3.3　可再生能源建筑应用概述

造型复杂、功能多样化的现代建筑耗能巨大，尤其依赖于电能的供应。在环境保护意识逐渐深入人心的当下，房地产建筑业逐渐认识到自身对环境和气候造成的影响，并负起应有的责任。有关专业团体、非营利组织或政府部门制定的绿色建筑认证系统，如美国的LEED、英国的BREEAM、中国的绿色建筑评价标识系统等，正在全球范围内被广泛用于推动建筑可持续性的设计或建造，以减轻建筑对环境的负面影响。

可持续发展是指既满足当代人的需要，又不以影响下一代人需要权利为代价。目前，绿色建筑是建筑领域的一个重要概念，它牵涉了建筑领域的所有方面，从早期的“低能耗建筑”“零能耗建筑”和“环境友好型建筑”发展而来，并综合考虑了能源、健康、舒适、生态等因素。

中国住房和城乡建设部提出：绿色建筑是指为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和休闲的空间，同时在建筑整个生命周期中（物料生产、建筑规划、设计、施工、运营维护及拆除、回用过程）高效率地利用资源（能源、土地、水资源、材料）、最低限度地影响环境的建筑物。绿色建筑是当代的可持续建筑。

由此可见，绿色建筑坚持可持续发展的建筑理念，其中的一个重要方面就是关注建筑节能。节能是绿色建筑指标体系中的重要组成部分，从上述绿色建筑的定义可以看出，节能技术在绿色建筑中体现为：充分利用建筑所在环境的自然资源和条件，在尽量不用或少用常规能源的条件下，创造出人们生活和生产所需要的室内环境。具体来说，绿色建筑节能是通过建筑技术的以下几个方面共同实现的：优化建筑规划设计、围护结构的节能设计、提高建筑能源效率、可再生能源的利用[18]等，而其中后两个方面直接与建筑能源策略有关。

建筑的节能策略是以减少使用有限的或不可再生能源为目标，包括降低与能源消耗相关的CO2及其他排放物（如NOx和SOx）的排放量。在一些国家或地区的绿色建筑工程实践中，以“碳中性”或“零碳”为发展目标的示范工程代表了低碳发展的一种趋势，但鉴于实际工程条件和地理位置等客观因素的限制，减少CO2的排放要比零排放目标更为合理[19]。进一步来说，绿色建筑的能源策略是在优化能源系统，通过节能措施和节能设备以及大量使用可再生能源，从而节约能源和减少碳排放量。本小节将围绕可再生能源在建筑中的应用概况展开。

从上一节所列出的可再生能源来看，太阳能、地热能、风能是在当前建筑工程实践中应用最活跃的可再生能源，生物质能在建筑中的传统应用悠久而广泛，现代生物能源技术开拓了为建筑提供能源的新方法，而生物质能利用的灵活性和多样性也使得它深受农村建筑的青睐。水能的利用除了发电，抽水蓄能系统往往作为其他可再生能源系统的补充，共同服务于一些边远地区或者离岛的建筑[20]。海洋能目前主要用于发电，但其中蕴藏的低品位热能（主要来自太阳能辐射）能够为地源热泵的换热系统所用，可成为濒海建筑的冷源。

3.3.1　太阳能在建筑中的应用

与常规能源相比，太阳能是丰富、洁净和可再生的自然资源，在建筑上具有很大的利用潜力。太阳能的光伏和光热利用可以为建筑的照明、采暖、通风、空调系统提供能源，减少或代替化石能源与核能的使用，从而缓解常规能源使用对环境造成的破坏。因此，太阳能的合理、高效利用是绿色建筑的重要内容。

太阳能在建筑中的利用包括被动利用、主动利用和混合利用。

被动式太阳能建筑尽可能通过建筑设计，充分创造辐射、传导、自然对流条件，最大限度地利用或减少太阳的热量，以降低建筑本身所需能耗，其目的在于营造舒适的室内热环境。常见的被动式技术可通过优化围护结构（如窗户和作为储热媒介的建材），同时也包括采用自然循环的太阳能热水系统或太阳能空气加热系统。

