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1、主编 李德英建筑节能技术可再生能源在建筑 中的应用第九章可再生能源利用现状及发展第一节太阳能光热、光伏建筑应用第二节热泵技术及应用第三节风力发电技术及应用第四节目录 Contents第五节生物质能源技术及应用1可再生能源利用 现状及发展可再生能源利用现状及发展9.1.1 可再生能源的定义及种类所谓可再生能源,是指那些随着人类的大规模开发和长期利用,总的数量不会逐渐减少和趋于枯竭,甚至可以不断得以补充,即不断“再生”的能源资源,如太阳能、地热、风能、水能、海洋能、潮汐能等。而非可再生能源,是指那些随着人类的大规模开发和长期利用,总的数量会逐渐减少而趋于枯竭的一次能源,如煤、石油、天然气等。可再生
2、能源利用现状及发展9.1.2 可再生能源利用现状当今高昂的石油、汽油和天然气价格,以及全球变暖的趋势,在一定程度上源于化石燃料的大量消费,再加上世界上主要的石油和天然气生产地中东能源供应的不确定性,使世界上许多国家的能源政策加快向可再生能源倾斜。尽管存在诸多效益问题,但可再生能源继续在许多国家的能源计划中受到重视。可再生能源的环境效益是明显的,也是重要的,与传统的化石燃料不同,可再生能源将会永远持续发展下去。替代能源的开发正在加快。200多年前开始大规模使用煤炭,100多年前开始大规模使用石油,30多年前开始大规模使用天然气,现在,煤炭、石油和天然气的价格与需求均在增长之中,使用它们都有温室气
3、体排放(GHG)问题。火电厂排放的CO2占世界排放量的40%,是运输行业排放量的一倍。即使使用天然气替代传统的燃煤,排放量也只减少一半。而用风能替代火力发电,则可避免碳排放。可再生能源利用现状及发展虽然来自替代能源的能源将起着不断增长的作用,但据预测,化石燃料在未来几十年内仍将占主要地位。今后25年内,由于各国政府的大力支持,风能和太阳能等可再生能源将以两位数增长,虽然这些替代能源的规模还相对较小,但在世界能源构成中将日显重要。我国风能资源总量为7亿12亿kW,陆地技术可开发风能资源储量大于海上,年发电量可达1.4万亿2.4万亿kWh;太阳能资源丰富地区的面积占国土面积96%以上,每年地表吸收
4、的太阳能大约相当于1.7万亿t标准煤的能量;当前可利用生物质资源约为2.9亿t,主要是农业有机废弃物;可开发的水能资源总量非常丰富,约为6亿kWh,全国水能技术开发量至少也在5亿kW以上,年可提供电量2.5万亿kWh。据我国可再生能源发展“十二五”规划介绍,水电是目前技术成熟和最具有经济性的可再生能源,到2010年年底,全国水电装机容量已达到2.16亿kW,比2005年翻了近一番。2010年水电发电量为6867亿kWh,占全国总发电量的16.2%,折合2.3亿t标准煤,约占能源消费总量的7%。风电进入规模化发展阶段,技术装备水平迅速提高。到2010年底,风电累计并网装机容量3100万kW。20
5、10年风电发电量为500亿kWh。太阳能热利用日益普及,应用范围和领域不断扩大。到2010年底,太阳能热水器安装使用总量达到1.68亿m2,年替代化石能源约2000万t标准煤。生物质能多元化发展,综合利用效益显著。到2010年底,各类生物质发电装机容量总计约为550万kW。地热能和海洋能利用技术不断发展,产业化应用潜力较大。浅层地温能在建筑领域的开发利用快速发展,到2010年底,地源热泵供暖制冷建筑面积达到1.4亿m2。潮汐能利用技术基本成熟,波浪能、潮流能等技术研发和小型示范应用取得进展,开发利用工作尚处于起步阶段,目前已有较好的技术储备。2010年,计入沼气、太阳能热利用等尚没有纳入商品能
