幾種主要建筑節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與前景

1、幾種主要建筑節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀與前景1引言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，人們在追求更加舒適的居住環(huán)境的同時，也在消耗著越來越多的能源。據(jù)文獻報道，在發(fā)達國家，建筑能耗約占總能耗的40，在我國，這一比例為25左右，居各種能耗首位，其中50以上消耗在冬季采暖和夏季制冷空調(diào)上。隨著世界范圍內(nèi)能源供應(yīng)緊張狀況日益加劇，能源將成為制約各國經(jīng)濟的主要因素。為此，我國提出了社會經(jīng)濟和能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，建設(shè)節(jié)約型社會，在實現(xiàn)國民經(jīng)濟快速發(fā)展的同時努力降低單位GDP的能源消耗。而建筑行業(yè)作為耗能大戶，節(jié)能潛力巨大，大力發(fā)展和推廣外墻保溫、太陽能光熱和光電、地源熱泵、熱管和相變蓄熱材料等新型建筑節(jié)能技術(shù)，在

2、不斷提高人們居住環(huán)境舒適度的同時，降低建筑耗能總量，有效緩解能源的供需矛盾，既具有實際經(jīng)濟意義，又具有重要的社會意義和環(huán)保價值。2外墻保溫技術(shù)20世紀(jì)90年代初，外墻保溫技術(shù)開始在我國推廣使用并表現(xiàn)出良好的保溫和節(jié)能效果。其主要方法是在建筑物基層墻體的外側(cè)設(shè)置保溫層(一般為厚度60mm的聚苯泡沫板)，在保溫層外面做裝飾層?；鶎訅w和聚苯板之間用專用粘接劑連接，聚苯板用尼龍錨栓固定，然后在保溫層外抹聚合物水泥砂漿保護層，并壓人耐堿涂塑玻纖網(wǎng)格布，最外層用抗裂膩子和涂料找平和裝飾。2.1外墻保溫技術(shù)的優(yōu)點根據(jù)對外墻保溫技術(shù)實際使用效果進行測試，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有如下優(yōu)點：(1)節(jié)能效果明顯。由于保溫層

3、的敷設(shè)具有連續(xù)性，可以避免傳統(tǒng)墻體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱橋現(xiàn)象，而且聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)較小，只有0.041W/(m·K)，能夠有效地減少室內(nèi)的熱損失和冷損失。采取該保溫措施后，在冬季比較寒冷的東北地區(qū)，居住建筑的節(jié)能效果可以達到50，在北京地區(qū)則能達到65；(2)可以減薄墻體厚度和減輕墻體的重量，從而增大房屋的使用面積。采用外墻保溫技術(shù)后，在滿足節(jié)能要求的前提下，可以使普通磚墻的厚度從490mm減薄為320mm，從而增加使用面積24，同時也節(jié)約了土地等資源的消耗；(3)能夠增加室內(nèi)環(huán)境的舒適度，并能延長建筑物的使用壽命。由于采取了外保溫技術(shù)，使得墻體的蓄熱功能增大，當(dāng)室外溫度發(fā)生變化時，復(fù)合墻

4、體的蓄熱可以緩沖室內(nèi)溫度的變化，使人感到相對舒適；而且由于基層墻體的溫度變化變得比較平緩，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也大大減小，使得基層墻體產(chǎn)生裂縫和變形的可能性降低，因此能夠延長建筑物的使用壽命；(4)施工工藝簡單，使用范圍廣泛。該技術(shù)既適用于多層建筑，又適用于高層建筑；既能滿足新建筑物的節(jié)能要求，也能滿足舊建筑的墻體改造；通過采取一定的技術(shù)措施和工藝，還能滿足建筑立面設(shè)計的裝飾要求。2.2外墻保溫技術(shù)的缺點雖然該技術(shù)具有上述許多優(yōu)點，但在使用中也發(fā)現(xiàn)存在著一定的問題，主要有：(1)和普通墻體結(jié)構(gòu)相比造價較高。由于該技術(shù)還沒有在大范圍推廣使用，受批量和原材料的影響，主材聚苯板和輔材粘結(jié)劑、抹面膠漿等材料的