太阳能主动利用系统采用了各种设备来收集、储存和分配太阳能，通常由太阳能收集系统、储存系统和分配系统组成，用于热水供应、暖通空调和发电等。

混合利用指结合两种或两种以上利用方式，如太阳能系统或化石燃料的混合供能系统，能够取长补短，例如光伏系统补充电网或柴油发电机供电。

3.3.1.1　太阳能热利用与建筑

太阳能以电磁辐射能的形式传递能量，太阳光谱非常类似于温度为6000℃的黑体辐射，因此，太阳向宇宙空间的辐射中有99％为短波辐射，其中投射到地球大气层外部的能量占辐射总能量的4.56×10-8％，当地球位于和太阳的平均距离上时，在大气层外缘并与太阳射线相垂直的单位表面所接收的太阳辐射能与地理位置及一天中的时间无关，约为1353 W/m2，被称为太阳常数。经过大气层的吸收、散射和反射作用，中纬度地区中午前后到达地面的太阳能辐射为大气层外太阳能辐射的70％～80％，即地面与太阳射线垂直的单位面积上的辐射能为950～1100W/m2。

建筑物利用太阳辐射能的被动式技术通过对建筑方位、建筑空间的合理布置以及对建筑材料和结构热工性能的优化，使建筑围护结构在采暖季节最大限度吸收和储存热量，投资少、见效快，但受地理和气候条件的限制（详见有关章节阐述）。主动式技术利用太阳热主要靠太阳能集热器来实现，太阳能集热器吸收太阳辐射并将热能传递到传热工质，实现太阳能采暖、制冷空调、热水供应等多方面应用。太阳能集热器的分类方法很多（具体可参见3.2.2节及后续章节），通常用水或空气作为传热工质，其传热性能决定了太阳能热利用的效率。

一个建筑采暖或热水供应的太阳能供热系统的设计，很大程度上取决于当地日照条件和气候，集热器的安装角度和是否跟踪聚光也是重要的考虑因素。太阳辐射能仅在白天可以取得，但夜间往往是供暖需求高峰时段，因此，系统必须为夜间的需求储存能量，或者在晴天储备热量为阴天使用。太阳能采暖或热水供应系统，与传统的化石能源或电力做热源的供热系统相比，还须辅助热源以解决太阳辐射间歇性以及与热负荷需求时间不一致的问题。辅助热源通常采用电加热、锅炉加热、空气源热泵或地源热泵等供热方式。

太阳能热利用是建筑领域的可再生能源应用中商业化程度最高、最普遍的技术之一。成功的太阳能供热系统与建筑一体化设计不仅要体现供热系统的稳定性，还要进一步保证与建筑本体的整体协调。

3.3.1.2　太阳能光伏系统与建筑

根据光电效应原理，太阳能电池将太阳光直接转化为电能，输出功率（电能）与输入功率（光能）之比称为太阳能电池的能量转换效率。目前有多种太阳能电池，转换效率各有不同，由多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，均能用于建筑的不同围护结构上。光伏发电系统主要由光伏组件、控制器和逆变器三大部分组成。

太阳能光伏发电与建筑物相结合，产生了光伏建筑一体化（BIPV）的新能源技术。这种技术中，将太阳能光伏发电阵列安装在建筑围护结构的外表面来提供电力。具体地，光伏与建筑的结合形式有两种。

一种是建筑与光伏系统相结合。把封装好的光伏组件平板或曲面安装在居民住宅或建筑物的屋顶、墙体上，建筑物作为光伏阵列载体，起支撑作用，这是常用的、也是较为传统的光伏建筑一体化形式。将光伏系统布置于建筑墙体上不仅可以利用太阳能产生电力，满足建筑的需求，而且还能通过增加墙体的热阻，从而降低建筑物室内空调冷负荷。

另一种是建筑与光伏组件相结合，即将光伏组件与建筑材料集成化，光伏组件以一种建筑构件的形式出现，这对光伏组件的要求大大提高，是光伏建筑一体化的高级形式。在这种光伏建筑中，光伏阵列成为建筑不可分割的一部分，如光伏玻璃幕墙、光伏瓦和光伏遮阳装置等[12]。

