生态住宅新能源循环利用系统

生态住宅新能源循环利用系统PAGEI生态住宅新能源循环利用系统曹丽热091090562摘要：随着中国经济的发展，人们对于生活品质要求越来越高，与此同时对能源需求也迅速扩大，主要体现在住宅的冷暖气、厨用燃气及热水供应上。传统设备的使用，不但需要消耗大量电能和燃气，也对电网造成巨大压力。“生态住宅新能源循环利用系统”，利用智能控制系统集成了生物能、太阳能和吸收式冷热机组，通过将有机废物（秸杆等）转化为沼气，然后燃烧推动吸收式冷热机组提供热源。太阳能集热板则用来辅助加热并维持沼气产率高效稳定的最佳温度。关键词：生态住宅，新能源，节能PAGE17目录一． 前言 11.1研究背景 11.2生态住宅共同具备的一些基本性能 11.3生态住宅有以下三大特点 2二．农村住宅可再生能源利用设计理论 22.1相关理论基础 22.1.1能源替代理论 22.1.2技术系统论 32.1.3耦合理论 32.2技术要素 32.3农村住宅可再生能源利用耦合设计模式 4三．太阳能利用技术系统应变耦合 53.1太阳能集热墙技术系统耦合模式 63.2太阳能热水技术系统耦合模式 73.3太阳能热采暖技术系统耦合模式 73.4太阳能温室技术系统耦合模式 83.5太阳灶技术系统耦合模式 83.6农村太阳能建筑系统耦合模式 8四．生物质能利用技术系统连续共生耦合 94.1沼气池技术系统耦合模式 104.2燃池技术系统耦合模式 104.2.1燃池技术耦合系统经济综合评价 104.3秸杆气化技术系统耦合模式 124.3.1基本模式 134.4旱厕技术系统耦合模式 13五．能源综合利用技术系统一体共生耦合 135.1共生模式的共同特点 145.1.1强调能源综合利用 145.1.2开发、利用新能源和可再生能源 155.1.3以“适宜技术”为支撑 15参考文献 16前言1.1研究背景从中国能源发展的趋势和环境保护的要求来看，实现能源与环境的协调发展，必须要长期实施节能优先战略，推进能源结构“绿色化”进程，推行农村能源的可持续发展。解决中国农村能源环境污染的根本途径是大力发展适合农村的现代可再生能源，减少污染环境、危害健康和破坏生态的柴薪和秸秆能源使用。迫切需要解决支持农村可再生能源发展的政策问题，尤其是如何尽快降低农民低收入群体“享受”可再生能源的费用。在能源紧张、国家加速推进可再生能源利用的背景下，合理开发利用农村可再生能源技术，能够有效缓解农村能源短缺，增加农民收入，提高生活质量，优化农村环境，促进农村经济社会可持续发展。所谓生态住宅是根据当地的自然环境，运用生态学、建筑学的基本原理及现代科学手段，合理安排并组织住宅与其他相关因素之间的关系，使住宅和环境等成为一个有机的结合体。生态住宅是近年来兴起的一种居住概念，它以可持续发展的思想为指导，意在寻求自然、建筑和人三者之间的和谐统一，即在以人为本的基础上，利用自然条件和人工手段来创造一个舒适、健康的生活环境，同时又要控制对自然资源的使用，实现向自然索取与回报之间的平衡。1.2生态住宅共同具备的一些基本性能1)生态住宅首先要有合理的选址和规划，要尽量保持原来已有的生态系统，尽量减少对周边环境的不利影响。2)生态住宅要实现资源的高效循环使用，降低资源消耗，并尽量使用再生资源，而且要充分考虑有合理的自然通风、日照、交通等。3)生态住宅要采取各种节能措施，有效地减少能源的消耗。要尽可能采用如太阳能、地热、风能、生物能等自然能源。4)生态住宅要尽量减少废水、废气、固体废物的排放，并采用各种生态技术实现废水、废物的无害化和资源化，使其得到再生使用。5)生态住宅要积极使用各种环保建材来控制室内空气中各种化学污染物质的含量，使室内有良好的日照，自然通风和一定标准的舒适度，保证健康、舒适的室内环境质量。6)生态住宅要有建筑功能上的灵活性、适应性和易于维护的建筑体系。1.3生态住宅有以下三大特点1)健康舒适。