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1、第4章建筑节能设计与技术4.4可再生能源利用技术降低能源消耗是绿色建筑最重要的特降低能源消耗是绿色建筑最重要的特征之一征之一 广义地说，建筑能耗由建筑物内使用能耗、建材生产能耗和建筑物建造能耗三部分组成。狭义的建筑能耗是指建筑建成以后，在使用过程中每年消耗商品能源的综合，包括采暖、通风、空调、热水、照明、电器、炊事等方面的用能。两个问题：两个问题：1 1 绿色建筑的能源从哪来绿色建筑的能源从哪来 可持续能源是清洁能源，是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布广泛，适宜就地开发利用，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等
2、。2 2 能源如何在建筑中运用能源如何在建筑中运用一、太阳能一、太阳能1 1 太阳能的基本概念太阳能的基本概念 定义定义：指太阳所负载的能量，它一般以阳光照射到地面的辐射总量来计量，包括太阳直接辐射和天空散射辐射的总和。 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能利用的优点太阳能利用的优点（1）储量的无限性（2）存在的普遍性（3）利用的清洁性（4）利用的经济性太阳能利用的缺点太阳能利用的缺点1.分散2.随机3.间歇中国的太阳能资源中国的太阳能资源中国的太阳能资源中国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四
3、川盆地和与其毗邻的地区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本、欧洲条件优越得多，特别是青藏高原的西部和东南部的太阳能资源尤为丰富。分布总趋势：北高南低，西高东低。中国太阳能资源分布中国太阳能资源分布光热技术光热技术通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，简称光热技术。 光伏技术光伏技术通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术。光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳光导光照明技术太阳光导光照明技术由集光机+石英光纤传输导线+尾端投射灯具组成的太阳光导光照明系统又称“向日葵采光系统”。太
4、阳能技术太阳能技术太阳能技术太阳能技术2 2 太阳能热水器太阳能热水器1）太阳能贮存方式）太阳能贮存方式显热贮存显热贮存 物质因温度变化而吸收或放出的热能称为显热。 潜热贮存潜热贮存 伴随物质的相变过程进行的，利用物质发生相变过程中吸收或放出大量潜热而基本保持温度不变。2）太阳能热水器的理论）太阳能热水器的理论基础基础 当集热器受太阳辐射后，水温升高，容重变轻，集热器内热水受热压作用进入储水箱 ，同时，储水箱下部的冷水补充进入集热器，接受太阳辐射加热，随后则重复前述过程，从而达到提供热水的目的。3）太阳能热水器分类）太阳能热水器分类依据集热技术上的发展可分为三个阶段： 闷晒式，平板式，真空管式
5、。 人们设计出第一代太阳能热水器闷晒式太阳能热水器。它是一个由镀锌薄铁板或铝合金薄板制作的表面涂以黑色涂层的储水箱，利用黑色物体吸热效果较好的原理进行工作。这种太阳能热水器的特点是：在阳光照射强度较大时吸收热量，而当阳光照射强度减弱时又向外界散发热量。平板式太阳能热水器对太阳辐射热能的吸收是靠一块集热平板完成的，集热平板由对热量传递较快的铝合金薄板或紫铜薄板制作，这大大提高了太阳能热水器的集热效率，其运行原理是集热平板将所吸收的热能传递给平板下的水，集热平板底部和上部各有一个管道接口和位于比集热平板稍高的带有保温层的储水箱相连，利用冷、热水比重不同的原理进行自然循环，将集热平板所吸收的热能传递