6、源统计的品种,可再生能源利用量为2.86亿t标准煤,约占当年能源消费总量的8.9%。可再生能源利用现状及发展9.1.3 我国能源发展的战略规划与发展目标为实现“十二五”和2020年非化石能源发展目标、促进国民经济和社会可持续发展,我国政府提出了可再生能源发展的基本原则、战略目标和相应的保障措施。其基本原则如下:市场机制与政策扶持相结合。制订中长期可再生能源发展目标,培育长期持续稳定的可再生能源市场,以明确的市场需求带动可再生能源技术进步和产业发展,建立鼓励各类投资主体参与和促进公平竞争的市场机制。通过财政扶持、价格支持、税收优惠、强制性市场配额制度、保障性收购等政策,支持可再生能源开发利用和产
7、业发展。集中开发与分散利用相结合。根据可再生能源资源和电力市场分布,加大资源富集地区可再生能源的开发建设力度,建成集中、连片和规模化开发的可再生能源优势区域。同时,发挥可再生能源资源分布广泛、产品形式多样的优势,鼓励各地区就地开发利用各类可再生能源,大力推动分布式可再生能源应用,形成集中开发与分散开发及分布式利用并进的可再生能源发展模式。可再生能源利用现状及发展规模开发与产业升级相结合。通过制订完善的政策体系,建立持续稳定的市场需求,不断扩大可再生能源市场规模;在市场的规模化发展带动下,提升自主研发能力,促进产业升级壮大和成本降低,提高可再生能源产业的市场竞争力,推动可再生能源更大规模的开发利
8、用,形成可再生能源产业的良性循环和自主式发展。国内发展与国际合作相结合。保持稳定增长的国内可再生能源市场需求,吸引全球技术等资源向我国聚集,形成全球有影响力的可再生能源产业基地。同时,加强多种形式的国际合作,推动我国可再生能源产业融入国际产业体系,并积极参与全球可再生能源的开发利用,促进我国可再生能源产业在全球体系中发挥重要作用。发展的总体目标是:扩大可再生能源的应用规模,促进可再生能源与常规能源体系的融合,显著提高可再生能源在能源消费中的比例;全面提升可再生能源技术创新能力,掌握可再生能源核心技术,建立体系完善和竞争力强的可再生能源产业。可再生能源利用现状及发展我国可再生能源近中期、长期和远
9、期目标如下:近中期(2020年前后):非水能(风能、太阳能、土壤等)可再生能源开发利用量可达1.7亿3.2亿t标准煤,占一次能源总需求(假设40亿t标准煤)的4.9%9.3%:含水能(潮汐能、海洋能、水能等)可再生能源利用量可达5.4亿7.6亿t标准煤,比例为13%19%。此阶段化石能源仍是主导能源,但随着可再生能源技术的不断成熟,逐步具备更大规模的推广条件,可再生能源的贡献比例不断加大,将成为能源总需求中增量部分的主力军,在该阶段的战略定位是替代能源。长期(2030年前后):非水能可再生能源利用量可达3.2亿6.4亿t标准煤,占一次能源总需求(假设45亿t标准煤)的7.2%14%:含水能可再
10、生能源利用量可达7.9亿11.6亿t标准煤,比例为17%26%。届时可再生能源将具有较强的竞争优势,在新增能源供应中占主导地位,在整体能源系统中占重要地位,成为主流能源之一。可再生能源利用现状及发展远期(2050年左右):非水能可再生能源利用量可达7.2亿14亿t标准煤,占一次能源总需求(假设50亿t标准煤)的14%28%;含水能可再生能源利用量可达12亿20亿t标准煤,比例为24%40%。受资源、环境和温室气体排放的制约,化石能源的消费和CO2排放已达到峰值,可再生能源成为主导能源之一,能源结构的根本性改变将基本实现。可再生能源利用现状及发展9.1.4 开发利用可再生能源的重要意义非可再生能
11、源贮存量有限,终会导致枯竭;同时,矿物燃料是温室气体的主要来源,是导致环境污染和自然灾害的祸首之一。因此,开发利用可再生能源,寻找替代能源势在必行。在各种可再生能源中,太阳能是最重要的基本能源。从广义来说,生物质能、风能、波浪能、水能等都来自太阳能,太阳能不仅是“取之不尽、用之不竭”的,而且不产生温室气体、无污染,是有利于保护环境的洁净能源。我国具有丰富的可再生能源资源,随着技术的进步和生产规模的扩大以及政策机制的不断完善,在今后15年左右的时间内,太阳能热水器、风力发电和太阳能光伏发电、地热供暖和地热发电、生物质能等可再生能源的利用技术可以逐步具备与常规能源竞争的能力,有望成为替代能源。可再
