生态建筑能源利用技术的探讨★

2012-08-15杨卫波

山西建筑 2012年33期

李琪杨卫波*

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127;2.扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州 225127)

0 引言

伴随着社会进步及经济发展所带来的生态平衡的严重破坏，人类在满足自身发展的同时力求寻找到一种人、自然与社会和谐共生的可持续性生存环境。建筑业作为人类对自然资源、生态环境影响最大的活动之一，同样面临着可持续发展的问题，由此而引发的将可持续发展思想融入建筑设计中的生态建筑渐成为社会各界人士共同关心的一个热点。

本文拟从能源利用技术的角度对生态建筑进行探讨，以为其实际应用起到抛砖引玉之功效。

1 生态建筑

生态建筑是从生态学的角度来考虑建筑设计，是生态学与建筑学两大学科相结合的产物。生态建筑就是用生态学原理和方法，以人、建筑、自然和社会协调发展为目标，有节制地利用和改造自然，寻求最适合人类生存与发展的生态建筑环境，将建筑环境作为一个有机的、具有结构和功能的整体系统来看待［1］。生态建筑设计的最终目标就是要实现资源的有效利用、舒适健康的生存环境及建筑的可持续性。

2 生态建筑与能源

能源是人类赖以生存与发展最重要的物质基础，而建筑能耗是能源消费构成的重要部分，占相当大的比重。因此，在能源如此短缺的今天，在能耗占社会总能耗比例如此之大、能源消耗带来环境污染问题如此严重的建筑领域必须重视建筑节能技术，并大力提倡以绿色、生态及可持续性为标志的生态建筑能源利用技术，以实现建筑、能源、环境及社会的可持续发展。能源系统设计作为生态建筑研究中的重要组成部分，其能源利用的可持续性既是生态建筑从理论走向实践的必经之路，也是生态建筑要实现的主要目标之一。

3 生态建筑中的能源利用技术

3.1 生态建筑能源利用技术的层次性

生态建筑能源利用系统是在综合运用各种能源技术后形成的一个综合能源技术集成体，其品质的好坏在很大程度上取决于所选用的各种能源利用技术的层次性。根据复杂难易程度，可以将生态建筑能源利用技术分为以使用简单与常规技术为主的低技术与采用最新科技与高新技术的高技术两个层次。前者属普及型的生态建筑能源技术，如各种形式的被动太阳能利用技术及地热能直接利用技术等;后者多属研发型能源技术，如以太阳能作为能源的太阳能热泵、制冷、空调及发电技术与地源热泵等。生态建筑能源利用技术层次性的选择应根据当地的具体情况，综合考虑经济与社会效益来决定，其选择的原则是要寻求经济增长与生态环境效益的综合平衡。

3.2 生态建筑中可利用的能源形式

3.2.1 太阳能

太阳能是目前生态建筑中应用最成熟的一种能源形式，主要可分为被动式与主动式利用两种形式，其中前者是指不需要辅助动力及能源转换装置直接对太阳能加以利用的方式。后者主要是指需要各种动力或能源转换设备的太阳能利用系统。被动利用技术多属于成熟的低技术，但因其简单、造价低及效果明显而在当今生态建筑领域得到广泛应用。主动利用技术多属高技术形态，需要复杂的技术与设备作为支持，但其对于开发利用不能直接使用的太阳能资源及转换太阳能形式以拓宽其应用领域等方面均具有重大的意义，因此具有很好的发展前景，目前在高技术生态建筑中应用广泛。

3.2.2 地热能

地热能主要是指来自深层地壳内部的可开采的中高温可再生热能和源自吸收太阳辐射能的温度较低的地表热能。根据是否需辅助耗能设备对能源品位进行提升或转换，地热能在生态建筑中的应用可分为直接与间接利用两种形式，前者主要包括利用地温恒温特性的覆土建筑、利用地下风道对室外新风进行降温加热的地下空调、利用地下水直接进行采暖与降温的地下水空调、利用地下土壤(或岩石)进行(太阳能)季节性储能技术等;后者主要包括利用地表土壤(或水)中能量的各种形式地源热泵及利用地下深层中高温地热水(或蒸汽)的地热发电技术等。直接利用形式多属于低技术层次，而间接利用形式中的地源热泵技术是伴随着能源危机而在近期才出现的，属于高技术层次，正处于研究与推广阶段。