6、到储热水箱中储存供人们需要时使用。虹吸原理：就是连通器的原理虹吸原理：就是连通器的原理虹吸现象是液态分子间引力与虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低压力差，使水上升后再流到低处。由於管口水面承受不同的处。由於管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的边的大气压力相等，容器内的水面变成相同的高度，水就会停止流动。利用虹吸现象水面变成相同的高度，水就会停止流动。利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。很快就可将容器内的水抽出。利
7、用真空中热量不易散失的原理研制新一代太阳能集热部件玻璃真空集热管。将玻璃罩管和集热面之间的空气抽出后利用玻璃的热塑性进行收口，使玻璃罩管和集热面之间形成真空，起隔绝热传导的作用，玻璃良好的透光性又保证了集热面能最大限度的吸收太阳辐射的热能。玻璃真空管热水器主要由水箱、全玻璃真空管、反射板和 支架组成热管式集热器的工质是一种相变材料，密封装于管状容器内。当工质（热媒）受到太阳辐射热作用时，即升温、蒸发或升华，将热量热管式集热器（热水器） 蒸发或升华，将热量带入水箱，加热箱内贮水，热媒即被冷却、液化或固化之后，热媒受重力作用返回低端，再受热、再蒸发或升华，送热进水箱，如此往复循环。3 3 太阳能建
8、筑太阳能建筑主动系统主动系统被动系统被动系统 有机械循环动力作为重要组成环节参与的太阳能建筑是主动式太阳能建筑，反之，在建筑物捕获、利用太阳能的过程中，没有机械动力作为主要环节参与的则称之为被动式太阳能建筑。 被动式太阳能利用的主要类型被动式太阳能利用的主要类型1.1.直接式直接式2.2.蓄热墙式蓄热墙式3.3.阳光间式阳光间式4.4.蓄热屋顶式蓄热屋顶式直接得热式：直接得热式：定义定义：利用南向大面积窗户，冬季白天使大量阳：利用南向大面积窗户，冬季白天使大量阳光透入，夜间则用专门的保温窗帘或保温板遮挡光透入，夜间则用专门的保温窗帘或保温板遮挡窗口。室内地面需用蓄热能力大的材料，如砖、窗口。室
9、内地面需用蓄热能力大的材料，如砖、石或混凝土等做成，在白天吸收并蓄积热量，夜石或混凝土等做成，在白天吸收并蓄积热量，夜间不断向室内释放，使室内维持相对稳定的温度。间不断向室内释放，使室内维持相对稳定的温度。其他朝向的各面维护结构则尽量加强保温，减少其他朝向的各面维护结构则尽量加强保温，减少热量散失和冷风渗透。热量散失和冷风渗透。直接得热式：直接得热式：特点特点：该系统让太阳辐射直接进入室内，让室内：该系统让太阳辐射直接进入室内，让室内的墙面和地面蓄热，因此，需要根据采暖计算所的墙面和地面蓄热，因此，需要根据采暖计算所需蓄热材料的面积和厚度。其优点是，在拥有充需蓄热材料的面积和厚度。其优点是，在
10、拥有充足阳光的同时拥有开阔的视野，需要增加的额外足阳光的同时拥有开阔的视野，需要增加的额外建设费用很少，效率很高；缺点在于室内温度波建设费用很少，效率很高；缺点在于室内温度波动大，容易发生夏季过热的情况，为了保证蓄热动大，容易发生夏季过热的情况，为了保证蓄热材料暴露在直射阳光下，需要限制铺设地毯，在材料暴露在直射阳光下，需要限制铺设地毯，在墙上挂画或增加木装饰等行为。墙上挂画或增加木装饰等行为。直接得热式：直接得热式：设计方法：设计方法：在寒冷时段的气候条件下，对窗户而言有利的能在寒冷时段的气候条件下，对窗户而言有利的能量平衡条件是：量平衡条件是：窗户南向，光线直射，有蓄热储备窗户南向，光线直
11、射，有蓄热储备其热阻等于或大于双层玻璃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。于窗的外侧。被动式太阳能建筑设计被动式太阳能建筑设计蓄热墙式蓄热墙式特朗伯集热墙特朗伯集热墙（TROMBE WALL）特朗伯集热墙是一种依靠墙体独特的构造设计，无机械动力、无传统能源消耗、仅仅依靠被动式收集太阳能为建筑供暖的集热墙体。它由法国太阳能实验室主任Felix Trombe教授及其合作者首先提出并实验成功
