书城科普低碳建筑:绿色城市的守望
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第23章 低碳建筑离不开节能技术!(2)

在其他条件不发生变化的情况下,外墙传热系数每减少1W/(m2·K),空调热负荷、冷负荷和总负荷分别减少4%、3%和3.7%左右。有实例证明,重视建筑保温,则建筑耗能有时可降低30%~40%左右,而造价只增加大约5%左右。

在新形势下,已不能使用传统的通过增加墙体厚度的方法来达到节能设计标准要求,而要采取新型、轻型的墙体材料或复合型墙体构造来达到节能设计指标。

玻璃幕墙的节能

由于幕墙的传热系数大,隔热能力差,在炎热的夏季是热交换、热传导最活跃、最敏感的部位。单位面积幕墙能耗一般为墙体能耗的5~6倍,其能耗约占整个空调能耗的40%左右。通过外玻璃幕墙(窗)带来的太阳辐射热致使单位建筑面积冷负荷过大,空调设备运行耗电量过高,因此玻璃幕墙采取节能措施对实现空调建筑节能有极其重要的意义。

门窗节能设计

建筑门窗是建筑物外围护结构的重要组成部分,除了具备基本的使用性功能外,还必须具备采光、通风、防风雨、保温隔热、隔声、防尘、防腐、防火、防盗、屏蔽外界视线等功能。但是,建筑门窗又是整个建筑围护结构中保温隔热最薄弱的环节,是影响室内热环境质量和建筑节能的主要因素之一。据统计,在采暖或空调的条件下,冬季单玻窗所损失的热量约占供热负荷的30%~50%;夏季因太阳辐射热透过单玻璃窗射入室内而消耗的冷量约占空调负荷的20%~30%。随着人们生活水平提高和对能源节约的重视,对于门窗的性能要求也逐渐提高,尤其是对门窗的保温隔热和密封性能要求更高。增强门窗的保温隔热性能,减少门窗渗透所带来的能耗是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。

衡量门窗性能的指标主要包括4个方面:阳光得热性能、采光性能、空气渗漏的防护性能和保温隔热性能等。而建筑门窗的节能技术则是提高门窗的性能指标,主要是在冬季有效地利用阳光,增加建筑的得热和采光,同时提高保温隔热,降低通过窗户传热和空气渗透形成的建筑能耗;在夏季则通过采用有效的遮阳和降低透过窗户产生的辐射得热及空气渗透引起的空调负荷增加产生的建筑能耗。

三、节能型建筑的采暖设计

低温热水地板辐射采暖

辐射采暖主要是依靠辐射传热的方式,把大部分热量直接辐射给人体和物体。室内物体受热以后,又对人体进行二次辐射。辐射换热的同时,有一小部分热量以对流传热方式加热室内空气,使室内空气温度有一定提高。它与普通散热器采暖的区别在于:普通的散热器采暖是将散热器周围的空气加热,被加热的空气再将能量传给围护结构,使地板、墙体、顶棚的温度升高,整个传热过程主要是以对流传热方式进行的,虽然也存在热辐射的作用,但其效果很小。而辐射采暖是以整个表面作为散热面,在加热表面附近空气进行对流换热的同时,主要以辐射热的形式对四壁、顶板进行加热,从而使周围的围护结构表面温度升高,进而使整个围护结构内各表面温度有所升高,从而加强了对人体的热辐射强度。

低温热水地板辐射采暖是一种通过向敷设在地板层内的加热盘管(通常为料管)输送低温热水(40~60℃)来加热地表面,放射出8~13um的远红外线,使人感到温暖的一种采暖方式。该系统以整个地面作为散热面,在通过对流换热加热周围空气的同时还与围护结构进行辐射换热,从而使围护结构内表面的温度升高。

地板辐射采暖按照地板下面加热源的不同,可以分为热水式、热空气式和电加热式地板采暖等类型。按照其埋入管路形式的不同,热水式地板辐射采暖又可分为串联式和并联式。串联式又分为直列型、旋转型、往复型。

低温热水地板辐射采暖系统和普通采暖系统形式相差不多,由热源、热媒输送和热媒利用三个主要部分组成,但低温热水地板辐射采暖系统与普通采暖系统相比存在很多优点:

比如,系统的热源选择范围比普通采暖系统宽很多。

系统中热媒输送管路可选用普通钢管。

室内温度分布均匀,舒适性好。

降低室内设计温度,节约能源。

易于实现分户计量和分室控温。

系统不易产生水力失调。

节省室内空间。

供热系统调控技术

供热调节的主要任务是维持供暖建筑的室内计算温度。当供暖系统在稳定状态下运行时,如不考虑管网的沿途热损失,则系统的供热量应等于供暖用户系统散热设备的放热量,同时也应等于供暖用户的热负荷。

