可再生能源在超低能耗建筑中的应用研究

文丽

（太原学院建筑与环境工程系 山西太原 030032）

伴随着建筑能源消耗问题逐渐被更多人关注，建设绿色建筑的需求程度日渐增长，行业内的技术研发人员以超低能耗甚至是零能耗为建筑结构、系统和体系的设计目标，引入多种资源类型。而可再生能源因其能够循环利用，现已成为可利用资源的重点研究对象。可再生能源包含水能、生物质能、海洋能、风能、地热能、太阳能。在建筑领域太阳能、风能、地热能的应用较为广泛，技术人员通过设计各类建筑系统结构，从能源利用端着手，降低建筑能耗，满足超低能耗建筑建设需要。

1 太阳能在超低能耗建筑中的应用

太阳能占据可再生资源中的绝对比例，其来源较为丰富，且转化为其他能量的过程中无污染风险，属于最为常见的绿色能源之一。现阶段，太阳能应用于超低能耗建筑中主要以空调和供电系统形式发挥作用，下文将予以细致说明［1］。

1.1 太阳能空调

1.1.1 暖通空调

暖通空调的应用是在太阳集热器的热能收集与转化作用下，为系统提供运转动能的过程。共分为2 种形式：①主动式，即以供电技术作为辅助技术手段，通过设计构建热水循环泵系统为建筑不断供热；②被动式，即借助科学建筑空间规划技术，收集利用外部环境中的太阳能，从而达到供暖目标。

以某太阳能暖通空调为例，说明其太阳能的具体应用方式。此太阳能暖通空调的运行原理见图1［2］。

图1 太阳能暖通空调的运行原理图

整个暖通空调系统中的阀组均为通断型阀组，生活热水热泵机组和供暖空调热泵机组共同作用，达到制冷制热机组稳定运行的效果。在接收太阳能后，基于太阳能光生伏特效应使得PVT 组件阵列能够实现能量转化，太阳能转变为电能。直流电流流经逆变器将转变为交流电流形式，以此与国家电网连接，实现从电网取电维持第一二水泵、生活热水热泵机组和热泵机组正常运行的目的。

在所设计的太阳能暖通空调基本结构的支持下，能够切换不同工况：

（1）供热源为PVT 热泵：此种模式主要在供暖季开启，在PVT 组件阵列的温度触及开启临界点后，系统开启第一二水泵、第一二五阀组、供暖空调用户末端和供暖空调热泵机组。

（2）供热源为土壤源热泵：此种模式主要在供暖季开启，并通过开启第一二水泵、第二四五七八九阀组、供暖空调用户末端和供暖空调热泵机组实现。

（3）制冷源为土壤源热泵：此种模式主要在供冷季开启，通过开启第一二水泵、第二四五七八九阀组、供暖空调用户末端和供暖空调热泵机组实现（土壤源热泵供暖模式和土壤源热泵供冷运行模式原理见图2）。

图2 土壤源热泵供暖模式和土壤源热泵供冷运行模式原理图

（4）PVT 土壤补热：此种模式在非供暖季开启，在PVT 组件阵列的温度触及开启临界点后，系统开启第一水泵、第一三七八九阀组。

（5）PVT 热泵供生活热水：此种模式为全年开启状态，在PVT 组件阵列的温度触及开启临界点后，系统开启第一水泵、第一六阀组以及生活热水热泵机组。

（6）土壤源热泵供生活热水：此种模式为全年开启状态，通过开启第一水泵、第四六七八九阀组以及生活热水热泵机组实现［3］。

以上运行模式的开闭要结合土壤温度变化、PVT 组件阵列温度变化和外部环境温度变化情况而定，具备运行稳定性高、用电能耗低、太阳热能和土壤热能提取利用率高的特点，符合超低能耗建筑暖通空调系统的应用需要。

1.1.2 冷凝水分级回收空调

我国部分地区的淡水资源较为匮乏，普通城市建筑中水源多来自于市政自来水，大量用水将加大用水压力，因此为提高供水系统的稳定性，设计应用冷凝水回收空调系统十分必要。目前，常见的空调机组在处理冷凝水方面以直接排放室外为主，对冷凝水的利用率较低。部分空调机组应用冷水喷淋至蒸发冷凝器的方式达到能耗降低目的，但此种方式并未将其余冷量有效利用，不满足超低能耗建筑建设的要求［4］。因此，通过与建筑维护结构相适应，设计光-电太阳能板将减小不可再生能源消耗，有助于全面降低建筑能耗。