12、的，故通称为Trombe wall（特朗伯墙）。冬季白天，有太阳时，在集热墙与外层玻璃之间出现温室效应，薄片间层的空气被加热，通过集热墙顶部与底部的通风孔可以向室内对流供暖。夜间依靠墙体本身的储热则可向室内辐射供暖。在晚上，特朗伯墙上下两处的通风孔要关闭，玻璃和墙体之间最好设置绝热窗帘或百叶，以防止墙体向室内辐射传热的同时也向室外辐射散热。墙体向室内辐射的热量加热靠近墙面的空气，被加热的气流同室内气流通过对流得以向室内供暖。在夏季的白天，在集热墙和玻璃之间设置绝热窗帘或百叶等绝热层，绝热层外表面用浅色或铝箔以尽可能地反射太阳辐射。玻璃窗的顶部和底部的通风孔均开启，玻璃与绝热层之间的空气受太阳辐
13、射加热上升，由顶部通风孔流出，冷空气则由底部通风孔进来，在此空气间层保持空气流动，避免温室效应造成的热空气在间层处聚积。夜间，玻璃上的上下两个通风孔依然保持开启，但此时，将墙体外挂的活动绝热窗帘等绝热层移开，使特朗伯墙的墙体向室外辐射散热，得到冷却。墙体冷却以后可继续从室内吸收热量。同时打开集热墙的上下两个开口，室外的冷空气从下口进入室内，室内热空气从上口排出，室夜间室外的冷空气同室内交换。特朗伯墙冬季白天工作原理特朗伯墙冬季夜间工作原理特朗伯墙夏季白天工作原理特朗伯墙夏季夜间工作原理被动式太阳能建筑设计被动式太阳能建筑设计蓄热墙式（水墙）蓄热墙式（水墙）被动式太阳能建筑设计被动式太阳能建筑设
14、计附加附加阳光间阳光间 这种形式是在房间南侧附建一个阳光间（或陈日光温室），阳光间的围护结构全部或部分由玻璃等透光材料做成，可以将屋顶、南墙和两面侧墙都用透光材料，也可以屋顶不透光或屋顶、侧墙都不透光，阳光间的透光面宜加设保温窗帘、板;阳光间与房间之间的公共墙上开有门、窗等空洞。阳光间得到阳光照射被加热后，热空气可通过门、窗进入室内，夜间阳光间温度高于外部环境温度，可以减少房间向外的热损失。被动式太阳能建筑设计被动式太阳能建筑设计蓄热屋顶式蓄热屋顶式被动式太阳能建筑设计被动式太阳能建筑设计蓄热屋顶式蓄热屋顶式4 4 太阳能光电技术太阳能光电技术 太阳能光电技术，即光伏发电，是应用半导体器件将太
15、阳光转换为电能的技术，具有安全可靠，无噪声，无污染，无需燃料，无机械转动部件等优点。 太阳能光电技术在建筑中的应用发展方向为光伏建筑一体化，即是指在建筑外表面设置光伏器件，将太阳能发电与建筑功能集成在一起的新型能源利用方式。 但目前用于商业生产的太阳电池效率只有，而在实验室不计成本制成的太阳电池效率也不过。太阳能光伏电池制造成本虽逐年下降，但仍处于较高的水平，相应的发电成本与常规能源尚不具备可比性。典型案例分析德国弗赖堡德国弗赖堡Sonnenschiff太阳能太阳能城城可口可乐可口可乐( (中国上海紫中国上海紫竹科技园区竹科技园区 ）大楼）大楼台湾高雄的世运太阳能台湾高雄的世运太阳能体育场体育
16、场德国弗赖堡德国弗赖堡Sonnenschiff太阳能城太阳能城它着眼未来的绿色环保建筑群，采用了多项环保设计。其中，该中心的太阳能设施有助于减少能源消耗，园区内路灯由风能供电，园区外围照明可根据环境的光照强度自动开关。同时，园区内采用了雨水收集系统，经过处理的废水和雨水处理后，可为办公大楼卫生间冲洗和园区50%面积的绿化灌溉提供用水，这一设计将为园区每年节约大约60%的用水量。同时，由于采用了高能效的整合设计模式，整个园区的用电峰值降低了近15%。 这些房屋都是按照Passivhaus标准设计的，有获得被动式太阳能采暖和日光的广阔通道。每所屋子都有很简单的伸出很长的屋顶棚沿，从而让冬天的太阳照