5、價格還比較高，因此綜合造價也比較高。根據(jù)地區(qū)不同，采用外墻保溫技術(shù)和普通墻體結(jié)構(gòu)相比，每平米外墻的造價要偏高3040；(2)對主輔材料之間的匹配要求比較高，工序較多，工期較長。為保證工程質(zhì)量，采用的聚苯板和粘結(jié)材節(jié)能料、錨固材料和外層涂料之間必須有較好的相容性，而且施工工序也比較多，施工周期也相對較長。雖然外墻保溫技術(shù)在推廣和應(yīng)用中還存在著不足，但隨著技術(shù)的不斷完善和國家對建筑節(jié)能要求的不斷提高，一定會得到更加廣泛的應(yīng)用。3太陽能光電和光熱技術(shù)太陽能作為清潔的可再生能源，越來越受到人們的重視，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，我國2/3以上國土面積的年日照時間在2200h以上，年輻射總量在502萬

6、kJ/m2以上，為太陽能的利用創(chuàng)造了豐富的資源和有利條件。根據(jù)太陽能的特點和實際應(yīng)用的需要，目前在建筑節(jié)能方面的應(yīng)用可分為光電轉(zhuǎn)換和和光熱轉(zhuǎn)換兩種形式。3.1太陽能光電技術(shù)太陽能光電技術(shù)是指利用太陽能電池將白天的太陽能轉(zhuǎn)化為電能由蓄電池儲存起來，晚上在放電控制器的控制下釋放出來，供室內(nèi)照明和其他需要。太陽能光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、負荷等部分組成。其中，光電池組件由多個單晶硅或多晶硅單體電池通過串并聯(lián)組成，其主要作用是把光能轉(zhuǎn)化為電能；充放電控制器主要用來控制蓄電池的充電和放電，并具有反向放電保護功能和極性反接電路保護功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集；蓄電池為系

7、統(tǒng)的儲能設(shè)備，它的主要作用是將太陽能電池所產(chǎn)生的電能儲存起來，在用戶需要時提供能源。3.2太陽能光熱技術(shù)太陽能光熱技術(shù)是指將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能進行利用的技術(shù)。太陽能光熱技術(shù)的利用通常可分直接利用和間接利用兩種形式。常見的直接利用方式有：(1)利用太陽能空氣集熱器進行供暖或物料干燥；(2)利用太陽能熱水器提供生活熱水；(3)基于集熱一儲熱原理的間接加熱式被動太陽房；(4)利用太陽能加熱空氣產(chǎn)生的熱壓增強建筑通風(fēng)。圖2所示為被動式太陽房結(jié)構(gòu)剖面圖。目前技術(shù)節(jié)能環(huán)保比較成熟且應(yīng)用比較廣泛的是蔬菜溫室大棚、中藥材和果脯干燥及太陽能熱水器等。其他幾種技術(shù)還處于研究開發(fā)階段，且由于一次性投資較大，要想走

8、向市場和大范圍推廣尚需時日。太陽能間接利用的主要形式有：(1)太陽能吸收式制冷；(2)太陽能吸附式制冷；(3)太陽能噴射制冷。但目前也還處于研究階段，有的僅僅制造出了樣機，尚未形成定型產(chǎn)品和批量生產(chǎn)。3.3太陽能光熱和光電技術(shù)的優(yōu)點太陽能作為一次能源和可再生能源，和傳統(tǒng)化石燃料相比有如下優(yōu)勢：(1)對環(huán)境沒有污染由于傳統(tǒng)化石燃料(煤、石油和天然氣)在使用過程中排出大量的有毒有害物質(zhì)，會對水、土壤和大氣造成嚴(yán)重污染，形成溫室效應(yīng)和酸雨，嚴(yán)重危害到人類的生存環(huán)境和身體健康，因此急需開發(fā)出新的比較清潔的替代能源，而太陽能作為一種比較理想的清潔能源，正受到世界各國的日益重視。(2)可以源源不斷地獲得。