以某光-电太阳能板与建筑围护结构联合应用的空调系统为例，说明冷凝水回收系统的实践应用。此系统包含辅助电源、控制主板、光-热太阳能集热器、光-电太阳能板、空调室内机组模块。其中，空调室内机组模块中设有驱动泵组和电磁阀组，驱动泵和电磁阀的数量分别为4 和9 个，共同组成冷凝水回收管路。脱盐箱中的离子反渗透膜为关键过滤除盐结构，当水流经此处后，符合反渗透膜粒径范围的微粒通过，其他微粒被隔离。逆变器的外表面与蓄电池组均与容纳槽内部紧贴，共同设置在低温储水箱下侧。紧密贴合的连接状态将在低温水箱箱中流动冷凝水时，将所产生的热量带走。电磁阀、饮用水箱置于应用水管路内部，与生活水管路中的电磁阀、生活热水箱组成整体管路，与脱盐箱连接。初级过滤器的作用是初步净化空调机组产生的冷凝水，并在回收管路处汇集。受电磁阀控制由驱动泵提供的压头，完成初处理冷凝水进入低温储水箱的动作［5］。光-热太阳能集热器与热水锅炉通过输水管路连接，锅炉中的小型循环水泵可加热水箱和光-热太阳能集热器，空调调控人员根据操作界面所显示的蓄电池剩余电量、蓄电池表面温度、逆变器表面温度、水箱温度、水箱水位等信息，判断当前空调机组的运行情况。

将以光-电太阳能板为能量来源的带有冷凝水回收系统的空调机组应用于建筑工程中，其可实现溢流工况、制水工况和辅助工况。其中，溢流工况是在低温储水箱中水位达到极值后，将存满信号传递给内部的传感器，传感器向系统控制中心发出信号，开启处于溢流管处的电磁阀，排出多余冷凝水，保持低温储水箱的吸热效能。

制水工况是在控制主板接收到室内机组给出的启动信号后，开启控制驱动泵，启动空调系统和冷凝水收集处理系统，回收管路处汇集冷凝水，并经由驱动泵、电磁阀和初级过滤池汇入低温储水箱。进入储水箱的冷凝水在二次过滤的作用下，经活性炭过滤器输送至太阳能热水锅炉，通过煮沸蒸腾作用，将冷凝水中的细菌病毒杀死［6］。此环节的能量提供为光-热太阳能集热器设备，蓄电池维持电路供电能力。继续流入至脱盐箱后，冷凝水转变为可供盥洗和饮用的精加工水。

辅助工况是在低温储水箱出现沽空情况后，传感器接收水位过低信号，将其作为控制命令，执行关闭储水箱电磁阀的命令。

1.2 风力-太阳能光伏供电系统

当下建筑节能降耗的一大方向为形成一体化能源控制利用结构、将能源的作用发挥到最大、设计互补供能的体系。其中，风光互补供电系统的设计与应用是研究的重中之重。

以某风力-太阳能光伏供电与建筑结合的形式为分析案例，说明风能和太阳能如何与建筑形成一体化运行体系。首先，此系统由放电控制器、逆变电源、蓄电池组、太阳能电池组和风能发电机组成。在充电控制器的控制下，蓄电池组中的电能来源于太阳能电池组和风力发电机，经直交流转换后，逆变电源输出交流电流，经由配电器分配给建筑内的所有用户。其中，风力发电机由发电机、尾翼、风架和支架构成，启动风速为3 m/s，额定风速为40 m/s，风速可处于3～25 m/s 的范围内，风力直径约为2 m，输出电压为AC 24 V/36 V，输出额定功率为150 W。风力资源聚集地处将尾翼和风桨固定。太阳能电池组的主要材料为单晶硅，该模块的输出功率为150 W，空载电压处于30～40 V 的范围，短路电流为5 A。蓄电池组的容量为300 Ah，工作电压为24 V，主要材料为铅酸。逆变电源是将直流电流转变为交流电流的核心组件，组件中包含CPU 控制、保护电路、逆变电路和滤波电路［7］。