现代人一生中有1/2的时间是在住宅内渡过的，因此，改善人的生存环境，提高人的生命质量是生态住宅的主题。它将通过各种生态技术手段合理地提高建筑室内的舒适性，使室内的热舒适、光舒适、声舒适等提到一个新的水平。当然，这个舒适是以健康为前提的。生态住宅特别强调保证室内环境的空气质量，这就要求建筑物有良好的自然通风换气，要有充足的日照，要控制使用含有有害物质的建筑材料，要防噪声、防尘、防幅射。2)高效清洁。高效意味着生态住宅在整个生命周期中尽可提高资源和能源的使用效率。减少材料和能源消耗，积极采用洁净能源和再生材料。清洁意味着生态住宅要减少排放废物、废水、废气，使废水、废物无害化、资源化，实现废物的再利用，最大限度地减轻对自然生态环境的污染和破坏。高效清洁使生态住宅把提高资源能源的利用效率和减少污染保护生态环境这两大课题结合起来，以最低的成本和最少的污染换取最大的社会经济环境效益。3)和谐优美。生态住宅对自然环境来说是清洁高效的，对使用者来说是健康舒适的，使人、建筑、自然三者的关系处在相融的和谐之中，生态住宅是在遵循生态规律基础上的创造，它的本质并非形式问题，而是其深刻的社会使命。由于实现生态目标的技术所包含的多样性和发展变化，使得生态美的展示充满生命力和创造性，生态住宅可以包含传统建筑美学的文化层面和形式层面，但它是一种可以看到且感受到的全方位的和谐、优美。因此，它是现代建筑发展的新阶段，它的和谐将可能发展出一种内含深刻的形式优美[1-3]。二．农村住宅可再生能源利用设计理论2.1相关理论基础2.1.1能源替代理论能源替代理论（energysubstitutiontheory）以微观生产理论为基础，研究整体经济或制造业部门的能源、资本和劳动之间的替代关系。它可以告诉我们，能源和其他生产投入要素在多大程度上能够替代或互补。替代是能源经济学的一个基础问题，包括能源的内部替代与外部替代。内部替代研究能源产品之间的替代性，如石油与煤炭的替代；外部替代研究能源与其他投入要素的替代性，如能源与资本的替代性。替代涉及投入要素的最优配置，而环境问题的外生性则影响资本对能源的替代[4]。2.1.2技术系统论技术系统是由相互作用的输入、运作、输出三个子系统结合成特定的结构，从而具有独自的功能并在自然和社会环境中进化的整体。技术系统又可陈述为由他组织（拟为heter-organization）系统与自组织（self-organization）系统相结合的系统，并可用系统的动力学方程来描述。在现代科学领域中广泛的使用着组织的概念，它是指按一定的目的、任务和形式加以编制，属于一类特殊的演化过程。在逻辑上，组织是属概念（上位概念），而自组织与他组织均是种概念（下位概念），它们都属于组织的真子类，其基本原理包括突现原理、开放性原理、非线性原理、反馈原理、不稳定性原理、支配原理、涨落原理、环境选择原理。自组织的实现过程有：自创生、自生长、自适应、自复制、自镇定、自学习等形式。他组织系统的特点是原因与结果、指令与行动之间的作用（激励）和响应的过程，这种原因与结果、指令与行动的界限绝对分明，可作完全因果性的描述[5]。基于技术系统论本文将农村住宅及可再生能源利用技术作为系统展开研究，把住宅系统分为围护系统、结构系统、用地系统、室内系统和机械五个系统，把技术系统作为作为住宅的装置来研究，探讨技术系统本身的集成，继而研究与住宅系统的关联[5]。2.1.3耦合理论生态学中的系统耦合指两个或两个以上性质相近的生态系统具有互相亲合趋势，当条件成熟时它们可结合为一个新的高一级的结构——功能体。当条件、参量适当时系统势能延伸可使不同系统实现结构功能的结合，产生新的高一层的系统，它不是原系统量的增大，而是新功能体——具有新质的较高层次系统，它联通两个或两个以上系统发生系统耦合，由此产生的新系统称为耦合系统[6]。2.2技术要素耦合设计的最终的目的还是要指导新农村建设，营建东北地区农村居住模式。而营建的关键点就在于应用或者发明某些适宜的、具有节能降耗和较好环境效益的技术。