柔性薄膜光伏电池在与建筑结合方面的重要优点是可适应建筑物外形的不同形状，还可根据需要制作成不同的透光率。随着薄膜光伏电池的技术日趋成熟，光伏转换效率和稳定性不断提高，市场前景非常看好。

光伏组件用作建材，必须具备装饰保护、保温隔热、防水防潮、适当的强度和刚度等性能，其应用还须考虑安装技术、寿命等要求。

光伏建筑一体化是光伏系统依赖或依附于建筑的一种新能源利用形式，其主体是建筑，客体是光伏系统，故光伏建筑一体化设计须综合考虑建筑本身设计条件、发电系统要求，还须要结合结构安全性与构造设计的可行性。详细内容将在后续章节中阐述。

3.3.1.3　太阳能制冷与建筑

太阳能制冷应用于建筑中主要是用来驱动空气调节系统。太阳能制冷技术可以通过两种太阳能转换方式实现：光电转换产生的电能驱动蒸气压缩式/热电制冷系统；光热转换产生的热能驱动吸收式/吸附式/喷射制冷机组。前者由于系统造价昂贵，目前难以推广，而喷射制冷的方式在实际建筑中也不多见。

当天气越热、太阳辐射越强的时候，建筑物空调的使用率越高，而高强度的太阳辐射可以提高系统的制冷量，反映了太阳能制冷空调良好的季节适应性。同时，安装在建筑外表面的集热器或光伏板适当地削弱了透过围护结构的太阳辐射，减少了建筑冷负荷，达到进一步的节能效果。

太阳能驱动吸收式/吸附式制冷系统也是一种太阳能热利用的情况，需要使用中、高温太阳能集热器，在实际应用中多与建筑采暖或热水供应系统组成混合系统。在这样的多功能系统中，一定要兼顾供热和空调两方面的需求，例如综合办公楼、招待所、学校、医院、游泳馆等都是比较理想的应用对象。这些用户冬季或全年需要供热，如生活用热水、供暖、游泳池水补热调温等，而夏季一般都需要空调，根据建筑所处的气候带，可利用太阳能全年提供所需的生活用热水，部分或全部冬季采暖，以及夏季的部分或全部空调。系统通常设有辅助热源，如燃油热水锅炉，如果遇到天气不好、日照不足、水温不够高时，即启动备用热源辅助加热，保证系统能满足全部需求。由于混合系统的各子系统相互关联，需要较高的自动控制程度。

3.3.2　地热能在建筑中的应用

建筑物所能利用的地热能有两种主要方式：直接利用和通过热泵利用。前者受地理条件的限制，各国或地区的使用程度差异巨大，少数拥有良好地热资源的国家（如冰岛、日本、土耳其）直接利用地热较为普遍。在建筑中主要的用途是采暖、生活热水供应、泳池和浴池供热。地热能直接利用牵涉的可再生能源技术较简单，在人类日常生活中的利用由来已久。

地源热泵几乎是建筑中应用最广泛的“绿色”采暖空调系统，其安装范围遍布全世界。地源热泵系统把土壤、地表水或地下水当作热源或冷源，可为建筑提供采暖、制冷空调、生活热水等功能。理论上讲，地源热泵比常规空气源热泵拥有更高的能源效率（能效比），因为地下温度比空气温度，在冬季更高，夏季更低，且波动幅度小。地源热泵概念首次在1912年的瑞士专利中出现，距今已有一个多世纪。从第二次世界大战到20世纪50年代，地源热泵在北美和欧洲引起广泛的兴趣，取得了一定的发展。20世纪70年代第一次石油危机后，地源热泵系统的研究和实践迎来第二个高峰期，并持续了20年，取得了垂直地埋管换热器的设计方法和安装标准等一系列成果。近20年来，在绿色建筑标准所倡导的可再生能源利用中，地源热泵技术的应用和研究在许多国家得到快速发展。无论在商业建筑还是在居住建筑中，用于供热和供冷的地源热泵系统，包括与其他可再生能源（如太阳能）的混合互补系统都积累了丰富的实践经验并获得了长足发展。