17、进来同时遮挡夏天的太阳。 Sonnenschiff顶部的阁楼为天台花园提供阳光，使太阳能资源得以充分利用。天台特有的雨水回收系统用来灌溉花园和为洗手间供应洗涤用水。 在冬季房子也使用烧木片的锅炉取暖，进一步降低了它们的生态痕迹。运用先进技术，如相变材料和真空保温，显着提高了建筑物墙系统的热性能。德国弗赖堡德国弗赖堡Sonnenschiff太阳能城太阳能城2011年12月21日星期三44德国弗赖堡德国弗赖堡Sonnenschiff太阳能城太阳能城2011年12月21日星期三45项目产生的能源数量相当于其消耗能源的4倍智能定位是一个最大限度地提高能源使用效率的关键性战略。这些建筑物是分开的，以便冬
18、季能为低层提供足够的光线该项目的内部空间有很多自然光（注：这个办公室没有开灯）三层窗格的窗户顾及到了很多玻璃避免了热损失2011年12月21日星期三54可口可乐(中国上海紫竹科技园区）大楼2011年12月21日星期三55办公大楼屋顶太阳能热水系统供应园区内热水2011年12月21日星期三56太阳能和风能发电的路灯太阳能和风能发电的路灯2011年12月21日星期三58台湾高雄的世运太阳能体育场该体育场位于高雄市。 体育场有55000个观众席，造价为1.5亿美元。体育场的表面由8844块太阳能电池板覆盖，这些电池板面积有14155平方米，这使它成为世界上最大的太阳能体育场。它能产生1.14千兆瓦每
19、小时的电力，足够供给周围80%居民的用电量。 这座馆场，拥有多项第一，它是全球第一座开口的巨蛋、全球第一座具有一百万瓦太阳能发电容量的运动场，且是台湾第一座同时符合国际田径总会IAAF及国际足球总会（FIFA）要求的标准球场。 高雄世运主场馆以生态、节能、减废、健康的绿建筑为目标。55000个座席二、地热能二、地热能1 1 地热能的基本概念地热能的基本概念 定义定义：是来自地球深处的可再生热能。它来源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，这种热能的储量相当大。2 2 地热
20、能的优点地热能的优点地热随时随地可以使用，不受气候及季节的限制地热能源的可靠性很高地热取之不竭开采设备占地很小，主要部分在地下3 3 地热能分类地热能分类地下热水浅层土壤干热岩石热熔岩4 4 地热能利用地热能利用地下热水地热能利用技术地热水采暖地热水空调地下热水地热能发电技术地源热泵利用技术封闭式地源热泵系统形式之一封闭式地源热泵系统形式之一封闭式地源热泵系统形式之二封闭式地源热泵系统形式之二 地源热泵，是一种利用地下浅层地热资源（包括地地源热泵，是一种利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的一种新下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的一种新型能源利用技术。地
21、源热泵属于热泵的一种。型能源利用技术。地源热泵属于热泵的一种。在夏天在夏天，大地充当一个冷却塔。，大地充当一个冷却塔。在冬季在冬季，大地充当一个锅炉。，大地充当一个锅炉。 地源热泵系统，吸热管多采取垂直立管方式，深度可达10100m或以上三、生物质能三、生物质能1 1生物质能的基本概念生物质能的基本概念 定义定义：是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内的能量，通常包括木材、森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。2 2 生物质能的优势生物质能的优势用本地资源代替进口能源，减少国家对进口能源的依赖性 使本国燃料利用多样化，减少对一种能源的依赖一种相对清洁的能源 生物质资源分布广泛，到处可以获得 3 3 生物质能的利用生物质能的利用目前生物质利用技术的种类较多，涉及生物质的气化、固化和液化几个方面。生物质气化发电生物质气化发电生物质气化供气生物质气化供气四、风能四、风能1 1 风能的基本概念风能的基本概念 定义定义：风能就是空气的动能，是指风所负载的能量，风能的大小决定于风速和空气的密度。2 2 风能的利用风能的利用目前对风能的利用以风力发电为主。
