可再生能源系统在建筑设计中的应用课件.pptx

1、2019/4 建筑应该提供给人一个健康、舒适、安全的工作或者是生活环境，同时建筑既不应带来环境污染，也不能肖耗过多的能源与资源。而在我国建筑领域，建筑能耗自改革开放以来迅猛增长，单位建筑面积能耗是发达国家的23倍以上，超过所有发达国家的总和，已成为世界第源消耗国。同时，我国又是能源资源严重短缺的国家，资源总量和人均资源量都严重不足，资源总量和人均能原占有量均低于世界平均水平。建筑节能正日益成为关乎我国经济发展乃至社会稳定的战大计，势在必行。 实现建筑节能可以从节约能原与开发和利用新能原两方面着手，可再生能源因其自身清洁、环保、易取易得可再生的特点而在建筑中得到广泛的推广和应用。前言前言 然而庞

2、大的能源需求导致了人类能源供需的矛盾，在建筑是人们生产生活所依赖的场所，对于建筑方案设计阶段可以采用一些可在生能源的利用措施，如太阳能和风能，以缓解对其他能源的消耗压力，和低碳生产的可持续理念，本文旨在介绍一些建筑设计中常见的可再生能源的运用。 研究可再生能源在建筑中的应用绝不仅仅是设备工程师的职责，建筑师应当发挥更加积极的作用，其前提条件是对可再生能源利用与建筑设计手法之间关系的全面了解。本文重点讨论中华人民共和国可再生能源法界定的可再生能源种类中(包括风能、太阳能、小水电、生物质能、地热能、地温热源热能、海洋能)与建筑设计较为相关的风能、太阳能、地温热源热能及生物质能。前言 可再生能源建筑

3、应用是指利用太阳能、浅层地热能等可再生能源为建筑物供热、供电、制冷等,可应用的技术范围包括太阳能光热建筑应用、太阳能光电建筑应用、土壤源热泵技术、地表水源热泵技术、海水源热泵技术、污水源热泵技术等。 有效利用可再生能源，促进可再生能源建筑应用发展，是建设资源节约型、环境友好型社会，实现城市可持续发展的重要战略措施，对优化能源结构，提高能源利用效率，保护和改善生态环境具有重要作用。而建筑节能指在建筑材料生产、房屋建筑和构筑物施工及使用过程中，满足同等需要或达到相同目的的条件下，尽可能降低能耗。前言前言 具体指在建筑物的规划、设计、新建（改建、扩建）、改造和使用过程中，执行节能标准，采用节能型的技

4、术、工艺、设备、材料和产品，提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，加强建筑物用能系统的运行管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调制冷制热、照明、热水供应的能耗。因而对于可再生能源的利用是建筑节能设计中重要的一部分。前言1、太阳能的利用2、地热能利用3、生物能源4、风能5、结束语01太阳能的利用太阳能的利用 在建筑设计中利用太阳能的方式包括有间接获取系统与之间获取系统以及混合式获取系统，被动式的利用太阳能于建筑设计中，不需要依靠机械设备与复杂的控制系用，同样能够很好的收集、储藏、输配太阳能。利用太阳能必须具备五个基本要素，即采光面、收集器、蓄热材料、热吸收

5、装置、控制装置、输送系统。 通常使用最为普遍的采光器或者收集器就是窗户，窗户玻璃的太阳得热系数越大，则太阳辐射进入建筑物越多。蓄热材料能够保留或是储存太阳光产生的能量，较为常见的蓄热材料有砖石砌筑墙体、相变材料、盛水的容器等等，通常放于热吸收装置的下方。热吸收装置通常情况下采用深色、硬质，通过太阳光的直射，入射的太阳光作为热量被热吸收装置所吸收，热吸收装置的材料颜色影响着一、太阳能的利用 太阳光中短波辐射的吸收率，材料的粗糙程度则影响着长波的辐射吸收率。控制装置主要是起到调节夏季气温的作用，避免夏季室内温度过高，较为常采用的是挑檐板、通风口电子传感装置以及百叶等。输送系统是将收集、储存得来的太