9、太陽是一個巨大的能量源，每秒輻射到地球上的能量相當(dāng)于500萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，和人類存在的時間相比，太陽能可以說是一種久遠和無盡的能源。隨著化石燃料(煤、石油和天然氣)的不斷開采和消耗，能源的供應(yīng)越來越緊張，具有豐富來源的太陽能的開發(fā)和利用就顯得越發(fā)重要和緊迫。(3)可免費使用，且無需運輸人類可以通過專門的技術(shù)和設(shè)備將光能轉(zhuǎn)化為熱能或電能，就地加以利用，無需運輸，為人類造福。而且人類利用這一取之不盡的能源也是免費的。3.4太陽能光熱技術(shù)和光電技術(shù)的缺點雖然太陽能光熱和光電技術(shù)具有許多優(yōu)勢，但太陽能能流密度低，受季節(jié)、地點和氣候等多種因素影響而不能維持常量，且用于太陽能轉(zhuǎn)換的設(shè)備投資較高，其技術(shù)尚需進一

10、步完善。因此，目前除太陽能熱水器和溫室大棚的利用比較普及和成熟外，主、被動太陽房，太陽能發(fā)電和太陽能制冷等技術(shù)尚處于示范性實驗階段，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用，走進百姓日常生活還有相當(dāng)大的距離，近期內(nèi)尚無法取代常規(guī)能源的主導(dǎo)地位。4地源熱泵技術(shù)地源熱泵技術(shù)是以地?zé)?冷)源作為熱泵裝置的熱源或熱匯，對建筑進行供暖或制冷的技術(shù)。地源熱泵通過輸入少量的高品位電能，可實現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移，在冬季向室內(nèi)供熱，夏季則對室內(nèi)制冷，實現(xiàn)對建筑物的空氣調(diào)節(jié)。地源熱泵系統(tǒng)工作原理如圖3所示。根據(jù)地源熱泵所采用熱源和熱匯的形式不同，可將其大致分為以下三種類型，即大地耦合式熱泵(CCHP)，地下水熱泵(GWHP

11、)和地表水熱泵(SWHP)。4.1大地耦合式熱泵大地耦合式熱泵就是以地表淺層的土壤作為熱源或熱匯，它與傳統(tǒng)的空氣熱泵(ASHP)相比，具有如下優(yōu)勢：(1)相對于地表的空氣和水而言，一定深度地下土壤的溫度波動較小，更適合作為熱泵的熱源和熱匯，保證系統(tǒng)能穩(wěn)定和高效運行；(2)用地下土壤作為熱源和熱匯可以部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔和鍋爐，節(jié)省常規(guī)能源，并能減少對環(huán)境造成的污染；(3)大地耦合式熱泵不存在除霜問題，與土壤的熱交換也不需要風(fēng)機，因此能夠減少噪音污染；(4)可以和太陽能集熱裝置聯(lián)合使用，發(fā)揮土壤的巨大蓄熱和蓄冷能力，能夠獲得較好的供熱和制冷效果。但是，大地耦合式熱泵也存在著以下缺

12、點：一是土壤的傳熱性能較差，需要較大的傳熱面積，從而導(dǎo)致占地面積較大，二是埋設(shè)在地下的管道造價較高，且維修不便；三是當(dāng)?shù)叵聯(lián)Q熱器周圍受熱干燥后，傳熱能力下降，影響到系統(tǒng)的正常運行。4.2地下水熱泵地下水熱泵是以地下深井水作為熱源或熱匯來對建筑物進行供熱或制冷的技術(shù)，也是迄今為止技術(shù)最成熟，應(yīng)用最為廣泛的一種地源熱泵技術(shù)，它具有如下優(yōu)勢： (1)占地面積小，布局緊湊。由于該系統(tǒng)與地下水之間的熱交換是通過水井系統(tǒng)實現(xiàn)的，不需要在地下敷設(shè)大量管道，因此系統(tǒng)的占地面積較??；    (2)相對大地耦合式熱泵系統(tǒng)，不需要埋設(shè)地下熱交換設(shè)備，只需要一對較高流