“适宜技术”一词提出源于吴良镛先生所说：“对中国建筑来讲，一切先进的技术都可采用，而各种适宜技术或把传统技术稍稍现代化一点也适应中国的需要”，是指针对当地的自然地理气候条件，采用传统建筑技术并加以改进。本文所研究的农村住宅适宜技术要素主要指生物质能利用技术、太阳能利用技术、风能利用技术及其它能源利用技术等（见表2-1）[3]。表2-1技术要素分类Tab.2-1Classificationoftechnologicalelements要素层面技术要素可采用的技术策略可再生能源利用利用生物质能沼气池技术燃池供暖技术秸秆气化技术旱厕技术利用太阳能太阳能集热墙体太阳能热水系统太阳能采暖系统太阳能温室太阳灶技术2.3农村住宅可再生能源利用耦合设计模式为研究方便，本文把燃池技术系统、卵石蓄热技术系统和温室技术系统作为住宅的一个装置来考虑，自耦合模式研究技术系统中各个子系统的集成，其关系表现为耦合关系，通过改进设计装置提高其耦合度，从而提高系统性能。技术系统与住宅各个系统集成中，表现为一种耦合关系，在两者关联通道的耦合界面内进行能量、物质的交流，这种交流可以促进装置与住宅系统形式上的分工，弥补每一种系统在功能上的缺陷；有助于各系统的相互适应、相互促进；有助于耦合体的增益。分析农村住宅的建筑要素及技术要素，通过耦合界面，构建太阳能利用技术系统与住宅系统的应变耦合设计模式、生物质能利用技术系统与住宅系统的连续共生耦合设计模式、太阳能、生物质能综合利用技术系统与住宅系统的一体共生耦合设计模式、其它新能源利用技术系统与住宅系统的耦合设计模式（图2-1），限于篇幅，本文主要研究前三种耦合设计模式。图2-1耦合设计过程及模式示意图Fig.2-1Schematicdiagramofcouplingdesignprocessandmode三．太阳能利用技术系统应变耦合图3-1太阳能利用技术系统耦合过程及模式示意图Fig.3-1Schematicdiagramofcouplingprocessandmodeofsolarenergyutilizationtechnologysystem应变思想为研究太阳能利用技术系统与农村住宅系统的耦合提供了一个很好的视角。太阳是一个巨大的能源。它辐射到达地球表面的能量高达4×1015mW，相当于每年3.6×105亿tce，约为全球能耗的2000倍[7]。在设计中充分考虑太阳能技术装置与农村住宅系统耦合，对不同的耦合界面采取适宜模式及应变策略。太阳能利用技术系统应变耦合模式主要包括太阳能集热墙技术系统应变耦合模式、太阳能热水技术系统应变耦合模式、太阳能采暖技术系统应变耦合模式、太阳能温室技术系统应变耦合模式、太阳灶技术系统应变耦合模式。各技术系统在与住宅系统的关联界面内进行能量的交换，形成新的耦合技术系统，其耦合过程见图3-1。3.1太阳能集热墙技术系统耦合模式太阳能集热墙技术系统耦合模式是指太阳能集热墙技术系统自耦合及其与住宅围护系统和室内系统应变耦合，从而使建筑围护结构与通风、被动式采暖以及被动式冷却相结合，在改善室内热环境方面起到积极的作用。其工作原理是利用太阳辐射能量产生热压，诱导空气流动，将热能转化为空气运动的动能。太阳能集热墙系统包括太阳能集热墙体以及太阳能集热屋面。在太阳辐射的作用下，将会诱导热压作用下的自然通风，从而实现房间的被动式采暖与降温。图3-2集热墙工作原理示意图Fig.3-2Schematicdiagramofworkingprincipleofheatcollectingwall太阳能集热墙体的冬季采暖工况：关闭风阀3和4，打开风阀1和2，室内空气自然通风实现采暖；关闭风阀2和3，打开风阀1和4，室外空气自然通风实现全新风采暖。夏季自然通风工况：关闭风阀1和4，打开风阀2和3，通过自然通风排除室内余热[8]。多数太阳能集热屋面主要是针对夏季被动式制冷工况，它可以诱导自然通风排除室内余热,提高房间换气次数，改善夏季室内热环境（图3-2）。