6、阳能循环到建筑物的不同区域，主要的热传输模式有传导、对流、辐射等三种，偶尔也有采用风扇、风机、导管等方式。一、太阳能的利用 太阳能在建筑节能中的应用形式主要分为太阳能光热应用和太阳能光电应用。对应形式涵盖内容和特点分述如下。 1.太阳能光热应用主要形式（1）被动式太阳能建筑（2）太阳能热水系统（3）太阳能采暖系统（4）太阳能空气集热采暖系统（5）太阳能空调系统 一、太阳能的利用 2.太阳能光电应用主要形式（1）按系统形式分独立光伏发电系统并网光伏发电系统（2）按建筑结合形式分附着于建筑物上的光伏系统（简称BAPV）集成到建筑物上的光伏发电系统（简称BIPV） 一、太阳能的利用 被动式太阳能建筑

7、：不实用机械动力，仅通过太阳能的有效利用，使建筑物具备一定冬季采暖和夏季降温的功能。 主要形式用： 直接受益式被动太阳能建筑； 集热蓄热墙式被动太阳能建筑； 附加阳光间式被动太阳能建筑； 组合式被动太阳能建筑。一、太阳能的利用 在被动式太阳能建筑的应用中要注意冬季采暖应用应在综合考虑气候条件、建筑用途和建筑围护结构保温性能等综合因素后确定合理形式。夏季被动降温应考虑遮阳和建筑通风有效措施。设计阶段应进行综合评估，以使被动太阳能建筑即满足使用功能又建造美观、维护方便。 主动式太阳光建筑：太阳能结合常规能源有效利用，满足建筑物的生活热水、采暖、空调和生活用电需求。主要应用形式有： （1）太阳能热水

8、系统(这是太阳能光热利用最成熟的方式之一，因其技术成熟且经济效益显著，已实现大规模商业化应用）； （2）太阳能采暖系统（将太阳能转化成热能，供给建筑物冬季采暖的系统，系统主要包括集热器、贮热器、供热采暖末端设备、辅助加热装置和自动控制系统等。）；一、太阳能的利用 （3）太阳能空气集热采暖系统（由太阳能空气集热器、风机、散流器、温控器等部件组成。当太阳能辐射较好时，风机开启，循环加热室内空气，以解决建筑室内采暖问题。） （4）太阳能空调系统目前的主要形式是太阳能吸收式空调，系统主要构成包括太阳集热器、吸收式制冷机和辅助热源。一般夏季空调周期，太阳集热器负责向吸收式制冷机提供所需要的热媒水，吸收式

9、制冷机负责将吸收制冷转化后的冷水提供至建筑室内，供空调使用；冬季采暖周期，由太阳能集热系统直接向建筑供暖。 太阳能吸收式空调系统的投资回收年限依太阳辐射资源和全年使用比率确定。对于一些在太阳能资源较丰富地区的夏季空调、冬季采暖系统，一般投资回收年限在15年左右。一、太阳能的利用 太阳能光电技术 （1）独立光伏发电系统由太阳能电池板、充电控制器、逆变器、蓄电池组及线缆等组成；并网光伏发电系统则是将太阳能光伏电站产生的电能通过光伏并网逆变器及控制设备输送到外部电网上，经过电网进行电能分配至用户终端使用。 （2）并网光伏发电系统是将太阳能光伏电站产生的电能，通过光伏并网逆变器及控制设备输送到外部电网

10、上，经过电网进行电能分配输送至用户。一、太阳能的利用一、太阳能的利用02地热能利用地热能利用 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的。浅层地热能利用与地源热泵技术结合构成的系统，可为建筑提供采暖、空调和生活热水。二、地热能利用 1.地下水源热泵 近年来，地下水源热泵系统在国内北方一些地区，如山东、河南、辽宁、黑龙江、北京、河北等地，得到了广泛的应用。它相对于传统的供暖（冷）方式及空气源

