側(cè)或者內(nèi)側(cè)增設一定厚度的保溫材料,以提高墻體的保溫性能,是現(xiàn)階段墻體節(jié)能的重要措施。目前外墻保溫多數(shù)采用聚苯乙烯泡沫塑料板類材料。在施工過程中按照保溫材料的施工程序,加強保溫板的粘結(jié)及固定牢固,保證邊緣及底部的質(zhì)量,才能達到保溫效果。同時屋面是熱量波動最大的部位,需要采取有效措施增加保溫隔熱效果和耐久性。
2.3合理控制窗墻面積比例。同自然環(huán)境接觸面大的還有外門窗。許多分析和試驗表明,門窗占全部熱能耗的50%左右。對門窗進行節(jié)能設計就會明顯提高節(jié)能效果。必須選擇熱阻值高的門窗框體材料�，F(xiàn)在許多門窗框體材料常用塑料內(nèi)襯托鋼架,斷熱鋁合金框,低輻射鍍膜中空玻璃。窗戶的氣密性要好,認真控制窗墻面積比例,北向不留大窗和飄窗,其它朝向也不宜使用飄窗。在工程實踐中,建筑物為了立面效果,許多住宅建筑采取大面積窗戶。在無法減小窗戶大面積的情況下,也要采取措施:如盡量把窗戶安排南側(cè),增加窗戶的固定扇,加強框及扇邊緣的密封,根據(jù)規(guī)定進行權衡判斷計算,以達到建筑物的整體節(jié)能效率。
2.4加強其它部位的保溫隔熱措施。其它一些部位的保溫隔熱措施如地板,樓板,欄板及冷熱橋部位進行保溫隔熱處理。寒冷及嚴寒地區(qū)建筑物四周內(nèi)外地面處理,不采暖樓梯間墻面及透光窗,單元門入口處理,陽臺樓地面及門窗口處理。需要引起注意的是:遇外界接觸的門要選擇保溫門,外飄窗要采用上下挑板及側(cè)板的,凡是遇外界接觸的板都必須進行保溫節(jié)能處理�，F(xiàn)在建筑采用專門用的節(jié)能設計軟件,通過綜合計算滿足各項熱工指標。要根據(jù)熱工指標采取相應的構(gòu)造措施,使建筑物整體達到節(jié)能要求。
2.5采取其它節(jié)能措施,綜合實現(xiàn)節(jié)能目標。另外采取其它一些節(jié)能控制措施如安裝熱量表,熱量控制開關等,使溫度保持均衡,也是減少能耗的必要手段。事實上建筑節(jié)能的主要內(nèi)容除采暖空調(diào)外,應該包含通風,家用電氣,熱水及照明等。假如家庭所有電氣都是節(jié)能產(chǎn)品,那節(jié)能的潛力更大效果更明顯。
3太陽能建筑技術
太陽能建筑可分為主動式和被動式兩個類型。利用機械裝置收集和儲存太陽能,并在需要時向房間提供熱能的建筑,被稱為主動式太陽能建筑;根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,在很少使用機械設備條件下,通過建筑物布局,構(gòu)造處理,選擇性能好的熱工材料,使建筑物本身能夠吸收和儲存太陽能量,從而達到采暖,空調(diào),供熱水的建筑物,稱為被動式太陽能建筑。
太陽能建筑的平面布置應盡量將長邊作為南北方向。使集熱面處于正南方向正負30°以內(nèi)。并根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件及所處位置,做出恰當調(diào)整,以達到最佳的陽光照射效果。集熱和蓄熱墻間接受的熱是被動式太陽能建筑的一種形式。它充分利用南方向太陽輻射熱大的特點,在南向墻面上加設一層透光外罩,使透光外罩與墻體之間形成一道空氣層。為了使透光外罩內(nèi)最大限度得到太陽照射,在空氣夾層內(nèi)壁表面涂上吸熱材料。當太陽照射的時候加熱了空氣夾層內(nèi)的空氣和墻體,這時吸收到的熱量分為兩部分。一部分氣體加熱后利用溫差壓形成氣流,通過與室內(nèi)相連的上,下通風口,與室內(nèi)空氣進行循環(huán)對流,從而使室內(nèi)溫度上升;另一部分熱量使墻體受熱后,利用墻體的蓄熱能力貯存熱量,當夜晚到后氣溫降低時墻體蓄存熱向室內(nèi)釋放,從而達到晝夜溫度適宜的程度。
