建筑设计中可再生能源的利用探究

王雪梅  吴海燕

上海联创设计集团济南分公司

济南市规划院

建筑是全球能源需求不断增长的关键驱动因素，而建筑行业内部的发展，例如空调使用数量的增加正在对全球能源和环境趋势产生重大影响。根据国际能源署（IEA）发布的《2019年全球建筑现状报告》数据显示：建筑行业仍然占据与能源相关的二氧化碳排放总量的39%，以及终端能源消耗量的36%。追求更高能效的建筑一直是世界各国降低能耗，应对气候变化的重要手段之一。2019年，首部引导性建筑节能国家标准《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019颁布，政策标准的颁布在很大程度上可推动可再生能源在建筑设计中的利用。

１  可再生能源在建筑设计中的重要性

可再生能源具有环保、节能等突出特点。我国越来越多地方相继出台了关于支持超低能耗建筑发展的专项规划、实施方案及指导意见等纲要性文件。截至2020年6月，我国共有10个省及自治区和17个城市出台了共计47项政策，对超低能耗建筑项目给出明确发展目标或激励措施。政策文件上的支持促使要注重可再生能源的利用。

其一，将可再生能源应用于建筑设计中，能够极大程度地缓解因建筑物建设带来的环境污染，通过利用可再生能源，提高了能源的利用效率，为促进建筑物实现零能耗、超低能耗有十分明显的帮助，有效降低建筑物施工过程中能源浪费水源污染等问题。同时，利用可再生能源不仅能够满足建筑低能耗的需求，也进一步降低了建筑耗能，对推动建筑行业的可持续发展也有重要意义。

其二，通过在建筑设计中合理、恰当、科学、有效的利用可再生能源，不仅能够帮助建筑工程达到节能目标，与我国提出的相关政策要求一致，还能极大程度地减少能源浪费，改善能源结构。

２  可再生能源在建筑设计中的利用

2.1 太阳能的利用

通过对太阳能的深度利用，从而实现将其转化为热能、化学能、电能、机械能，极大程度地降低建筑物耗能。特别是通过利用光伏发电，对于解决能源短缺和环境污染有重要价值。太阳能具有光伏清洁、安全、便利、高效的特点，不仅已经成为新兴产业之一，利用光伏发电对于平衡建筑能耗有重要价值。据统计自2013年起，我国光伏发电新增装机容量连续４年超过10GW，稳居全球第一。通过将春夏秋三季的太阳能储存起来，从而在冬季用于集中采暖的热水供应，是目前我国常用的一种太阳能光热系统形式，这种方式能够实现可再生能源的最大化利用。

在建筑设计中利用太阳能，首先，需要明确太阳能应用的建设设计结构，目前主要是分为５个部分，包括采光装置或者是集光装置、吸收热量装置、存储能源装置以及调控装置，其中吸收装置的作用在于吸收能源，因此考虑到能够获得最佳的能源吸收效率，其颜色通常为黑色，而为了保证能够获得最佳的资源储备利用率，太阳能的建筑设计结构的蓄热装置一般采用为导热性较差的材料。也正是因为在建筑设计中太阳能的利用原理相对简单，且能量获取的过程也相对简单，加上成本较低，因此是一种被广泛应用的可再生能源。其次，为保证太阳能的利用最大限度的发挥出来，在进行设计的过程中，需要尽可能的避免建筑的光遮挡现象，因此必须要保证建筑的设计方向为坐北朝南。另外在设计吸收装置的过程中，也需要充分结合当地的天气情况，建筑类型以及对能源的需求量作为参考的重要标准。最后，在信息设计的过程中，还需要尽可能保证设计形体的紧密型，一定要严格按照室内的不同区域的功能进行划分。

例如天津水岸恬园二期92#楼和天津生态城15号地块二期2B期两个住宅项目80%以上的生活热水由太阳能光热系统供应。可以发现，随着对太阳能利用的研究不断深入，利用太阳能已经不仅仅局限于太阳能热水器或者是太阳能电池的安装，而是将其与建筑物实际情况结合，将太阳能灵活应用其中，最终实现整个建筑物与太阳能的完美结合。

2.2 风能的利用

通过使用可再生能源系统对建筑能源消耗进行平衡和替代是近零能耗建筑发展的重要趋势。风能作为可再生能源之一，在建筑设计中的合理优化利用，不仅能够让建筑物达到预期效果，还能够有效降低机械能源的消耗。通过合理利用风能，采取自然通风的方式有效达到预期的效果，其中实现对主体结构与门窗等部位的合理设计，能有效提高自然通风的水平，从而实现建筑物整体在自然通风的条件下展现出更好的舒适性。

通过在建筑设计中应用风能，利用室内的通风换气，形成良好的自然通风，能够在很大程度上降低室内的温度湿度以及促进室内空气更好的流动，减少空调系统的应用节约电能有重要的意义。在进行建筑设计的过程中，需要充分考虑到当地的气候条件以及风的特征，进行合理的建筑类型设计，从而确保每一个建筑单体都具有良好的通风效果。在具体设计的过程中，可以通过利用建筑物的背阳面和向阳面的压力差，从而形成空气的驱动，有利于建筑物内部更好的空气对流。对于密集建筑群体而言，空气的流动性本身较大，这种情况下则可以在建筑物中通过安装补风装置的方式，有利于增加内部的空气对流。在进行建筑物规划过程中，需要结合工程区域的风向特点，加强建筑物群体与建筑单体体量之间的组合与联通。通过合理的设置建筑物的朝向以及间距，进一步细致分析建筑物的围护结构，从而合理地设计建筑物门窗的高低以及面积，最大限度地保证室内有良好的空气流通质量。

