解析新能源建筑及其技术

摘要： 针对我国能源情况、建筑用能居高态势及其对环境影响的问题，阐述了新能源和新能源建筑的含义，解析了太阳能建筑、风能建筑、生物质能建筑、地热能建筑以及综合性新能源建筑及其技术，提出了实施新能源建筑设计与建筑技术是建筑界永恒的课题。

关键词： 新能源； 新能源建筑； 新能源建筑技术

能源是人类生存与发展的重要基础，经济的发展依赖于能源的发展。当今能源问题已经成为全世界共同关注的问题，随着化石能源的逐渐枯竭，自然环境的恶化，人们越来越重视太阳能、风能、生物质能、地热能等新能源的利用。建筑从建材生产、建筑施工直到建筑物的使用无时不在消耗着能源，有关数据表

明，我国建筑采暖、空调、通风、照明的能耗占全国总能耗的30%左右。另外，建筑在二氧化碳排放总量中，几乎占到了50%，这一比例远远高于运输和工业领域，对环境造成了极大影响。加上我国建筑业迅速发展，急需在建筑领域开发利用新能源。新能源建筑及其技术的研究将成为建筑界永恒的课题，成为我国建筑节能发展的方向，也是我国生态环境得到改善，社会、经济全面协调发展的必由之路。

1 新能源及新能源建筑含义

1.1 新能源

新能源又称可再生能源，是指化石能源之外的各种新型能源。这些能源有的已经开发利用，大部分正积极研究与开发利用，亟待推广，如水能、太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能以及氢能与核能等。新能源具有丰富的来源，几乎是取之不尽，用之不竭，并且对环境的污染很小，是一种与生态环境相协调的清洁能源。

1.2 新能源建筑

在建筑中主要利用太阳能、风能、生物质能、地热能等新能源代替常规能源，直接与间接或被动与主动地为建筑物提供采暖、热水、空调、照明、通风、动力等一系列功能，以满足(或部分满足)人们生活和生产需要的建筑可称为新能源建筑。包括太阳能建筑、风能建筑、生物质能建筑、地热能建筑以及综合性新能源建筑等。

2 太阳能建筑及其技术

2.1 太阳能与太阳能建筑

太阳能也称太阳辐射能，是太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量。太阳能建筑可分为被动式太阳能建筑和主动式太阳能建筑。被动式太阳能建筑是直接利用太阳能量充分为建筑空间集热、采光、通风等。主动式太阳能建筑是间接利用太阳能量，通过设备进行光伏发电为建筑空间照明、采暖、通风、制冷，提供太阳能热水及太阳能空调等。

2.2 太阳能建筑技术

太阳能建筑技术通常分为被动式太阳能建筑技术和主动式太阳能建筑技术。被动式太阳能建筑技术是指不借助机械设备和复杂的控制系统对太阳能进行收集、储藏和输配并让建筑获取的技术，按照获取方式可分为直接获取技术、间接获取技术和混合式技术。无论利用哪种技术，都有5 个基本要素：采光面或收集器、热吸收装置、蓄热材料、输送系统和控制装置。

(1)直接获取技术：利用南向大面积窗户，冬季白天使大量阳光透入，夜间则用专用的保温窗帘或保温板遮挡窗口。室内地面需要用蓄热能力强的材料，如砖、石或混凝土等做成。需要根据采暖计算所需蓄热材料的面积和厚度，窗户、高侧窗和天窗成为日光进入的直接途径，这个特性需要考虑到太阳能作为热源时阳光的易变性(特别是多云天气时)和玻璃窗的热稳定性。在寒冷时段的气候条件下可以将窗户开在南向，让光线直射，并有蓄热储备，其热阻等于或大于双层玻璃，为了尽量减少热桥效应和冷风渗透，必须慎重考虑接缝处构造和窗框材料，采用常规设施采暖的地方，热控制设施应该放置于窗的外侧。这对窗户而言是有利的能量平衡条件。

(2)间接获取技术：通过集热蓄热墙、双层呼吸式玻璃幕墙、使用透明隔热材料的墙体等将热量传入室内。其中集热蓄热墙有太阳能透射墙和水墙两种类型。白天在蓄热墙的玻璃面一侧吸热，利用厚墙体的传热时间滞后，在夜间从室内一侧表面散热。为了加快早晨室温升高，在墙体的上部和下部设有进出的风口。白天墙体外表面吸收太阳的辐射热后通过导热将热量传至内表面，向室内散发；在玻璃与蓄热墙间的空气被蓄热墙体外表面加热后，热空气通过墙体上风口送入室内，室内冷空气则通过下风口进入空气间层，形成向室内连续送热风的对流循环；夜间则关闭上、下通风口，停止工作。