當夏季高溫到來時,將透光外罩內(nèi)的空氣層與室外連接的通風口開啟,與室內(nèi)連接的通風口關閉。室外通風口上部通向大氣,下部通風口最好處于與周圍空氣溫度低的位置連接,如曬不上太陽陰涼處或地下空間。這樣當空氣層的溫度加熱后,氣流迅速向上部通風口處流動,將熱空氣排向室外,隨著空氣的不停流動,通過下部通風口的涼空氣進入空氣層,這時空氣層內(nèi)的溫度低于室外溫度,室內(nèi)熱氣通過墻體向空氣層散熱,從而達到夏季降低室溫的作用。
從被動式工作原理可以看出,材料性能在太陽能建筑中占有重要的位置。透光材料傳統(tǒng)使用的是玻璃,透光率一般達到65∼85%之間,而現(xiàn)在使用的采光板,透光率達到92%。蓄熱用材料:采用一定厚度的墻體,或改變墻的材質(zhì),如采取水墻做蓄熱體以增加墻體的蓄熱量。另外設置貯熱間也是一種蓄熱方法,貯熱間的傳統(tǒng)作法是,將卵石堆放在貯熱間內(nèi),熱空氣流過貯熱間時加熱卵石,進入夜晚或是陰雨天,可將卵石散出的熱量再輸送到室內(nèi)。由于被動式太陽能建筑簡單易行,太陽能建筑得到廣泛采用,如多層建筑,通信臺站,民宅等�，F(xiàn)在高層建筑也采用這一原理:將玻璃幕墻分層設置,在外墻樓板上下聯(lián)接處設可控式進出通風口,這樣既采用了太陽能又美化了建筑立面,是太陽能技術的具體體現(xiàn)。
主動式太陽能建筑就是利用機械設備,將收集到的熱能輸送到各個房間。這樣就可以擴大太陽能的吸收面,如屋頂,坡面及院落等處凡是太陽光照射強的地方,都可以作為太陽能的吸收面。同時還可以在需要的地方設置貯熱間。這樣把采暖系統(tǒng),熱水供應系統(tǒng)組合成一體,應用有效的熱能控制設備,使太陽能利用更加合理。
主動式太陽能采暖系統(tǒng)的運行過程是:該系統(tǒng)裝有兩臺風機,一臺是太陽能集熱器風機,另一臺為供熱風機。當依靠太陽輻射直接采暖時兩臺風機同時運行,使房間里的空氣直接進入太陽能集熱器。然后再回到房間,如陰雨天時間較長熱量較低時采用輔助加熱,此時貯熱間不工作。熱空氣系統(tǒng)使用電動風門控制氣流,當直接采暖時空氣控制器中兩個電動風門轉(zhuǎn)向使空氣流入房間位置。在太陽能集熱器出口處設熱水盤管可以使房間的熱水供應系統(tǒng)與太陽能采暖系統(tǒng)成為一體。
當太陽能集熱器收集到的熱量超過房間的需要時,集熱器風機開動而采暖機風機停止。通向房間的電動機門關閉。從太陽能集熱器出來的熱空氣向下流向貯熱間的卵石層,把熱量貯存在卵石里,直至卵石層全部被加熱,使貯熱間蓄熱達到飽和狀態(tài)。進入夜晚沒有太陽輻射時,就要從貯熱間里取熱。此時關閉空氣控制器中第一個電動風門,打開第二個電動風門,啟動供暖風機,使室內(nèi)的空氣循環(huán)由下向上通過貯熱間卵石層加熱,再返回到供暖調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當貯熱間有充足的熱量時,進入空氣調(diào)節(jié)器的空氣溫度只比從太陽能集熱器直接出來的氣溫低一些。這一循環(huán)過程將持續(xù)到貯熱間卵石層的熱量差不放完。然后若是設有附助加熱器時,要啟動附助加熱器。如果貯熱間蓄熱達到飽和狀態(tài)或者夏季無采暖要求時,太陽能集熱器仍然工作,用于加熱使用熱水供給系統(tǒng)。
太陽能建筑種類較多,工作原理基本相似。有的建筑以水為媒介進行熱交換。這樣系統(tǒng)內(nèi)的所有設備在同樣熱效應下,體積減小同時還可以與其它能源共同使用一個熱水系統(tǒng)。這是用水做媒介的最大優(yōu)點。另一種能源是利用地熱做熱源,工作過程是將地下水熱量提取后,通過采暖系統(tǒng)將熱量送到房間,制冷時反向運行,工作原理如同空調(diào)機組。其不足是機組連續(xù)工作時間較長時,熱量可能供應不足。因此在地熱資源豐富地方比較適用。
4能源建筑物的期望