地源热泵系统初投资的最大部分为地下埋管换热系统。为减少初投资和扩大应用范围，将地下换热系统与各种土木基础设施构造结合的方法不断出现，如将埋管换热器置入建筑的基础、钻孔桩、地下防渗墙、地铁车站底板、隧道的围墙（隧道施工时）、隧道的内衬砌层等处，也有结合排水管道[21]，将换热器管道埋在较大直径的市政排水管或管渠外壁处。美国学者也在研究将市政垃圾填埋场作为地源热泵系统热源的潜力[22]。

同样，为了发挥水平地埋管换热器初投资低的优点，近年来对地源热泵水平地埋管系统换热性能的提升有了更多的研究，出现的螺旋线圈型、散热器型、平板型的浅层地埋管换热器，材料为高密度聚乙烯（HDPE），埋深一般在1.5～2m范围内。

大多数建筑由于所处的地理位置和气候带的关系，空调的冷热负荷并不平衡，常常是其中一种负荷占主导地位，为了维持土壤作为冷热源的热量平衡，需在地源热泵系统中整合其他技术手段，这是发展混合式地源热泵系统的一个重要原因。合理的混合式系统能减少地埋管换热器长度而降低这方面的初投资，还可以通过改变系统运行的重要参数而提高运行性能系数。目前，地源热泵系统可与以下系统组合[23]：

（1）太阳能利用系统。

（2）冷却塔。

（3）储热单元。

（4）传统空调系统。

（5）除湿系统。

（6）带热回收的恒温恒湿空调系统。

其中，储热技术往往和其他系统组合使用，太阳能的应用主要是集热器获得的热能。在一些多种可再生能源组合应用的系统中，地源热泵子系统发挥的作用也是多样化的。例如，在冷负荷占主导地位的西班牙[24]南部地区，一个案例就是采用太阳能集热系统驱动的单效溴化锂吸收式制冷机组为主体，又采用地源热泵系统来代替传统吸收式制冷系统中所需的冷却塔，提高了吸收式制冷机的性能系数，显著降低了耗电量和耗水量。

在热带和亚热带气候区，为减轻夏季空调对非可再生能源电力的依赖，意大利[25]研究人员建议：地源热泵系统宜由独立光伏系统驱动，电网作为配套备用，以提高地源热泵系统自身的可持续性。这是在光伏并网发电迅速发展的背景下提出的，由于技术和经济的原因，该研究人员认为在不远的将来光伏发电并网将逐渐失去吸引力，故发展具有自我可持续性的供能系统是减轻电网压力、扩大可再生能源利用的途径。

3.3.3　风能在建筑中的应用

在过去的几十年中，风能利用技术取得了卓越的进展，在蓄电池结构和电子设备技术等方面进步显著，风机规格也从250W增大到5MW，10MW以上的风机也在研制中，在西班牙和美国出现了装机容量超过500MW的风场。另一方面，在城区建筑中使用的现场风力发电机也显示了巨大的节能潜力。许多研究表明[26]：在建筑上实现风电建筑一体化（building integrated wind turbine）和光伏建筑一体化（building integrated photovoltaic，BIPV）同样具有可行性和吸引力。高层建筑就是风电建筑一体化最好的实践场所。但是，城市区域建筑密集，风力相对空旷场地较弱且气流不稳定，这对风力发电机提出了更高的要求。垂直轴风力涡轮具有很多优点，可以接受来自各个方向的风力，并适合于风力不稳定的环境。阻力型垂直轴风机由于切入风速低、启动性能佳、制造简单，被认为适合于建筑现场风力发电。而基于管道式风力发电机组改进的阻力型垂直风机，可安装于建筑屋顶，为既有建筑改造提供很大的方便，而且对建筑外观的影响很小。图3-25所示为一栋高层建筑的屋顶安装的改进型垂直轴风机，带有使动力增强的导向叶片。这是一个混合多种可再生能源和绿色建筑技术的系统——风光互补发电及雨水收集系统。在雨水收集器的顶端，即风机罩顶部外表面，经优化设计的区域可供安装太阳能光伏板，而风机下部采用多分割倾斜安装的光伏板形成了流体通道，便于雨水集流。雨水汇流至收集水箱后可供多种用途，包括微型水力发电。