例如，由湖南省建筑设计院有限公司（以下简称HD）设计的澳门石排湾净水厂工程为澳门特别行政区内大规模（13万m³/d）、高水质（优于澳门当地的饮水水质标准）市政供水项目，见图１。其在风能的利用上，考虑到该项目各季节的建筑前后压差都较有利于室内自然通风，因此该项目主要考虑风压通风，通过设置外窗开启实现被动式通风节能，项目建筑周围立面的通风口分布易形成“穿堂风”，有利于室内自然通风。另外该项目将主要功能空间办公区域等布置在建筑的迎风面，通过设置外窗开启实现被动式通风节能。

图１  澳门石排湾净水厂工程设计图

2.3 地热能的利用

地热能也是目前建筑设计中广泛应用的一种清洁能源，通过利用地源热泵技术有效降低建筑能耗。通过借助地源热泵技术，从而将原本低质的热能转化为高品位的热能。地热能作为一种可再生资源，可实现随时的利用，并且在使用的过程中也不会产生任何可能影响到环境的物质。而使用地源热泵进行运转的相关仪器设备，在运行的过程中也不需要水，不会影响到水资源的利用，环保性能十分明显。前期在设计阶段，通过对建筑物所在的水文地质进行勘测，制定地热资源的合理利用方案。

关于对地热能的深度利用，目前使用的案例中可以参考北京大兴国际机场中建立的地源热泵工程１号能源站，该工程就是在充分挖掘并利用地热能作用的基础上建立的工程，通过利用地热能建立的热能中心，通过提取浅层的地热能有效实现对大型机场接近２５０万m²范围内的制热和制冷。利用地热这种清洁且可再生的能源，比起既往采用的天然气能够发挥出更加明显的价值，另外还可直接节省对天然气的使用，也减少了使用煤带来的碳排放。也正是因为地热有着十分优异的性能，在北京多个地区，将进一步规划和建设基于清洁能源的供应系统，通过挖掘浅层中深层地热能，作为供热的基础热源。

特别是近几年来我国一直都通过利用各种手段有效推动绿色建筑的发展，绿色建筑的终极目标就是实现可持续性。通过合理且高效的利用地源热泵实现对建筑供暖，将极大程度地实现建筑节能。

2.４ 生物质能的利用

生物质能的主要应用是将砍伐木材或农林剩余物进行物化处理加工之后将其应用于建筑物中，从而有效减少石化能源的使用量。目前生物质能更多的使用价值是实现部分替代工业燃料，减少燃煤、燃油、燃气的消耗，降低企业减排成本。在建筑设计中的应用不及太阳能的占比高。基于生物质能而研发的各种生物质能源技术可满足特殊用户的需求。生物质能分布比较分散，但是来源广泛，因此需要有针对性的进行利用。在利用生物质能方面，可以将其作为居民生活燃气以及供热工业窑炉的燃料等。在进行垃圾处理的过程中，为避免影响到周围环境，也为了保障建筑物有达到绿色性和环保性的要求，在进行设计的过程中，需要充分考虑到建筑物垃圾的重量种类以及处理方式，从而利用生物能的运行系统以及开发系统最大限度的利用建筑垃圾，从而减少能源资源的浪费。

但是，目前整个建筑市场中针对生物质能的应用率并不高，这是因为我国生物质能产业仍然处于初步阶段，商业模式尚不成熟。面对这种情况，想要提升生物质能在建筑设计中的应用率，就需要提高生物能源设备系统集成能力，为进一步提升对生物质能的利用率，需要研发与设计使用生物质能的相关仪器设备，只有完善了相关的配套设备的研发与制造，才能够进一步提高生物质能在整个市场中的利用率。另一方面还需要构建起生物质能相关的市场网络体系在进一步完善对生物燃料的收集以及加工的投资，提供相应的售后服务，保证整个链条的完整性，这样才能够深入挖掘出生物质能的应用价值，而这对于进一步完善我国整个生物质能的应用市场有重要意义。

３  可再生能源在建筑设计利用中的注意事项

考虑到社会的快速发展，导致能源的消耗速度也在不断的增加，通过借助先进的科学技术，极大程度地提高了对再生能源的利用效率。其中建筑行业作为促进经济持续发展的重要行业，也是能源消耗最大的行业之一，现代建筑设计工作不仅要能够满足人们最基本的居住问题，更加需要为人民群众提供高品质的生活。因此在进行建筑设计的过程中，不仅需要充分合理的将绿色环保的设计理念与材料相结合，更需要注意不同可再生能源在建筑设计中的具体利用，最大限度的发挥出不同可再生能源的应用价值。

在进行设计的过程中，建筑物采用的新风系统需要与通风设备匹配，避免空调系统使用的功率过大而导致不必要的资源浪费。另外，在应用不同的可再生资源的过程中，一定要充分结合当地的气象资料，明确当地可再生能源的条件，了解其中可再生能源的优势与劣势，从而采取针对性的方案，最大限度地发挥再生能源的作用。

4  结语

可再生能源作为我国建筑节能中一个十分重要的部分，通过利用有限的资源以及较少的能源消耗，从而对获得较大的经济和社会效益有着重要意义。可再生能源在建筑设计中的应用必然会成为建筑行业中的主流趋势。特别是随着社会的不断发展，不可再生能源的消耗量越来越大，环境污染问题也越来越受到全社会乃至全世界的关注，实现绿色建筑必然会成为建筑行业发展的主要方向，而通过利用可再生能源，将成为保证建筑行业良好发展和维护环境的重要基础之一。因此，在进行建筑设计的过程中一定要基于绿色建筑的理念，在建筑设计时充分、合理、有效地利用各种可再生能源，并合理得应用到建筑物当中，从而最大限度发挥可再生能源优势，降低能源消耗，为建筑行业的可持续发展提供重要动能。

本文来源：《节能科技》2022年1月刊