13、量的抽水井和回灌井，其造價相對較低；     (3)不會造成地面沉降。在系統(tǒng)運行過程中，只要將地下水回灌到蓄水層，保持地層中含水量不變，即可保證不會引起地面的沉降；    (4)技術(shù)比較成熟，推廣相對容易。由于地下水熱泵技術(shù)已在許多商業(yè)系統(tǒng)中使用多年，積累了不少經(jīng)驗，形成了系列產(chǎn)品，技術(shù)和施工都相對完善和成熟，比較容易推廣；    (5)系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定。由于深井水位較低，水溫隨季節(jié)和氣候的變化很小，利用井水作為熱源或熱匯對建筑物進行供熱和制冷時，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，對熱泵的運行也

14、比較有利。環(huán)保該系統(tǒng)存在的問題是：(1)當(dāng)利用地下井水作為冷源或熱源時，其水溫會受到一定限制；(2)如鉆井施工不佳或水質(zhì)較差，可能造成地下水污染，且回灌井的選址需要考慮到水文地質(zhì)條件等因素；(3)由于水泵取水位置一般較深，因此水泵的運行費用比較高。4.3地表水熱泵地表水熱泵技術(shù)是利用地表的小溪、池塘、河流或湖泊等水源作為熱源和熱匯對建筑進行空調(diào)的熱泵技術(shù)。由于地表水溫度隨季節(jié)、氣候等因素影響較大，不能完全保證系統(tǒng)在嚴(yán)冬季節(jié)的供暖需要，因此需要安裝輔助加熱裝置，采用雙聯(lián)熱泵采暖系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行時，可以將換熱器置于水中，通過制冷劑的循環(huán)吸收地表水的熱量，也可以通過鹽水循環(huán)間接獲取熱量。但這兩種方式

15、均需要對置于地表水中的換熱器進行定期清理，以保證換熱效率。此外，還可以用泵抽取地表水送人熱泵的蒸發(fā)器進行熱交換，但在進入水泵前需要對地表水進行過濾。采用地源熱泵技術(shù)對建筑物進行采暖空調(diào)，既可以節(jié)省能源，又可以減少環(huán)境污染，而且運行費用也大大降低。實際運行效果表明，與傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備相比，運行費用能夠減少3040，因此具有廣闊的發(fā)展前景。5熱管在建筑廢熱(冷)回收中的應(yīng)用熱管作為一種具有低熱阻、大能流密度的高效傳熱元件，在化工、冶金、建材等領(lǐng)域的余熱回收中已得到了廣泛應(yīng)用，并表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，但在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究還處于起步階段，缺乏成熟的技術(shù)支持。熱管回收廢熱和廢冷技術(shù)，是指利用熱管換熱器將建筑

16、物空調(diào)系統(tǒng)排放的廢熱(冷)進行回收，用來預(yù)熱或預(yù)冷新風(fēng)，從而達到節(jié)能的目的。5.1建筑廢熱(冷)能流的特征雖然流入建筑物的能源形式有多種，但經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換后，最終都以廢氣、廢水或通過圍護結(jié)構(gòu)散熱等形式排出，并具有如下特點：(1)具有一定的溫度，所含熱(冷)量較大對于大型建筑物，一般都設(shè)有集中排風(fēng)和進風(fēng)系統(tǒng)，排出氣體的溫度和濕度接近室內(nèi)的溫度和濕度，排出廢氣中所含的熱量或冷量可達總負荷的3040，有較高的利用價值。(2)廢熱(冷)的排放和利用在時間上相一致建筑廢熱(冷)的排放具有一定周期性，與新風(fēng)的處理時間同步，因此在利用時不需要采取蓄熱措施。且排風(fēng)管道與新風(fēng)管道往往布置在一起或相距較近，為廢熱(