3.3.4　生物质能在建筑中的应用

从生物质资源和能源途径（见图3-23）可见，2013年全球生物质能供应量约为55.6EJ，其中全部传统生物质（占总量约60％）以及现代生物能源中用于建筑物和工业领域的供热量13EJ（占总量约23％），大部分被建筑消耗。生物质能在建筑中的应用方式多种多样，且具有悠久的历史，属于分布式可再生能源，现代生物能源技术则更新了这项古老的可再生能源利用方式。

欧洲生物质工业协会将生物质转化分成四大类：直接燃烧、热化学转化工艺（包括热解和气化）、生物化学工艺（包括厌氧消化和发酵），以及物理化学加工（生物柴油的路线）[15]。

我国是农业大国，生物质能在农村能源消费结构中约占生活用能的70％，占整体用能的50％。但生物质的利用仍以直接燃烧的柴灶为主，效率低下，只有15％左右，故而推广先进的生物质利用技术至关重要。生物质气化可将低品位的固体生物质转化为成高品位的合成气。利用气化装置，将生物质作为气化的原料，通过热化学转换变为可燃气体，作为生活用燃气，可节约大量矿物燃料。另外，气化发电及气化循环发电（IGCC）技术也在农村可再生能源系统中占据重要地位。

建筑中应用生物质能的另一个方面是生物气体的应用。生物气体是生物质发酵（厌氧消化）产生的，也叫沼气，主要成分为甲烷。生物气体的生产至少有三种来源：农业废弃物、污水污泥和固体生活废弃物。在我国，沼气利用技术基本成熟，尤其是户用沼气，已有几十年的发展历史，形成了规模市场和产业。

现代建筑中生物质能的应用往往不是以孤立系统出现的，而是和其他可再生能源技术构成混合系统来更好地为建筑供能。根据欧盟对建筑物节能性能的要求，葡萄牙国会通过相关法律，规定2009年后建造的居住和服务性建筑必须有节能认证标签，为此一个小型旅馆的节能改造采用了图3-26所示的混合能源系统[27]。该系统由四部分组成：热电联产系统、供热系统、供电系统、太阳能光伏系统。在热电联产工艺中，采用木材颗粒或木屑作为主要原料，用热化学技术将木料气化生成合成气用于内燃发电机。生物质在气化炉中的一系列反应和普通烟道燃烧产生的排放物质并不相同，排放量也小得多，故该能源系统有助于降低温室气体排放。光伏发电系统的加入可在用能高峰期补充系统用电缺口，并在该建筑的年耗电量中占有7％～8％的比例。

生物质能的发展利用是与农业发展密切相关的，而现代农业更是受到耕地有限、人口爆炸、水资源缺乏、能源结构不合理、环境污染、气候变化等因素的影响。哥伦比亚大学的生态学家Despommier教授于1999年发展了前人提出的“垂直农业”的概念[14]。这个想法是将农业生产带入城市，安置于专门的多层建筑甚至摩天大楼内，联合运用自然日照和人工光源。在这种垂直农场中，每一滴水、每一缕光、每一焦耳能量都不会浪费，在每一种产品都能不断循环利用的前提下，没有废物产生。垂直农场实质上是将农场带进消费终端，从而避免巨大的交通运输成本和能源消耗，以及避免大量使用化肥和杀虫剂，因为害虫已被拒之门外。在这个方案中，由于采用了水培和气培技术，农作物的成长无须土壤，所需水量比传统农场减少70％～95％，而传统农场正是地球上淡水的主要消耗场所之一。封闭的温度控制系统能使全年都有良好的作物收成，避免了灾害天气导致的减产。这种垂直农业的方案尚未得到大规模实践，但在日本、荷兰和美国已有一些试验项目。垂直农业有助于解决或减轻上述影响农业发展的诸多问题，也是综合运用可再生能源技术的一种方案，与人类自身可持续发展密切相关。图3-27所示为垂直农场示意图。