11、热泵具有如下特点：较好的节能性。地下水的温度相当稳定，一般比当地全年平均气温高12左右。冬暖夏凉，使机组的供热季节性能系数和能效比高。显著的环保效益。目前，地下水源热泵的驱动能源是电，电能是一种清洁能源。因此，在地下水源热泵应用场合无污染。只是在发电时，消耗一次能源而导致电厂附近的污染和二氧化碳温室性气体的排放。但是由于地下水源热泵的节能性，也使电厂附近的污染减弱。二、地热能利用 良好的经济性，美国127个地源热泵的实测表明，地源热泵相对于传统供暖、空调方式，运行费用节约18%54%。能够减少高峰需电量，这对于减少峰谷差有积极意义。当室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量亦处于高峰期，而此

12、时空气源热泵、地表水源热泵的效率最低，地下水源热泵却不受室外气温的影响。二、地热能利用 2.土壤耦合热泵系统 (1)土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，这种温度特性使土壤耦合热泵比传统的空调运行效率要高40%60%，节能效果明显。 (2)土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出（或放入）的能量可以分别在夏、冬季得到自然补偿。 (3)室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量一般也处于高峰期，由于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，因此和空气源热泵相比，它可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，从而在耗电相同的条件下，可以提高夏季的供冷量和

13、冬季的供热量。二、地热能利用 2.土壤耦合热泵系统 (1)土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，这种温度特性使土壤耦合热泵比传统的空调运行效率要高40%60%，节能效果明显。 (2)土壤具有良好的蓄热性能，冬、夏季从土壤中取出（或放入）的能量可以分别在夏、冬季得到自然补偿。 (3)室外气温处于极端状态时，用户对能源的需求量一般也处于高峰期，由于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，因此和空气源热泵相比，它可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，从而在耗电相同的条件下，可以提高夏季的供冷量和冬季的供热量。二、地热能利用 地热能也是现今社会可再生能源

14、中能更好代替常规能源的能源之一。地下表层的热能能够被抽取，从而供应建筑取暖和热水，到夏天时则是由建筑物向地下排放热量，由于在此过程中只有抽取热量时用到电能，所以不仅能有效的利用地热能，还能够降低地热能利用过程中电能的消耗。通过对建筑物周边地质情况进行详细调查，当有适合地热能可以利用的前提下，地热能的应用主要通过在建筑物四周打井或挖沟的方式直接抽取地表水，进而输送到建筑物中进行合理利用。通常情况下，进行抽取地热能的地源热泵机组是放在室内的，并没有集中地机房，是通过一家一户的小型热泵进行自行调节，这不仅减少了用空调时错需要的冷却塔，还有利于建筑物的整体造型设计。二、地热能利用二、地热能利用03生物

15、能源生物能源 生物质能来自于生物质。生物质就是在有机物中除矿物燃料外，所有来源于植物、动物和微生物的可再生物质。主要包括几方面：农作物秸杆和农业加工残余物；林木和林业加工剩余物；人畜粪便、工业有机废物和水生植物；城市生活污水和垃圾。生物质是一种清洁的低碳燃料，其含硫和含氮量均较低，同时灰分份额也很小，所以燃烧后SO2、NOx和灰尘排放量比化石燃料要小得多，是一种清洁燃料。同时，生物质对生态环境的最大贡献还在于其具有CO2零排放的特点，大气中的CO2和地面上的水经光合作用产生用来形成生物质的碳水化合物，如将生物质燃烧利用，则大气中的氧和生物质的碳相互作用生成CO2和水，这个过程是循环的三、生物能

16、源 （1）生物质发电 生物质能发电有着广阔发展前景。首先，生物质能发电在可再生能源发电中电能质量好、可靠性高，比小水电、风电和太阳能发电等间歇性发电要好得多，可以作为小水电、风电、太阳能发电的补充能源，具有很高的经济价值。 （2）沼气应用 沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气。沼气是一种混合气体，可以燃烧。三、生物能源三、生物能源 （3）生物质能供暖可利用生物质发电或通过沼气、生物质燃