太陽能的集取只能在有太陽的時候才能進行,陰天及夜晚是采集不到熱量的,因此采集的熱量也是有限,但是陰雨天及夜間往往是需要熱量的時間,這就影響了太陽能建筑的發(fā)展。如果把地熱資源與太陽能結(jié)合起來使用,取長補短,采取有效技術措施轉(zhuǎn)換能源,合理的熱控技術,優(yōu)良的熱工材料,那么,環(huán)保節(jié)能的新型建筑會得到大力發(fā)展。由此可見,環(huán)保節(jié)能的應用是一個綜合性很強的技術,要想得到大力發(fā)展還要解決一些具體問題。
4.1節(jié)能措施要切實可行:新能源的利用是以節(jié)能措施為依托的應用,建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能就顯得非常重要。因此,外墻及外門窗,凡是與外界接觸的梁,樓板部部位也要采取保溫,這是冷橋部位�？傊獫M足規(guī)范,規(guī)程及行業(yè)保溫要求。
4.2要解決好熱能綜合利用控制技術;而單獨的太陽能,地熱能的利用都有一定局限性。新能源的利用要根據(jù)當?shù)刈匀毁Y源狀況,進行綜合應用才有效果。再加上必要的輔助熱源,才能保證正常的供熱。而綜合控制技術是根據(jù)建筑物室內(nèi)溫度需求和熱源的供應情況,自動轉(zhuǎn)換對房間的熱量供給,達到溫度的穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)在自動化控制技術的進步,熱工材料,熱交換設備,熱電氣元件功能,解決這些技術是完全可能的。
4.3節(jié)能和新能源中最佳選擇仍然是太陽能,而節(jié)能和太陽能的應用對建筑物的外觀有一些影響,為此在建筑物設計中,處理好建筑物立面,屋頂收集熱源的外觀構(gòu)造,不僅關系到熱效率,同時也是關系到建筑物的整體效果。
目前，太陽能光伏發(fā)電技術與建筑物相結(jié)合研究最多的是建筑光伏一體化系統(tǒng)(BIPV)，該系統(tǒng)能將太陽能發(fā)電機組完美的集成于建筑物的墻面或屋頂上，其工作原理與普通的光伏發(fā)電系統(tǒng)完全相同，唯一區(qū)別是太陽能組件既被用作系統(tǒng)發(fā)電機，又被用作建筑物外墻材料。用于BIPV系統(tǒng)的光伏構(gòu)件既可以是透明的也可以是半透明的，這樣光線依然能透過光伏構(gòu)件進入室內(nèi)，不影響室內(nèi)采光。采用BIPV系統(tǒng)，可就地發(fā)電、就地使用，且具有諸多優(yōu)點：利用太陽作為能源發(fā)電可達到節(jié)能與環(huán)保的要求;節(jié)省了電網(wǎng)投資和減少了輸送損失;彩色光伏模塊可取代昂貴的外飾材料，不僅具有裝飾效果而且降低太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本;緩解電力需求;作為建筑物外圍護具備隔音隔熱的作用;改善室內(nèi)熱環(huán)境。國外對建筑光伏一體化系統(tǒng)的研究已有較長時間，但目前還處于建造實驗房的階段，美國、歐洲、日本均推出了BIPV系統(tǒng)的國家發(fā)展規(guī)劃;國內(nèi)上海交通大學太陽能研究所進行了該方面的研究，試制了太陽能光伏屋頂一體化系統(tǒng)，建造了一個生態(tài)能源房。建筑光伏一體化系統(tǒng)成本較高，短時期內(nèi)在建筑中難以應用，其高額成本主要源自光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)價格較高，并不存在太多設計上的難度。
綜上所述,建筑節(jié)能是技術進步的重要標志,新能源利用是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),也是世界上所有國家采取的節(jié)能措施。在今后的發(fā)展中,太陽能的應用和新型的節(jié)能建筑,只能以最低的能量消耗,使居住環(huán)境更舒適,更清浩,而節(jié)能及社會效益更好。