(3)混合式技术：通过附加阳光间式、蓄热屋顶式和对流环路式等方式获取太阳能。附加阳光间即在主体房间南侧附设与之相连的阳光间。阳光间不但有很大的窗口，而且其地面也做成蓄热体，夜间用保温窗将阳光间与主体房间隔开。为防止阳光间夏季过热，在窗上方应有可调节的排气孔和遮阳设备。蓄热屋顶式又称屋顶池式，兼有冬季采暖和夏季降温的双重功能，屋顶主要由作为蓄热体的装满水的密封袋和在其下的金属薄板顶棚既定不可移动的保温盖板组成。对流环路式，指借助冷空气自身所形成的热压差来实现热量从集热器(如太阳真空集热管)到主体房间的循环流动，一般是指利用附加在南向的空气集热器向房间供热。主动式太阳能建筑技术是指利用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、蓄存及输配太阳能并让建筑获取的技术及太阳能设施、设备与建筑一体化技术。主要利用太阳能提供热水、室内采暖、对通风空气进行预热、室内降温(较为少见)以及除湿(与干燥剂合用)等。太阳墙采暖新风技术是近年来采用的一种新型的主动式太阳能建筑技术，太阳墙系统由集热和气流输送两部分系统组成，房间是蓄热器。集热系统包括垂直墙板、遮雨板和支撑框架。气流输送系统包括风机和管道。太阳墙板覆于建筑外墙的外侧，上面开有小孔，与墙体的间距由计算决定，一般在200 mm 左右，形成的空腔与建筑内部通风系统的管道相连，管道中设置风机，用于传输空腔内的空气目前随着太阳能热水器和太阳能光伏电板的广泛使用，太阳能设施、设备与建筑一体化技术成为了热点问题，这些装置与建筑构造以及最佳集热角度一起考虑，不仅可以获得最佳集热效果，使建筑立面造型更加美观，同时又与建筑完美结合构成了独特的建筑风格造型，具有观赏性。

3 风能建筑及其技术

3.1 风能与风能建筑

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流动具有的动能称风能。风能建筑分为被动式风能建筑和主动式风能建筑。被动式风能建筑是利用自然通风改善室内热舒适和空气质量环境。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“建筑综合征”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。主动式风能建筑是采用风力发电机与建筑结合为建筑提供日常用电。

3.2 风能建筑技术

风能建筑技术通常分为被动式风能建筑技术和主动式风能建筑技术。被动式风能建筑技术即传统意义上的自然通风技术是指不借助机械设备和复杂的控制系统对风能进行收集、储藏和输配并让建筑获取的技术。应用于建筑上的自然通风可分为3 种类型：风压作用通风、热压作用通风和热压与风压的综合作用通风。3 种类型的自然通风都是由于自然形成的气压差引起的。不过，风压通风是利用自然风力引起的气压差，而热压作用通风则利用气温和湿度上的差异引起的上升浮力产生的压力。因此，建筑师需要采取不同的建筑设计使自然通风方式发挥最大效果。建筑物自然通风有4 种主要途径：单侧通风、穿堂风、烟囱效应及反烟囱效应。在进行平面与剖面上的功能配置时，除考虑空间的使用功能，也要对其热能产生或热量需要进行分析，尽可能集中配置。使用空调的空间尤其要注意其绝热性能。一方面通过建筑体形设计、朝向、建筑群的布局等，根据当地风动环境来取得最大的自然通风。另一方面，建筑物的平面形状及建筑群的布置方式也会引起气流的不同变化。各种建筑构件，如导风帽、导风板、窗户设置方式(窗户朝向)、窗户尺寸、窗户位置和窗户开启方式等都会直接影响建筑室内气流分布。例如，利用自然通风进行被动式降温是住宅建筑利用风能的主要方式，有两种途径：①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；②把夜晚凉风引入室内，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。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数据，并对场地进行调研，掌握局部风环境的情况。场地风度频率、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的影响。主动式风能建筑技术主要包括风力发电在建筑上的应用技术。建筑上一般采用小型或微型风力发电机，风车高度3～5 m，叶片直径2～4 m，非常适合夜间建筑亮化照明等用途。在设计时需要了解建筑区域的风力资源情况，同时还要考虑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，但目前已经有“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，以我国目前的情况，解决这个问题可以在建筑中采取的方式有3 种：①采用大型的蓄电池；②采用“风力—光伏”互补系统；③采用“风力—柴油机”互补系统。另外一个问题要实现设备与建筑的一体化设计，在国外已经有成功的典范，如英德联合研制出高效风能建筑———巴林世贸中心，3个巨大的风力涡轮螺旋桨被成功地安装到了Bahrain的世贸中心，架设在两座摩天高楼的中间，场面极为壮观，这是第一次把这么巨大的风力发电技术和摩天大厦结合起来。3 个巨大的涡轮机，每个直径达29 m，由设计师依据独特的空气动力学理论安装在3 个高架桥中。达到了风能设备与建筑的完美结合，同时也体现了技术与艺术的完美结合。

4 生物质能建筑及其技术

4.1 生物质能与生物质能建筑

生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能存储在生物质内部的能量，即太阳能以化学能形式存储在生物质中的能量。是以沼气(有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经各种微生物发酵及分解作用而产生的一种以甲烷为主要成分的混合可燃气体)为代表。生物质能建筑利用生物质能的主要方式是以传统的燃烧技术为主，为室内供热、烹饪服务，生物质汽化后发电为建筑提供日常用电。

4.2 生物质能建筑技术生物质能建筑技术应用比较成熟的是火炕技术和沼气技术、城市垃圾焚烧热电联产技术等。在北方农村建筑中火炕是传统的采暖技术，直接利用农作物秸秆燃烧供热，存在着能源的浪费，需利用节能炕灶技术。农村地区，沼气资源丰富，在进行建筑设计时，可考虑在厨房应用沼气灶、沼气灯等。养殖场建筑可以考虑充分利用动物粪便产生的沼气并通过沼气热电联产设备来进行发电，提供养殖场日常用电，多余的电甚至可并到国家电网。对于大型的居住区可以考虑建设自己的垃圾焚烧设备，不仅能够自行处理垃圾还能够利用垃圾燃烧产生的热量采暖或制备热水。如果采用这种方式，建筑设计中必须考虑满足功能要求的垃圾站(能够进行垃圾的分拣，投资高于传统垃圾楼)，并且该垃圾站与焚烧炉的位置要设置合理，避免二次污染。