3.2.3 风能

风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀而引起各地温差和气压不同导致空气流动而产生的能量。利用风力机械可将风能转换成电能、机械能和热能等。风能利用的主要形式有风力发电、风力提水、风力致热及风帆助航等，其中风力发电是目前应用最广泛、近年来发展最快的新能源和可再生能源利用形式，许多国家都制定了相应的发展规划与激励政策。风能在建筑能源中的应用是有待进一步研究的建筑节能技术。

除了风能发电外，如何将风能转换成热能并用于建筑物采暖与降温等是一项崭新的生态建筑能源利用技术的研究课题，有许多难题有待于解决。

3.2.4 生物质能

生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的一种能量。其利用方式主要有直接燃、热化学转换和生物—化学转化三种，其中直接燃烧法在今后相当长时期内仍将是我国农村生物质能利用的主要方式。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居世界能源消费总量第四位的能源。

3.2.5 海洋能

海洋能是指蕴藏在海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、海水温差能及海水盐度差能等不同的能源形态。海洋能按储存的能源形式可分为机械能、热能和化学能，其中潮汐能、波浪能、潮流能、海流能为机械能，海水温差为热能利用，盐度差为化学能。海洋能技术是指将海洋能转换成为电能或机械能的技术，对于靠海地区，大力开发海洋能具有重要的意义。

3.3 生态建筑中常用的节能与生态元素

3.3.1 太阳能强化通风构件

太阳能强化通风构件是最为经典的被动式太阳能利用技术，且因其设计简单、造价低及效果明显等优点而颇受建筑设计者的青睐，近年来已成为生态建筑能源系统设计中一个必备的节能与生态元素。目前比较流行的太阳能强化通风构件有特朗伯墙、太阳能烟囱及屋顶式太阳能集热器。其中前者发展最早，后两者都是在前者的基础之上发展起来的。其原理都一样，均是利用太阳能加热夹层空气而产生热压来驱动空气的流动，从而起到强化通风(夏季)或给室内供暖(冬季)的效果。

3.3.2 生态幕墙系统

生态幕墙系统是当今生态建筑中普遍采用的一项先进技术，并被誉为建筑“可呼吸的皮肤”或“生物气候缓冲层”。它主要是针对以往玻璃幕墙能耗高、室内空气质量差等问题，采用双层体系作为建筑围护结构，提供自然通风、采光、增加室内空气舒适度及降低能耗，从而较好地解决了自然采光和节能之间的矛盾。生态幕墙的主要功能是在满足室内采光要求的前提下达到节能、通风、改善室内空气品质、隔音及建筑美学要求。

3.3.3 建筑中庭

建筑中庭是指建筑的一面或多面采用玻璃与室外隔断的半室内半室外建筑空间，在某种程度上也可以将其理解为一种扩大了的“双层皮”幕墙体系。它作为一种广受欢迎的集休闲、娱乐、购物、交通及餐饮等于一体的多功能公共建筑空间，在当今高技术生态建筑中得到广泛应用。中庭空间在吸收太阳辐射、改善自然采光、促进室内通风及缓冲室外气候的影响等方面的生态效应也逐渐被人们所认识。中庭往往被设计成一个被动式太阳能的调节空间，把它作为温室，成为室内生态区的一部分。中庭空间不仅是现代建筑室内的精彩演绎，也是生态建筑中重要的生态与节能设计策略。

4 生态建筑综合能源利用系统设计的原则与目标

生态建筑综合能源利用系统是依据各地具体情况，综合采用各种能源技术与形式的集成体。其设计宜采用被动与主动技术、低技术与高技术相结合，以优先采用被动与低技术为主，并在此基础上考虑主动与高技术层次能源技术的设计原则。在能源技术层次的选择上，还要考虑生态建筑本身的定位，如属低技术的生态建筑，则宜以低层次的能源技术为主，如属高技术则有必要采用一些当代高技术层次的能源技术手段。在能源形式与种类的选择上，要因地制宜，以选取当地最适宜的能源形式为宗旨。

生态建筑综合能源利用系统的最终目标是在保证与环境和谐共处的前提下，用最少的常规能源消耗来为人们提供一个适宜的生存空间。