17、气实现。 其中，生物质燃气是一种新兴的可再生能源，它以较干燥的(含水率一般20)生物质为气化原料，其中，主要是农业、林业生产和木材加工的副产物、剩余物和废弃物，如农作物秸秆、稻壳、玉米芯、枯木、树头、枝桠、板皮、碎木、刨花、锯末等，经干燥、粉碎和去除杂物后，将其投入生物质气化炉中，并向炉内输入适量的气化剂(如空气、水蒸气等)点燃，气化原料在缺氧的条件下进行氧化-还原反应(供氧量为气化原料完全燃烧时所需的理论供氧量的2028)，气化后生成可燃性的混合气体，称之谓生物质燃气，其主要可燃成分为CO，H2，CH4等生物质燃气在发达国家已广泛用于供热及发电。三、生物能源三、生物能源04风能风能 是我国目

18、前最有开发前景的一种新能源，取之不尽，用之不竭。城市中建筑物密集，风能效果较差，所以小型风电场主要体现在城市中的高层建筑物之间及建筑物楼顶。科学家发现在高层建筑物之间有着较强的气流，如果装上涡轮发电机和风电设备也能发出电来，其实这种原理并不复杂，我们只要站在楼群之间就能感觉到一股很强的风力，两楼之间的墙面垂直，风到这里不会被吹散，风向固定比空旷地带的风更强劲，并且可以直接吹入涡轮机，在城市中一般将风力涡轮机安装于城市屋顶的露台上。 四、风能四、风能 建筑节能是当今全世界建筑界共同面对的重要技术领域，也是缓解全球能源短缺和改善环境质量的有效发展途径。被动式太阳房的推广及利用已经经历了近30年的发

19、展历程，积累了一定的经验，但是仍旧存在很多问题和不足。我们国家目前就被动式太阳房发展中存在的主要问题有：未形成统一化生产。被动式太阳房集热构件在生产组装的过程中，仍未能有效执行工厂化、标准化、规模化这样的集中统一生产方式，这是影响太阳能建筑推广的主要原因之一； 四、风能四、风能 我们国家目前对新型建筑材料的研究和发展一定程度上制约了太阳房的发展和推广；施工及质量问题。太阳能建筑在施工上较普通建筑而言要复杂得多，其施工质量的好坏直接影响到它的集热效果，所以其成本和造价都较高，一定程度上影响了它的推广和利用。此外，风能发电和光伏太阳能由于研发技术和生产成本等原因在实际应用过程中存在诸多的困难，但我

20、国能源消费全球排名一直居高不下，庞大的能源需求导致了我国能源供需的矛盾。因此，继续发展可再生能源应用于建筑中是必然的。在雾霾不断的今天，生活和办公场所是否健康、舒适、绿色、环保，亦是全社会的普遍关注。四、风能 1.风力发电(1)概述 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。 四、风能 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

21、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字楼、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35m，叶片直径 2 4m，非常适合夜间建筑亮化照明等用途。四、风能 (2)建筑设计策略 如果希望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

22、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)。 与常规能源相比，风力发电的最大问题是其不稳定性，解决这个问题可以采取的方式有：1) 与电网相连(电网实际充当了巨大的蓄电池)； 2)采用大型蓄电池； 3)采用“风力光伏”互补系统1)； 4)采用“风力柴油机”互补系统。以我国目前的情况，建筑中可以考虑 2、3、4 方案。四、风能四、风能 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1，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。国外有一些建筑师亲身参与风力发电机(确切地说

23、是风塔) 的造型设计，利用横轴或是纵轴、叶片数量与翼展的变化，设计出造型优美、雕塑般的风力发电设施。 2.自然通风与被动式降温 (1)概述 建筑的自然通风主要能够起到两个方面的作用：改善室内热舒适和空气质量。在夏季，利用自然通风进行被动式降温可以减少空调能耗，并防止“建筑综合症”的发生；而在冬天，自然通风需要被控制在恰好能够驱除室内多余的潮气和污染物的程度， 以减少采暖能耗。四、风能 利用自然通风进行被动式降温有两种途径，一是“通风增加人的舒适度”，即将 室外空气引入室内，使之直接吹过人的身体，加速皮肤水分蒸发，从而使人觉得凉爽，特别适合于气候炎热潮湿的地区；二是“夜间通风降温”，即把夜晚凉风