3.2太阳能热水技术系统耦合模式太阳能热水技术系统耦合模式是指太阳能热水技术系统自耦合及其与住宅机械系统和室内系统应变耦合的模式。太阳能热水系统是一种利用太阳能辐射能通过能量交换把水加热的装置。太阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸收，而向外反射和对流的能量受到玻璃和箱的阻挡，被保留在箱内，这样箱体内的能量不断聚积，温度不断升高，甚至可达100℃～200℃。一般家庭用的热水器水温可达40℃～60℃。太阳能热水系统一般由集热器、贮热装置、循环管路和辅助装置组成，其中集热器是热水器的心脏，是一种热交换器；贮热装置（水箱）是太阳能热水器，贮存热水前减少向周围环境散热的装置；循环管路的作用是连接集热器和贮热装置，使之形成循环加热系统；辅助装置诸如支架，水位显示器、温度控制器、循环水泵各种管件接头、夹具、阀门等零部件。3.3太阳能热采暖技术系统耦合模式太阳能热采暖技术系统耦合模式是指太阳能热采暖技术系统自耦合及其与住宅围护系统和室内系统应变耦合的模式。太阳能采暖包括以空气为介质的系统和以水为介质的系统。太阳能空气采暖系统由空气集热器、蓄热装置、风机、辅助热源以及风道等组成。与后者相比，它可以避免集热器的冻结以及腐蚀等问题，其缺点是风机电耗较高、蓄热装置的体积较大、空气渗漏较严重、集热效率较低。以水为介质的太阳能采暖系统是太阳能热水系统的进一步发展，它的集热效率比太阳能空气采暖系统高，通过适当增加太阳能集热器的采光面积，太阳能采暖系统可以和太阳能热水系统联合使用。目前，在十分重视环境保护的欧美国家，己经建成大批集太阳能热水和采暖于一体的复合系统，这为本文的研究提供新的视角。我国太阳能热水与地板采暖复合系统，该系统己进入实验测试阶段。特别值得注意的是，地板采暖要求的水温为40℃～45℃，这种形式采暖不仅保证了房间气候的热舒适性，而且其单位面积能耗大大下降，一般在20W/m2～50W/m2。通常1m2太阳能集热器可以配置3m2～5m2采暖面积。山东建筑大学王崇杰等针对北方农村实用火炕采暖的传统习惯，设计了一种新型太阳炕系统。利用低温地板辐射采暖技术改造传统火炕，想成了一套太阳能采暖系统。太阳能卵石加热系统，是基于太阳能热水与农村传统火炕相结合的采暖系统。该系统主要由太阳能集热器、卵石层和交联聚乙烯管（PE-X）组成。这种采暖形式保证了房屋的热舒适性，而且单位面积能耗大大减少，改善了农民的生活居住条件。3.4太阳能温室技术系统耦合模式太阳能温室技术系统耦合模式是指太阳能温室技术系统自耦合及其与住宅围护系统、用地系统和机械系统应变耦合的模式。它是利用透光材料（玻璃、塑料薄膜）的透光隔热性，人为地将种植或养殖场地与周围大气环境隔绝封闭起来，在不适于生物（植物或动物）生长繁育的季节里，造成一种适宜于生物生长发育小环境的设施。太阳能温室用途十分广泛。可以用于种植水果、花卉、蔬菜；也可以用于养鸡、养猪等。用于种植蔬菜、瓜果可以提前或延后上市，调剂品种，克服蔬菜露天生产淡旺季界限，大幅度提高单产。实践证明，太阳能温室在我国的大力推广和应用，为我国农业发展，农民致富创出了一条新路。太阳能温室通常要求保温、保湿、采光和通风。但是太阳能温室与农村住宅的结合，实现农村建筑的可持续发展还有待于进一步的研究。3.5太阳灶技术系统耦合模式太阳能灶技术系统耦合模式是指太阳灶技术系统自耦合及其与住宅室内系统和机械系统应变耦合的模式。太阳灶是利用辐射能烹饪食物的一种器具。它对于广大的农村，特别是那些缺乏燃料，而日照较好（例如我国西北和西藏）的地区有着重要的现实意义。近年来，我国太阳灶发展很快，到1990年，已有20万台，对缓解农村能源紧缺状况起了积极的作用[9]。太阳灶的经济效益和使用地区、生活习惯和常规能源的价格等因素有关。