浅谈建筑可再生能源的运用

浅谈建筑可再生能源的运用

沈颖

浙江建院建筑规划设计院310000

摘要：可再生能源在建筑中的应用不仅仅是设备工程师的职责，建筑师也应当发挥更加积极的作用。因为，建筑师的设计手法很大程度上决定了可再生能源的利用条件和利用方式。能源危机的日益加重，使世界人们都加重了对节能技术的应用，近年随着建筑行业的快速发展，在建筑行业上的能源消耗也在日益增加，可再生能源在建筑行业中的应用已经迫在眉睫。下面就可能对建筑外观和内部形式造成影响的风能、太阳能、地热能三种可再生能源进行简要的叙述和分析。

关键词：可再生能源、风能、太阳能、地热能；

一、风能的运用

对风力的利用可以追溯到公元前5000年埃及人的航海活动，后来人们利用风力汲水、研磨谷物等，不少这类装置至今仍在使用。在近代，上世纪上半叶出现了风力涡轮机，可以为偏远地区提供电力；大型的“风力农场”则产生于上世纪后半叶。建筑上一般采用小型或微型风力发电机，这类产品在我国已经有较为成熟的技术，目前主要供应没有电网连接的偏远农村使用，而在我国城市，很少能够看到风力发电机的影踪。以现在的技术水平和人们观念的接受程度，风力发电机完全可以在都市中找到一席之地。在加拿大多伦多，安装在国家展览馆的风力发电机至今已经生产了超过100万KWH的绿色电能，并且成为该市一座新的地标；在日本，近年来开发出的专用于写宇楼、商店和家庭使用的“小型微风风力发电机”正在向社会大力推广，只要有能使树叶摇动的微风(2m/s左右风速)，就能使发电机工作。用于建筑的小型或微型风力发电机，风车高度3一5m，叶片直径2一4m，非常适合夜间建筑亮化照明等用途。

如果在建筑设计中采用风力发电系统，需要了解建筑所在区域的风力资源情况，同时还要考虑设备噪音问题是否会给周围社区带来影响(噪音是限制风力发电机在城市发展的重要因素之一，幸运的是，目前已经有“静音”型产品问世)。由于风轮机的输出功率与风速的立方成正比，因而风力发电机常常被安装在屋顶上，建筑师必须考虑工业产品的风轮机如何与建筑物的造型、风格相协调。对风力发电机进行造型设计，利用横轴或是纵轴、叶片数量与翼展的变化，可以设计出造型优美、雕塑般的风力发电设施。在建筑设计中若采用风力发电系统，那么为了使建筑能够利用风压获得良好的自然通风效果，需要在设计初期阶段搜集详细的气象统计数据，并对场地进行调研，掌握局部风环境的情况。场地风速频率、平均风速、风向分布、无风日数，以及场地周边的建筑、植物分布情况都对通风策略的制定产生重要影响。到了详细设计阶段，则可以利用计算机或者风洞试验对通风进行模拟，获得简化的风压分布图，从而帮助建筑师调整建筑开口部位或对建筑体形进行优化。如，在一定高度的空中风速较大，利用这一特点，在高层及超高层建筑中结合建筑造型，在角部设置风力发电设备，将对整个建筑的用电进行一定的补充。而获得的风压分布图，也可以帮助设计利用热压通风时，计算“中性面”位置，使通过调整开口高度、位置等方法，改变中性面高度。从而使得更多的房间获得良好的通风效果。

二、太阳能的运用

太阳能是绿色可再生能源，它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，它将是人类最终可唯一倚赖的能源。实际上，早在公元前2800年左右，埃及的神庙设计就将阳光的朝向作为基本的设计准则。中国古代建筑也以一种朴素、自发的形式利用太阳的光和热:南北向的布局、较大的开窗、深挑檐……20世纪初期，人们对工业革命以后的建筑进行反思，新建筑强调了对充足阳光和新鲜空气的重视，以预防当时流行的结核病。40年代到50年代是主动式太阳能技术研发的鼎盛时期。70年代石油危机的背景之下，被动式太阳能技术终于作为独立的概念被提了出来，同时主动式太阳能技术、太阳能光电技术也有了很大进展。

我国地处北半球，南北从北纬4。~52。5。，东西自东经73。~135。。全国各地的年太阳辐射总量为931~2334kwh/mZ，中值为1633Wh/mZ，年日照时间大于2O00h的地区约占全国总面积的三分之二，是个太阳能资源相当丰富的国家，具有利用太阳能的良好条件。在建筑上采取被动式太阳能技术，建筑师应对建筑进行规划设计:不仅应了解建筑所在区域的太阳辐射量，而且应当通过现场勘察，得到周边建筑及植物可能的遮挡情况(采光面或集热器在采暖季节要避开这些遮挡)，对数据进行收集。通常，采光面或集热器应当尽量朝南，但需要具体情况具休分析，例如早上很早就需要采暖而傍晚和晚上不需要采暖的小学校，南偏东的朝向较好；在有晨雾和多云的地区，以及主要在晚间使用的建筑，可以采用南偏西的朝向。而开窗面积应当根据采暖季节和制冷季节性能的热平衡来决定。太阳能集热装置如何与建筑一体化是近年来的一个热点问题。国外近年来出现了一些能够与建筑外墙、窗户完美结合的集热系统，由于这些装置是与建筑构造一起考虑的，所以建筑的整体感很强。