24、引入室内，使室内蓄热材料充分散热，第二天，被冷却的蓄热材料便起到了热库的作用，可以使室内的温度不像室外那样迅速上升，特别适合于炎热干燥、昼夜温差大的地区。(2)建筑设计策略 如果希望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。四、风能四、风能 到了详细设计阶段，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。 如果希望利用热压通风，通常有必要计

25、算“中性面”位置，可通过调整开口高度、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。 2)需要注意的问题建筑师在进行自然通风设计时，应当预见并避免可能产生的问题，例如： a.避免自然通风引起采暖负荷增加； b.避免房间内风速过大，引起使用者的不适； c.避免冬季室内湿度过低；四、风能 d.避免在无风天气中通风不足； e.避免因使用可开启窗户和通风口而无法控制室外噪声； f.避免室外被污染的空气进入室内； g.避免因建筑蓄热材料不足而降低被动式降温的效果。对于a，可利用太阳能预热系统来对进入建筑的新风进行预热，必要情况下，在冬季采用带有热回收装置的机械通风系统。对于b ，应当

26、根据建筑所处的气候区域，选择最适宜的被动式降温方式，如前文所述：在炎热干燥的地区，建筑内应布置足够的蓄热材料，并在夜间充分冷却，白天室外气温高于室内气温时，关闭窗户，防止热气进入。 四、风能 对于c、d、g，可以考虑采用相应类型的通风器( 进气口) 或新型窗体( 如双层幕墙)。目前，国际上具有不同控制功能的通 风器类型主要包括：压力控制通风器、湿度控制通风器、污染控制通风器和温度控制通风器。其中，压力控制通风器实现最为简单，种类也最为丰富，能够提供不受风压和热压影响的持续的自然空气流，避免突然的冷风；目前流行的双层玻璃幕墙是控制进入建筑的气流速度的另一种手段(这一点对于高层建筑尤为必要)。 污

27、染控制通风器 目前一般只能简单地对空气进行过滤处理； 湿度控制和温度控制通风器只在少数国家 (如荷兰、瑞典、法国等)有成品问世。这些新型通风器使得建筑在不利天气条件或无人管理情况下实现自然通风成为可能。如果要采用这些通风器，要在立面设计时将其考虑在内。四、风能 对于g，如果建筑本身存在污染源，就要特别注意排气口的设计，不能让废气通过开启的窗户、进气口等对使用空间造成二次 污染( 如图所示，需要考虑排气的空气速度、排气口高度及面积等参数)。如果存在外界污染源，应当注意将进气口设置在内院、上风区、建筑较高处等有利位置。 对于f，如果室外有噪声源，需要巧妙地处理建筑的形体和布置通风口的位置。围合的内

28、院、树丛等遮蔽体都有助于将建筑通风口与噪声源隔离开来。另一方面，能够有效衰减噪声的可开启窗户产品已经非常成熟。 四、风能 对于e，可以通过吊扇等机械设备作为自然通风的补充。 对于h，相关研究表明，当利用夜间通风进行被动式降温时，通风口面积要达到地板面积的一定比率2)，同时需要有足够蓄热材料，否则建筑就无法在白天成为热库。四、风能05结束语结束语 为了可再生能源在建筑技术中更好更广泛的应用，需要对建筑进行场地选择和场地规划设计，通过对建筑材料的合理选择和节点的合理构造等细节来完善可再生能源的合理开发利用。使可再生能源在建筑行业得到进一步的发展，从而逐渐代替传统常规能源在建筑方面的有效应用，降低污染物的排放，保护生态环境，所以可再生能源的开发利用对未来社会可持续发展具有深远意义。五、结束语 2019年4月LOGO建议将标识元素添加在幻灯片母版中THE END