一般说来，在日照较好的地区，在正常使用情况下，每年每台太阳灶可节约柴草约1000kg，年利用率约在30%～50%左右。按节约柴草来估算，大约两年就可回收投资，还能节省大量劳动力，有利于改善生活条件，保护植被和生态平衡。农村住宅设计中充分考虑太阳灶技术，对于改善人民生活状况，提高人民生活水平具有重要意义。3.6农村太阳能建筑系统耦合模式农村太阳能建筑系统耦合模式是指太阳能建筑系统自耦合及其与住宅室内系统、机械系统、围护系统、结构系统、用地系统应变耦合的模式。耦合设计的思路就是太阳能热利用与建筑一体化设计。这就要求在建筑设计中要同时考虑两个方面的问题，一是考虑太阳能在建筑上的应用对建筑物的影响，包括建筑物的使用功能、围护结构的特性、建筑体型和立面的改变。二是考虑太阳能利用的系统选择，太阳能产品与建筑形体的有机结合。要实现太阳能与建筑一体化，除集热器建材化外，还必须在建筑设计时，将太阳能热水系统的各个部件都做为建筑物构件，在立面、结构、给排水设计中通盘考虑，使太阳能供热系统在整体上成为该建筑物不可或缺的一部分，成为农村住宅的有机组成部分，就像从住宅中生长出来一样。四．生物质能利用技术系统连续共生耦合生物质是指由光合作用产生的各种有机体，生物质能则是以生物质为载体，蕴藏在生物质中的能量，即绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量形式。针对东北，如何因势利导，探求生物质能的利用技术新途径，是延长农业产业链，并可提高农业、植树造林和生态建设的经济效益，增加农民收入，改善农村环境，实现东北地区农村住宅可持续发展的关键。图4-1生物质能利用技术系统耦合过程及模式示意图Fig.4-1Schematicdiagramofcouplingprocessandmodeofbiomassenergyutilizationtechnologysystem连续共生是指在封闭的区间内共生单元具有连续的相互作用；共生单元在多方面发生作用；共生关系比较稳定且具有必然性的共生模式。沼气池技术、燃池技术、秸秆汽化技术、旱厕技术与住宅系统的耦合表现出连续共生的关系，其连续共生的耦合是使其性能更为增益的过程。各技术系统在与住宅系统的关联界面（表4-1）内进行能量的交换，形成新的耦合技术系统，其耦合过程见图4-1。表4-1生物质能利用技术系统与农村住宅系统关联界面Tab.4-1Correlationinterfaceofbiomassenergyutilizationtechnologysystemandrural4.1沼气池技术系统耦合模式沼气池技术系统耦合模式是指沼气池技术系统自耦合及其与住宅围护系统和室内系统连续共生耦合的模式。沼气池技术的研究和利用，最初的目的主要是解决能源问题，用沼气做生活燃料，进行炊事和照明，将沼渣、沼液作为肥料，生产蔬菜。目前沼气、沼渣、沼液的应用领域不断扩大，在养殖业、种植业方面都取得了良好的经济效益、社会效益4.2燃池技术系统耦合模式燃池技术系统耦合模式是指燃池技术系统自耦合及其与住宅围护系统和室内系统连续共生耦合的模式。燃池技术系统是一种利用生物质能的新型的加温方法，是20世纪90年代在我国东北地区兴起的农村采暖技术，由当地民居中的火炕演化而来。4.2.1燃池技术耦合系统经济综合评价（1）经济评价方法在技术经济学中，对一个项目的经济分析采用的指标很多，有静态评价指标，如投资回收期、投资收益率等；还有考虑资金时间价值的动态评价指标如净现值、净年值、费用现值与费用年值以及内部收益率等。本文采用费用现值和费用年值对各加热系统进行经济评价。费用现值是指投资项目按基准收益率，将各年的费用成本折现到投资起点的现值之代数和。费用现值可用下式计算：(4-1)[11]式中PC——费用现值；COi——第i年的费用；i——年利率；n——设备预计使用寿命，年；M0——初期投资费用；My——每年投入的费用。费用年值是将现值分摊到寿命期内各年的等额年值。