加拿大多伦多郊外的青少年活动营地上有两幢节能建筑，由多伦多大学西蒙(Simon)教授设计。设计的指导思想是让青少年了解人类如何应用自然资源，它的最大特点是充分利用太阳能并把节能与环保结合起来。第一幢是外形新颖、色彩明快、富有雕塑感的建筑，建筑面积380m2。南向采用大面积玻璃斜屋顶。该建筑所需能量70%来源于太阳能，30%是外界的电力支持。由于室内太阳光大面积的照射，能量的吸取很充足，冬季室内在没有空调的情况下，温度可保持在20℃左右，完全可以满足住户及活动者的需求。一套恒温器控制能量的储存和转换，太阳能热水器供应热水。在外窗的顶上配有遮挡装置，由多块百页形的挡板组成，冬季可拉上去，夏季可放下来。窗户设有三层玻璃，在玻璃之间充氨气。木质架空地板层厚700一800mm，上铺10mm厚的橡皮地毯，下面做绝缘层，起隔热作用。夏天晚间通过地板下的5根通风管道把房间多余的热散发出去。第二幢节能建筑隐藏在绿树丛中。西蒙教授将建筑的一半埋在土里，屋顶局部外露，其他都被泥土、绿化、树木所覆盖，冬暖夏凉。该建筑除了利用太阳能外，还有粪便、污水的处理设备，它的工作程序是:粪便一封闭式蓄粪池一细菌分解一净化一滤化一重断使用。以上程序运行中配有抽风系统，使位于地下室的排污和化粪设施，没有任何气味。污水的处理是一个生化过程，用海棉吸附的方法，成本非常低。另外，该幢建筑的地下室设有自动配电盘，蓄电池可将太阳能转化为电能蓄存在蓄电池中。该幢建筑把太阳能利用、建筑节能和环境保护有机地结合在一起，这种节能建筑目前为数并不多，它的设计是成功的。对我们是一个很大的启发和促进。

三、地热能的运用

地热资源按温度有低中高之分，地热界把低于90℃的划为低温地热，90℃一150℃为中温，150℃以上为高温。中高温地热可以用于发电，如我国西藏羊八井即建有地热电站，我国云南西部和台湾地区也蕴藏有此类资源。地热一词曾同时被用来描述两种完全不同的能源系统—从地球深处采集的热能和利用地表下的土层作为冬天的热源和夏天的热库，其中后者现在已经被更为准确地称为“地源热”。在建筑上考虑运用的地热也通常指后者。目前，地源热泵是建筑中最常见的利用地热的方式。地下浅表层的低温热能被热泵抽取，供建筑采暖和制备热水，夏季反过来建筑向土地(或水)排放热。由干电能在这个过程中只用来抽取热里，所以能够大幅度地降低能耗。地源热泵的技术路线分为两种:土—气型地源热泵技术和水—水型地源热泵技术，前者从浅层土壤或地下水中取热和排热，通过分散布置于各个房间的热泵机组直接转换成热风或冷风；后者从地下水中取热和排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各房间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。地源热泵的技术决定了在采用地源热泵时，要对场地进行周到的考虑:地源热泵通过在建筑物周边土地打竖井或是挖深沟(当采用卧式环路系统时)、直接抽取地表水(当周边有水温、水质、水量符合要求的可用地表水时)输送到板式换热器，将盘管直接放入河水或湖水中(水温、水质、水量符合要求)等几种方式进行热交换，无论那种方式都必须对场地及周边的水文地质情况进行详细的调查，看是否有可利用的条件。如果采用第一种方式，建筑周围要有足够空间(空地、停车场等)进行埋管，如果采取第二三种方式，需要设计合理的取水构筑物，这都影响到场地规划设计。同时，若采用地源热泵，由于地源热泵的末端装置会影响室内的造型与空间设计，所以建筑师在采用地源热泵的建筑设计中必须对此进行整体考虑。如地源热泵的末端装置常见的有风机盘管，可采用辐射吊顶，但采用辐射吊顶必须注意克服夏季吊顶表面结露问题。

四、总结

建筑物是人类日常生活、生产、娱乐和工作的主要场所，建筑物建设中所耗费的能源在整个社会能源消耗中占有重大比例。因此，在施工建设之初，必须要深入了解建筑设计的可行性和能源应用的再生性，并对两者之间的关系做研究，这样才能充分发挥能源应有效果，减少能源消耗，提高企业经济效益的同时保证企业社会效益。