我国大部分集中供热系统的建筑物内采用单管串联方式或改进的单管串联方式,基本不具备末端调节手段。由于同一供热系统内的建筑物各房间的散热器面积与房间的热负荷之比并不完全一致,实际流量与设计流量不完全一致,流量与供水温度不能准确地随气候变化而改变,以及建筑物内部某些区域由于太阳得热及其他热源造成局部过热等原因,系统普遍存在着不同建筑间的区域失调、建筑物内的水平失调以及不同楼层间的垂直失调。根据模拟分析计算,当满足最冷房间温度不低于16℃要求时,由于部分区域的过热导致的多供的热量为总供热量的20%~30%。

如集中供热系统总的供热参数不能随气候变化而及时调整,将造成供热初期和末期气候转暖时过度供热,造成热损失。这部分损失根据运行调节水平和系统规模不同,一般为总供热量的3%~5%。因此,供热系统调控对系统的正常运行和节能运行将发挥重大作用。

供热计量调节技术

供暖用热计量是我国建筑节能工作的一个重要组成部分。就房屋建筑能耗而言,其并不是直接消耗在房屋建筑上,在我国北方采暖地区,供热采暖才是能源消耗的终端。因此在进行建筑节能时,不能只考虑房屋建筑本身的性能,片面的强调房屋建筑墙体围护结构,还应该结合考虑供热采暖系统的节能,二者缺一不可。否则,建筑节能的目的难以实现。用户能自行调节室温并使室内温度保持要求的范围,是采暖系统按热量计量、分户计量供热的基础。

因此,居住建筑供暖按户计量是使供暖节能变成人们的一种自觉,是推动住宅建筑节能的重要措施。通过温控阀对散热器流量进行调节,从而改变其流量的热调控手段,在国外已广泛推广。合理的热价有利于保护热量生产者的利益,有利于保护消费者的利益,也有利于节能投资的回收。经过多年的研究和实践,国内对于采暖热计量的认识,已经由盲目地照搬国外的计量方法,转变为开始针对我国的现状,提出适合我国的计量收费方法。目前逐渐由每户设置热量表,转向每栋设置热量表,每户合理进行分摊的正确轨道。

1997年,烟台民生小区计量供热试点项目研究:该市供热公司与美国霍尼维尔公司合作,对部分建筑既有的单、双管供热系统进行计量供热改造,每组散热器加设温控阀,每栋楼的人口加设热能表和调节装置,并设置对比楼以考察系统节能性,结果在无自主调节的情况下,节能在10%左右,且用户热舒适性良好,系统稳定性增强。

1998年,天津凯立花园小区计量供热试点项目研究:对10栋551户既有住宅的单管顺流供热系统进行计量供热改造,每组散热器加设温控阀和蒸发式热分配表,每栋楼的人口加设热能表,考察此种分户计量供热方式的节能性。结果第一采暖季节能为10%,第二采暖季节能有明显提高。

常规集中供热的节能技术

目前我国城市集中供热广泛应用的热源形式主要是热电厂和区域锅炉房,集中供热所用能源仍以煤炭为主。据不完全统计,目前我国集中供热产业热源总热量中,热电联产占62.9%,区域锅炉房占35.75%,其他占1.35%。

热电联产是一项综合利用能源的技术。它在发电的同时,有效利用汽化潜热进行供热,总热效率可达90%以上,环境污染少。从经济效益和社会效益两方面而言,热电联产是最合适的集中供热方式。

目前我国热电厂建设以区域热电厂为主,以企业自备热电厂为核心,兼顾周围供热的联片供热为补充。随着城市集中供热规模的发展,大容量、高参数抽凝供热机组已开始采用,这些机组在非采暖期与凝汽机组的效率基本相同,在采暖期节能效果明显,在城市供热产业发展中显示出了巨大潜力。

我国传统的供热方式是燃煤锅炉区域集中供热,由于其投资少、见效快、技术稳定,加之我国国情的影响,是目前我国集中供热的重要形式之一。但是区域锅炉能量的利用率较低,热效率大多低于60%,要消耗大量常规能源。此外区域锅炉的除尘器除尘效率较低,仅达60%~70%,缺乏有效的脱硫设施,使城市冬季大气环境污染严重。

我国城市环境问题主要是燃煤引起的,空气呈现出典型的煤烟污染的特征。世界许多大城市的经验表明,改善大气污染状况的根本途径是改变燃料结构。天然气中不含粉尘和SO2,只含微量H2S,是洁净能源,用天然气供热对改善大气质量有明显的效益。按照国际上采用的把大气污染浓度或总排放量降到指标水平的成本最低分析方法,发展天然气供热是可选择的最佳方案之一。

从技术和环境的角度分析,目前大部分燃油炉只限于小规模集中供暖,而无法用于大范围的区域供热。但燃油锅炉作为集中供热的一种形式,可以用于小型别墅区、旅游区、度假村或者其他无法实施大规模集中供热地区的供暖,只要经济条件允许,无可厚非。其在我国南部供暖期短、室外气温较高的地区使用,优越性比北方明显。