可用下式计算：(4-2)[11]费用年值和费用现值指标可用于多个方案的比选，其判别准则是：费用现值或费用年值最小的方案为优。（2）综合评价各加热系统的初期投资费用和每年的运行费用见表4-2和4-3，燃池加热系统使用年限按20年计算，热水加热系统的使用年限按7年计算，年利率按10%计算，根据公式（4-1）和（4-2）计算费用现值和费用年值，结果见表4-4。表4-2加热系统的投资费用Tab.4-2Investmentcostforheatingsystem表4-3加热系统运行费用对照表Tab.4-3Tableofoperationcostcomparisonofheatingsystem表3-8不同使用年限的费用现值和费用年值（元/m2）Tab.3-8Costpresentworthandannualcostfordifferentusefullife(Yuan/m2)从表中可以看出，燃池加热系统的费用现值和费用年值比热水加热系统分别低78.2%和87.6%。由上分析可见，燃池加热系统与其他常规加热系统相比，在经济上具有极大的优越性，在其适用范围内具有较好的推广前景。4.3秸杆气化技术系统耦合模式秸秆汽化技术系统耦合模式是指秸秆汽化技术系统自耦合及其与住宅机械系统和用地系统连续共生耦合的模式。秸秆气化技术，就是将农作物秸秆原料在缺氧状态下进行加热反应的能量转化过程。其特点是充分利用乡村地区丰富而廉价的农业生产废弃物，如棉秆、树枝、玉米秸秆、花生壳等，将其转化为高品位的燃气并直接供应用户。这项技术在我国已有了10多年的发展历史，并表现出更高的能效。辽宁本溪市的农村已开始试点生物质的集中供气，即先将农作物秸秆气化，并通过供气管网实现向各个家庭的供应。燃气主要成分为CO、CH4和H2，综合热效率可达40%以上，比直接燃烧秸秆的热效率高出3倍以上。秸秆气化集中供气系统一般由秸秆气化机组、燃气输配系统和用户燃气系统三部分组成。4.3.1基本模式以自然村为单位，系统规模为数10户至上千户，由村气化站负责产供气系统的运行，并向全村供气。据有关部门测算，一个200户的村级秸秆气化集中供气系统工程需投资30万元左右。若秸秆燃气按0.12元/m3的价格收费，3～4口之家每天需用燃气4m3～5m3，每月需付燃气费15元～19元，系统的投资回收期为7年。与使用液化气相比，每户每年可节省200元以上的燃料费，相当于液化气费用的一半。全国2.2亿户农户中如果有50%的农户能使用秸秆燃气替代液化气，每年就可节约燃料费200亿元；同时，每年可以提供相当于3000万t标准煤的优质商品能源，节省薪材1亿m3。在节能节资的同时，还可以减少环境污染和水土流失，减少排放CO2等温室气体2000万t以上[10]。4.4旱厕技术系统耦合模式旱厕技术系统耦合模式是指旱厕技术系统自耦合及其与住宅围护系统和室内系统连续共生耦合的模式。在无水冲厕所的研究方面，世界上一些科技较发达的国家早已走在了我们前面。他们或是从节水的角度考虑，或是用于没有上、下水管道的别墅。其中有将厨、厕组合处理的倾斜式堆肥箱，把生活垃圾分解和粪便分解组合在一起处理装置，不需任何化学药剂，不用任何辅助设备，利用好氧原理，使垃圾受重力作用在自上向下移动过程中，体积减少了90%，使垃圾和粪便达到无害化。还有一种干厕所，在收集容器内设一种能将粪便分解的底料，使用手动摇柄撑拌，使粪便与底料充分混合达到分解目的，还有的干厕所粪便落进容器后，大小便通过不同途径分别进行分解，有的内设加热装置保证温度，加速分解等等。无论形式如何，这些厕所的共同点就是无需水冲、无臭、粪便分解后对环境无污染。这样，不仅节约了大量宝贵的水，而且也使无给排水设施的地区设置室内厕所成为可能。日本的北海道地区使用着大量的无水冲室内干厕所，据科技报载，日本已专门研究生产了便器一次性使用的塑料垫圈和在冬天能保持便器恒温的可自动冲洗、暖气烘干、散发香气等不同功能的厕所配套设备，还把计算机技术