17、冷)的回收利用創(chuàng)造了條件，比較簡單方便。(3)廢熱(冷)與所需能源的品位比較接近，可以利用熱管內(nèi)部工質(zhì)相變換熱和低熱阻的特點充分回收利用。5.2熱管換熱器的優(yōu)點和普通換熱器相比，熱管換熱器具有以下優(yōu)點：(1)效率高，節(jié)能效果明顯由于熱管內(nèi)部是靠工質(zhì)的相變傳熱，熱阻小，導(dǎo)熱能力強，可實現(xiàn)小溫差傳熱，提高換熱效率。(2)熱管壁溫可調(diào)性強在設(shè)計熱管換熱器時，可以通過調(diào)整蒸發(fā)段和冷凝段的長度來調(diào)節(jié)加熱面和冷卻面的大小，進而控制加熱段和冷卻段的熱流密度，實現(xiàn)對熱管壁溫的控制。(3)可以利用熱管的單向?qū)嵝钥刂茻崃鞣较?，在不利條件下能自動終止熱交換過程，避免熱損失。(4)能夠防止新風(fēng)和排風(fēng)的交叉污染由于熱

18、管的吸熱段和放熱段是二次問壁換熱，即使有個別熱管的一端因腐蝕而穿透，仍能保證新風(fēng)和排風(fēng)之間不會出現(xiàn)互相混合而產(chǎn)生交叉污染，因此用熱管換熱器回收廢熱(冷)，具有適應(yīng)范圍廣，環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，可用于醫(yī)院等特殊場合。5.3熱管技術(shù)在建筑節(jié)能中應(yīng)用的形式熱管技術(shù)在建筑節(jié)能中應(yīng)用的形式有多種，主要有：(1)用于自然通風(fēng)和集中排風(fēng)的熱(冷)回收對于大規(guī)模和人員密度高的公共建筑，如醫(yī)院、賓館等公共場所和有特殊工藝要求的生產(chǎn)車間，換氣頻率較高，換氣量較大，排出的熱量和冷量也較大，有較高的回收利用價值，可以利用熱管換熱器對廢熱或廢冷進行回收，用于對新風(fēng)的預(yù)熱或預(yù)冷。根據(jù)實測，對大型建筑，排氣所帶走的能量占總負

19、荷的3040，如果采用該技術(shù)加以回收，可使空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能7以上。(2)熱管用于太陽能熱水器普通的集熱板式太陽能熱水器容易發(fā)生冬天凍裂，夜間熱量逆向傳遞等缺陷，而真空管熱管太陽能熱水器則由于其結(jié)構(gòu)和單向傳熱的特點，完全可以克服這些缺點。據(jù)統(tǒng)計，目前我國年產(chǎn)銷太陽能熱水器600多萬m2，產(chǎn)值達50多億元，太陽能熱水器的保有量超過2700萬m2，其中真空管熱管型熱水器所占比例逐漸增加，已成為世界上最大的產(chǎn)銷國。(3)用于太陽能空調(diào)太陽能空調(diào)器雖然具有節(jié)能、環(huán)保和運行費用低等優(yōu)勢，但由于該系統(tǒng)設(shè)備體系比較龐大，一次性投資高，加之傳統(tǒng)集熱器的效率和溫度都比較低，因此直接影響到太陽能空調(diào)器的發(fā)展。用真空管熱管作為太陽能集熱器的傳熱元件，能夠把集熱器溫度從70提高到120，大大提高了集熱器的熱性能，為太陽能空調(diào)的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)；而且隨著熱管技術(shù)的不斷完善和廣泛使用，熱管集熱器的價格將不斷降低，為太陽能空調(diào)器的大規(guī)模應(yīng)用提供了經(jīng)濟基礎(chǔ)。5.4