实际应用中应当从光伏建筑一体化和风能建筑一体化2 方面予以细致探索。设计安装光伏器件的工作质量将决定一体化水平，通过在建筑外表面安装光伏器件的方式，搭建光伏墙和光伏屋顶，形成建筑体与太阳能有机结合的整体结构。光伏墙指的是在外墙表面安放电池组，组合成幕墙结构，一般设置在南墙面，充分利用此方向上采光的优势。并将光伏组件外表面设计为半透明或透明材料，调整组件间距，防止过密影响透光效果。光伏屋顶的设计安装是将太阳能电池组置于屋顶防水层上，组合成阵列，提高太阳能接收水平。光伏列阵架设于外维护结构上，吸收散射光和直射光，在不浪费土地资源的基础上，为低层建筑住户采光效果提升起到促进作用。而光伏组件在吸收太阳能后，经供电系统转变为电能，可供整栋建筑人员使用。

风能建筑一体化设计主要是在遮阳结构、屋顶、玻璃窗和墙体上融入光伏组件，在绿地、前后院等位置设置风能组件。且风能组件一般设在距离主体建筑有一定距离的位置，不仅解决因组件过大、美观性无法保障的问题，还能够避免受到建筑体风能阻挡作用的影响，提高可利用风能的水平。建筑高度与风能资源间具备正相关关系，建筑体高度越高，高处可利用的风能总量越大，因此，要将风能组件安装于屋顶。由于城市建筑以集群方式存在，整体密度较大，对风能利用起到抑制效果。如此，要将风电机组按照风道垂直方向设立，配合风场分布状况，确定安放位置。

为实现一体化供电系统建设目标，在系统运行层面要秉持着安全稳定原则，所形成的系统结构要方便检修和后续维护工作开展，着力应对公共电网并网难题，为系统增添自动化和智能化色彩；在结构层面，要根据建筑体承重和防水性能，探究自然灾害对电池板的冲击作用，考量现有结构的抵御能力，以此正确安装光伏电池板；在管路层面，要注意控制管路运行后的可能损失，通过预留太阳能管路的方式，避免电量损失过大；在外观层面，要结合建筑体的结构形态，从美观角度考虑如何在不遮挡视线、不损害外观整体性的基础上，确定光伏电池板的安装地点。

2 自然通风系统

对于高层建筑来讲，通过布控空调机组的形式调节室内温度和湿度将加大建筑体总体能耗，为此，应用自然通风系统可在室内创设良好舒适的半户外环境，降低空调系统的使用频率，以此降低总体能耗。

结合风廊对内外风环境的作用机理，设计满足不同建筑结构的风廊，置换室内污浊空气的同时，将热量带走，调节室内温度和湿度，为建筑内部热舒适性目标达成给予支持。具体按照图3 所示充分利用自然风，为建筑内外风环境优化提供支持。

图3 建筑办公室室外及室内风廊模式示意图

图3 中，（a）为风廊贯通建筑，背风面和迎风面在气流连接下贯通，适用于炎热天气，具备半室外活动环境的特点；（b）为室外与中心竖高庭连通的形式，通过设置多个水平廊道，室外风可从不同方向进入到室内；（c）为风廊中心布置形式，室外与室内连接依靠进出风口，风口设置在单元顶端和底端；（d）为风廊外围散布形式，适用于风向多变的建筑体中。此种风廊对于提升热压通风效率起到促进作用，太阳能烟囱的形成支持热压通风效率的提升；（e）为垂直风廊与水平风廊相互作用的形式，热压与风压共同作用，形成协同效应。依据风向条件选定风口的具体朝向。

3 结语

综上所述，太阳能、风能是可再生能源应用于超低耗能建筑结构中的两大能源类型。为保证建筑体能耗降至最低，利用太阳能设计光伏板，铺设于建筑体上，不断为建筑提供电能；利用太阳能设计无需电能驱动的空调机组，节约电能，并通过设计应用冷凝水回收系统，提高水资源利用率，契合超低能耗建筑运行特点。利用自然风设计满足建筑不同结构环境的风廊，充分借助自然风，调节室内温湿度，力求降低建筑整体能耗。