按照世界供热工程发展阶段理论,集中供热可分为三个阶段:第一阶段是小锅炉、小火炉分散供热阶段;第二阶段是热电联产、区域锅炉集中供热阶段;第三阶段是低温核、热泵、热电联产等多热源联网供热阶段。我国现在正处于第二阶段,集中供热有很大的发展前景。结合我国实际情况,集中供热热源的发展前景有以下几个方面:

①太阳能供热技术

太阳能是地球上一切能量的主要来源,它是无穷无尽的,也是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源。我国是太阳能十分丰富的国家,三分之二以上的国土面积日照在2200h以上,年辐射总量接近或超过6000MJ/m2,每平方米每年可产生相当于110~280kg标准煤以上的热量。当今,将被动太阳采暖、太阳热水、太阳电池发电应用于建筑并与建筑一体化的新型太阳能建筑已在欧美、日本等国示范建成,公众反映热烈。被动太阳采暖是指靠冬季太阳高度角低的自然特性,以房屋结构本身来完成集热、贮热和释热的功能的采暖系统,它的造价增加不多,但节能效果显着。我国目前几乎所有民用建筑都没有配备生活热水装置,而提供生活热水是人们生活水平提高的一个重要标志。今后随着国民经济的持续增长,人们对生活热水的需求会迅速增加,太阳能热水器也会成为必然合理的选择。

②热泵供热技术

热泵技术是利用电能,把热能从低温热源转移到高温热源的一种供热技术。它可以把不能直接利用的低品位热源(河水、废水、海水、工业余热空气)转换为可利用的高品位热能,从而达到节约高品位热能的目的,特别是在将低品位能源转换为采暖用能,热泵有着独特的优势。热泵经过近一个世纪的发展,目前技术上已成熟,热泵装置已进入家庭、公共建筑、厂房以达到供应空调、采暖、热水所需的热量。在我国,热泵在上海、广州等南方城市已有应用,以青岛为代表的北方城市也开始着手热泵应用方面的研究。

③低温核供热技术

核能是一种有广泛应用前景的新能源。核燃料的热值比煤高270万倍。核能过去主要用于发电,近几年已逐步应用于供热。低温核供热是一种利用核反应堆单纯供热的供热方式,由于供热反应堆比用于发电的动力反应堆输出的蒸汽或热水的压力和温度低得多,其安全性大大提高,可靠近城市和热用户建设。另外投资费用也大大降低,一般仅为动力堆的1/10,其经济性可和燃气、燃油供热相比较。由于其污染小、效益高,已经在发达国家广泛应用,取得了良好的社会效益和经济效益。在我国,由清华大学核研究院研究的5MW低温核示范于1989年正式运行。从长远来看,低温核供热以其安全、清洁、高效的特点为城市供热开辟了新的道路,而且随着核技术的成熟将更加具有竞争力。

低温核供热和热泵供热这两种技术可以节省常规能源,对解决集中供热采暖中燃煤和燃油带来的环境污染和运输问题,缓解煤炭供应紧张等具有现实意义。

④地热能供热

地球是一座天然的巨大能源库,它内部蕴藏着大量热能。地热能是地球上存储的全部的煤燃烧时放出的热量的一亿七千万倍。地热能取自“天然的地下锅炉”,不需要燃烧任何燃料,省去了复杂庞大的燃料运输和燃烧系统,避免了因燃烧而产生的污染,因此是一种清洁、廉价的能源。我国的华北、山东半岛、辽东半岛等地区蕴藏有地热资源,对其合理开发利用,将对改善供热能源结构、减少污染起到巨大作用。

⑤垃圾焚烧供热

将各种工业、生活垃圾焚烧,产生热能供生产、生活使用,既有利于环境保护,还可获得较好的经济效益。国外,日本已有成熟的垃圾焚烧技术;丹麦首都哥本哈根安装有近十座垃圾焚烧炉,生产的热水用于集中供热。我国深圳等城市也已经有垃圾焚烧的成功经验。利用垃圾焚烧技术处理城市垃圾已被越来越多的城市所采纳。

四、低碳型自然能发电技术

低碳型自然能区别于常规能源是以低碳排放、零碳排放为特征。低碳型自然能涵盖了核能和可再生能源,又常简称为新能源。核能,已是国家重点开发的新项目;而可再生能源的利用,则是低碳节约型建筑所要研究的重点。所谓可再生能源,就是不会随着它本身的转化或人类的利用而日益减少,具有自然恢复能力的能源。可再生能源资源丰富,清洁安全,无废无污,不污染环境,不破坏生态,是人类社会未来能源的基石。其主要特点是:分布广泛、品位较低,具有季节性、随机性、间歇性。因此,如何提高发电效率,降低设备成本,增进运行的可靠性,包含极其丰富的科学和工程问题,它比常规能源发电复杂得多,要不断解决发展中的难题,取得技术上的突破。可再生能源发电,包括太阳能、风能、地热能发电等多种类型。本章着重研究低碳节约型建筑广泛应用的太阳能光伏发电、风能发电,以及风光互补技术。分析它们的工作原理、系统结构,以及工程应用。