3.3.5　场外可再生能源在建筑中的应用

以上可再生能源系统根据所服务的建筑进行设计，在具体建筑上安装与实施，可看作与建筑结合的可再生能源系统，或称为现场可再生能源系统（on-site renewable energy）。实际上，还有远离建筑现场的可再生能源系统可将所产电力或热力输送给建筑使用，称为场外可再生能源系统（off-site renewable energy）。一栋建筑可单独采用场外可再生能源系统供能，也可结合现场可再生能源系统同时供能[28]。建筑项目由于所处的地理位置、气候区都各不相同，可利用的可再生能源资源的潜力也各不相同，并非所有建筑都适合投资发展现场可再生能源系统。一些发达国家已经在鼓励建筑使用场外可再生能源方面采取了一系列措施。

在美国，由非营利组织——资源方案中心（center for resources solutions）管理的Green-e 能源认证体系和Green-e气候认证体系是基于自愿参加原则的国家级可再生能源和碳补偿认证标准。其中Green-e能源认证体系包括认证绿色电力（greenpower可再生能源并网发电）和颁发可再生能源证书REC（renewable energy certifications）。Green-e能源认证体系认可的可再生能源包括风能、太阳能、地热能、生物质能、低环境影响水电、波浪能或潮汐能。当一个风力发电场、一个太阳能发电站或其他类型的可再生能源设施将所发的电输送进电网时就生成一份可再生能源证书，如图3-28所示。当然，由可再生能源生产的冷、热源、蒸汽可供社区和建筑采用时也可获得可再生能源证书。可再生能源证书的出售为可再生能源提供者带来额外的收入，弥补他们对可再生能源产品的投入。这种机制使得可再生能源项目获得更多利润，使其与化石燃料（如煤和天然气）相比更有竞争力。

美国绿色建筑协会（USGBC）在LEED认证体系中明确规定了绿色建筑须如何采用场外可再生能源系统供能。当一些建筑项目本身不能生产足够的、供自身使用的绿色电力时，即现场可再生能源不足的情况下，可通过三种方式使用场外可再生能源：

（1）购买由Green-e能源认证体系认证颁发的可再生能源证书。

（2）在开放的电力市场上，购买得到Green-e能源认证体系认证的电力企业生产的绿色电力。

（3）若电力市场较为封闭，则参与获得了Green-e能源认证体系认证的绿色电力项目。

通过这几种方式，即使建筑本身未设置现场可再生能源系统，也可视为从能源库中获取了可再生能源生成的电力，减少了对化石能源发电的依赖，为减小对环境的影响做出相应贡献。

可再生能源证书制度为建筑业主利用可再生能源开拓了途径，能够扩大可再生能源的需求，鼓励发展可再生能源项目。这个制度得到美国环境保护局（EPA）、忧思科学家联盟（union of concerned scientists）、美国环境保护基金（environmental defense fund）、世界资源研究所（world resources institute）的拥护和支持，被认为是支持可再生能源发展的一条有效途径。在2010年，数千LEED项目购买了绿色电力或可再生能源证书，其中包括在华盛顿特区的美国绿色建筑协会总部大楼。

当建筑中消耗燃料来满足炊事和热水供应，如能采用生物燃料或沼气作为能源，则视为现场可再生能源利用。同样地，当不具备直接采用可再生能源做燃料的条件而使用传统化石燃料的建筑项目，还可以通过购买所谓的“碳补偿”来平衡燃烧这些化石燃料所排放的温室气体。

一份“碳补偿”代表着减少1t二氧化碳当量（CO2e）的温室气体排放量。只有由第三方认证的、可量化的、永久性的温室气体减排量，才是被Green-e气候认证体系及其他碳补偿认证标准承认的“碳补偿”。图3-29所示为温室气体减排的一种方式，演绎了一个典型的生物质能利用技术。

建筑开发商只要从温室气体减排项目中购买经高品质检验的一定量“碳补偿”，就相当于为这些减排项目提供了资金支持，有助于提高相关生产企业的经济效益。购买碳补偿的措施，激励了温室气体减排项目更进一步的发展，这也是LEED认证系统对绿色建筑评估要求之一，从另一个方面促进了可再生能源的发展和利用。