12、生能源利用现状及发展2太阳能光热、 光伏建筑应用太阳能光热、光伏建筑应用太阳能(Solar Energy)一般是指太阳光的辐射能量。太阳能每年投射到地面上的辐射能高达1.051018kWh,相当于1.3106亿t标准煤,大约为全世界目前一年耗能的一万多倍,清洁安全,是永不枯竭的清洁能源,是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源之一。而现阶段,太阳能在建筑中的应用又是太阳能应用中最具有发展潜力的使用领域。现代建筑为满足居住者的舒适要求和使用需要,需具备供暖、空调、热水供应、供电(包括照明、电器)等一系列功能。太阳能建筑应用领域的科研、技术、产品开发和工程应用的总体目标,就是用太阳能代替常规能源来
13、满足建筑物的上述功能要求。随着世界太阳能技术水平的不断提高和进步,应能利用太阳能满足房屋居住者舒适水平和使用功能所需要的大部分能源供应。太阳能的利用主要通过光-热、光-电、光-化学、光-生物质等几种转换方式实现。基于这些转换方式,太阳能在建筑上的应用包括太阳能光热建筑应用、太阳能光伏建筑应用以及太阳能综合利用。9.2.1 太阳能光热建筑应用太阳能光热建筑应用主要包括太阳能热水、太阳能供暖及光热太阳能制冷空调。1.太阳能热水系统太阳能热水系统是指利用温室原理,将太阳辐射能转变为热能,并向冷水传递热量,从而获得热水的一种系统。它由集热器、蓄热水箱、循环管道、支架、控制系统及相关附件组成,必要时需要
14、增加辅助热源。其中,太阳能集热器是太阳能热水系统中,把太阳能辐射能转换为热能的主要部件。(1)太阳能集热器 经过多年的开发研究,太阳能集热器已经进入较为成熟的阶段,主要有三大类:闷晒式太阳能集热器、平板式太阳能集热器、真空管式太阳能集热器。目前,使用最广泛的为平板式太阳能集热器和真空管式太阳能集热器。太阳能光热、光伏建筑应用1)闷晒式太阳能集热器。闷晒式太阳能集热器是最简单的集热器,集热器与水箱合为一体,直接通过太阳能辐射照射加热水箱内的水,冷热水的循环和流动在水箱内部进行,加热后直接使用,是人类早期使用的太阳能热水装置。其工作温度低,成本廉价,全年太阳能量利用率约为20%,多用在我国农村地区
15、,但其结构笨重,热水保温问题不易解决。表9-1汇总了几种具有代表性的闷晒式太阳能热水装置。太阳能光热、光伏建筑应用2)平板式太阳能集热器。平板式太阳能集热器是在17世纪后期发明的,直到1960年以后才真正进入深入研究和规模化应用。其吸热面积与透光面积相同,又称为非聚光型太阳能集热器。除闷晒式太阳能集热器以外,平板式太阳能集热器的制造成本最低,但每年只能有67个月的使用时间,冬季不能有效使用,防冻性能差,运行温度不得低于0。在夏季多云和阴天时,太阳能吸收率较低。图9-1 平板式太阳能集热器及截面图太阳能光热、光伏建筑应用平板式太阳能集热器的工作原理是:在一块金属片上涂以黑色,置于阳光下,以吸收太
16、阳能辐射而使其温度升高;金属片内有流道,使流体通过并带走热量;向阳面加玻璃罩盖,起温室效应,背板上衬垫保温材料,以减少板对环境的散热,提高太阳能集热器的热效率。平板式太阳能集热器一般由吸热板、盖板、保温层和外壳4部分组成。图9-2所示为平板式太阳能集热器的结构示意图。吸热板的结构形式很多,图9-3所示为吸热板的常见断面形状。图9-3 吸热板的常见断面形状图9-2 平板式太阳能集热器的结构示意图 1玻璃盖板 2保温材料 3吸热板 4排管 5外壳 6散射太阳能辐射 7直射太阳能辐射太阳能光热、光伏建筑应用平板式太阳能集热器损失大,难以达到80以上的工作温度,冬季热效率低。由于吸收膜层暴露在空气中,高温条件下氧化严重,流道细,易结垢且无法清除,系统一般运行45年后热性能即急剧下降。现阶段在我国大中城市中使用较少,多用在我国广东、福建南部、海南地区。但由于其造价、热效率、人工费用等方面的特点与欧洲国家的国情和气候特点相符,所以在欧洲各国有着较广泛的市场和较大的市场占有率。3)真空管式太阳能集热器。为了减少平板式太阳能集热器
