幾種主要建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

PAGEPAGE14幾種主要建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

總結(jié)了外墻保溫、太陽能光電和光熱、地?zé)嵩礋岜?、熱管和相變蓄熱材料等建筑HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)分析了各種技術(shù)所具有的優(yōu)勢和存在的不足，并對這些技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

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引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)，也在消耗著越來越多的能源。據(jù)文獻(xiàn)[1]、[2]報(bào)道，在發(fā)達(dá)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(jì)的主要因素。為此，我國提出了社會(huì)經(jīng)濟(jì)和能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，在實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"節(jié)能技術(shù)，在不斷提高人們居住環(huán)境舒適度的同時(shí)，降低建筑耗能總量，有效緩解能源的供需矛盾，既具有實(shí)際經(jīng)濟(jì)意義，又具有重要的社會(huì)意義和HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"環(huán)保價(jià)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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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(hù)層，并壓人耐堿涂塑玻纖網(wǎng)格布，最外層用抗裂膩?zhàn)雍屯苛险移胶脱b飾。

2.1外墻保溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)對外墻保溫技術(shù)實(shí)際使用效果進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)能效果明顯。由于保溫層的敷設(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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"節(jié)能效果可以達(dá)到50％，在北京地區(qū)則能達(dá)到65％[3，4]；

(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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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2％～4％，同時(shí)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(shí)，復(fù)合墻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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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(jì)的裝飾要求。

2.2

外墻保溫技術(shù)的缺點(diǎn)

雖然該技術(shù)具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，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(jià)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、抹面膠漿等材料的價(jià)格還比較高，因此綜合造價(jià)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(jià)要偏高30％～40％；

(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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"節(jié)能要求的不斷提高，一定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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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(jì)，我國2/3以上國土面積的年日照時(shí)間在2200h以上，年輻射總量在502萬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(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的需要，目前在建筑HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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，其轉(zhuǎn)換原理如圖1所示。

從圖中可以看出，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(fù)荷等部分組成。其中，光電池組件由多個(gè)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(hù)功能和極性反接電路保護(hù)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(shí)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(jìn)行利用的技術(shù)。太陽能光熱技術(shù)的利用通?？煞种苯永煤烷g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(jìn)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(dòng)太陽房；(4)利用太陽能加熱空氣產(chǎn)生的熱壓增強(qiáng)建筑通風(fēng)。圖2所示為被動(dòng)式太陽房結(jié)構(gòu)剖面圖。

目前技術(shù)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，要想走向市場和大范圍推廣尚需時(shí)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(jī)，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(diǎn)

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(huì)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

太陽是一個(gè)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(shí)間相比，太陽能可以說是一種久遠(yuǎn)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(fèi)使用，且無需運(yùn)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(yùn)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(fèi)的。

3.4

太陽能光熱技術(shù)和光電技術(shù)的缺點(diǎn)

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(diǎn)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(jìn)一步完善。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(dòng)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(shí)驗(yàn)階段，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用，走進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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)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(dòng)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(yùn)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(jī)，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點(diǎn)：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(jià)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(yùn)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(jìn)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(shí)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?。?/p>

(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，只需要一對較高流量的抽水井和回灌井，其造價(jià)相對較低；

(3)不會(huì)造成地面沉降。在系統(tǒng)運(yùn)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(huì)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(yàn)，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(yùn)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(jìn)行供熱和制冷時(shí)，系統(tǒng)比較穩(wěn)定，對熱泵的運(yùn)行也比較有利。

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(shí)，其水溫會(huì)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(yùn)行費(fèi)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(jìn)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(yùn)行時(shí)，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。但這兩種方式均需要對置于地表水中的換熱器進(jìn)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(jìn)行熱交換，但在進(jìn)入水泵前需要對地表水進(jìn)行過濾。

采用地源熱泵技術(shù)對建筑物進(jìn)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(yùn)行費(fèi)用也大大降低。實(shí)際運(yùn)行效果表明，與傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)備相比，運(yùn)行費(fèi)用能夠減少30％～40％，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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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物空調(diào)系統(tǒng)排放的廢熱(冷)進(jìn)行回收，用來預(yù)熱或預(yù)冷新風(fēng)，從而達(dá)到HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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(hù)結(jié)構(gòu)散熱等形式排出，并具有如下特點(diǎn)：

(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(jìn)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(dá)總負(fù)荷的30％～40％，有較高的利用價(jià)值。

(2)廢熱(冷)的排放和利用在時(shí)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(shí)間同步，因此在利用時(shí)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(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(diǎn)充分回收利用。

5.2

熱管換熱器的優(yōu)點(diǎn)

和普通換熱器相比，熱管換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)效率高，HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)小溫差傳熱，提高換熱效率。

(2)熱管壁溫可調(diào)性強(qiáng)

在設(shè)計(jì)熱管換熱器時(shí)，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(jìn)而控制加熱段和冷卻段的熱流密度，實(shí)現(xiàn)對熱管壁溫的控制。

(3)可以利用熱管的單向?qū)嵝钥刂茻崃鞣较颍诓焕麠l件下能自動(dòng)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

由于熱管的吸熱段和放熱段是二次問壁換熱，即使有個(gè)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(huì)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于醫(yī)院等特殊場合。

5.3

熱管技術(shù)在建筑HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"節(jié)能中應(yīng)用的形式

熱管技術(shù)在建筑HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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(jià)值，可以利用熱管換熱器對廢熱或廢冷進(jìn)行回收，用于對新風(fēng)的預(yù)熱或預(yù)冷。根據(jù)實(shí)測，對大型建筑，排氣所帶走的能量占總負(fù)荷的30％～40％，如果采用該技術(shù)加以回收，可使空調(diào)系統(tǒng)HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"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(diǎn)，完全可以克服這些缺點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國年產(chǎn)銷太陽能熱水器600多萬m2，產(chǎn)值達(dá)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HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"節(jié)能、HYPERLINK"/adclick/pid=1067/media=EHVACR.CN/place=MAIN/size=140x40"環(huán)保和運(yùn)行費(fèi)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(jià)格將不斷降低，為太陽能空調(diào)器的大規(guī)模應(yīng)用提