几种主要建筑节能技术的发展现状和应用前景

几种主要建筑节能技术的发展现状和应用前景

总结了外墙保温、太阳能光电和光热、地热源热泵、热管和相变蓄热材料等建筑节能技术的特点分析了各种技术所具有的优势和存在的不足，并对这些技术的应用前景进行了讨论。

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引言

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们在追求更加舒适的居住环境的同时，也在消耗着越来越多的能源。据文献[1]、[2]报道，在发达国家，建筑能耗约占总能耗的40％，在我国，这一比例为25％左右，居各种能耗首位，其中50％以上消耗在冬季采暖和夏季制冷空调上。随着世界范围内能源供应紧张状况日益加剧，能源将成为制约各国经济的主要因素。为此，我国提出了社会经济和能源可持续发展的战略，建设节约型社会，在实现国民经济快速发展的同时努力降低单位GDP的能源消耗。而建筑行业作为耗能大户，节能潜力巨大，大力发展和推广外墙保温、太阳能光热和光电、地源热泵、热管和相变蓄热材料等新型建筑节能技术，在不断提高人们居住环境舒适度的同时，降低建筑耗能总量，有效缓解能源的供需矛盾，既具有实际经济意义，又具有重要的社会意义和环保价值。

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外墙保温技术

20世纪90年代初，外墙保温技术开始在我国推广使用并表现出良好的保温和节能效果。其主要方法是在建筑物基层墙体的外侧设置保温层(一般为厚度60mm的聚苯泡沫板)，在保温层外面做装饰层。基层墙体和聚苯板之间用专用粘接剂连接，聚苯板用尼龙锚栓固定，然后在保温层外抹聚合物水泥砂浆保护层，并压人耐碱涂塑玻纤网格布，最外层用抗裂腻子和涂料找平和装饰。

2.1外墙保温技术的优点

根据对外墙保温技术实际使用效果进行测试，发现该技术具有如下优点：

(1)节能效果明显。由于保温层的敷设具有连续性，可以避免传统墙体结构所产生的热桥现象，而且聚苯板的导热系数较小，只有0.041W/(m·K)，能够有效地减少室内的热损失和冷损失。采取该保温措施后，在冬季比较寒冷的东北地区，居住建筑的节能效果可以达到50％，在北京地区则能达到65％[3，4]；

(2)可以减薄墙体厚度和减轻墙体的重量，从而增大房屋的使用面积。采用外墙保温技术后，在满足节能要求的前提下，可以使普通砖墙的厚度从490mm减薄为320mm，从而增加使用面积2％～4％，同时也节约了土地等资源的消耗；

(3)能够增加室内环境的舒适度，并能延长建筑物的使用寿命。由于采取了外保温技术，使得墙体的蓄热功能增大，当室外温度发生变化时，复合墙体的蓄热可以缓冲室内温度的变化，使人感到相对舒适；而且由于基层墙体的温度变化变得比较平缓，产生的热应力也大大减小，使得基层墙体产生裂缝和变形的可能性降低，因此能够延长建筑物的使用寿命；

(4)施工工艺简单，使用范围广泛。该技术既适用于多层建筑，又适用于高层建筑；既能满足新建筑物的节能要求，也能满足旧建筑的墙体改造；通过采取一定的技术措施和工艺，还能满足建筑立面设计的装饰要求。

2.2

外墙保温技术的缺点

虽然该技术具有上述许多优点，但在使用中也发现存在着一定的问题，主要有：

(1)和普通墙体结构相比造价较高。由于该技术还没有在大范围推广使用，受批量和原材料的影响，主材聚苯板和辅材粘结剂、抹面胶浆等材料的价格还比较高，因此综合造价也比较高。根据地区不同，采用外墙保温技术和普通墙体结构相比，每平米外墙的造价要偏高30％～40％；

(2)对主辅材料之间的匹配要求比较高，工序较多，工期较长。为保证工程质量，采用的聚苯板和粘结材料、锚固材料和外层涂料之间必须有较好的相容性，而且施工工序也比较多，施工周期也相对较长。

虽然外墙保温技术在推广和应用中还存在着不足，但随着技术的不断完善和国家对建筑节能要求的不断提高，一定会得到更加广泛的应用。

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太阳能光电和光热技术

太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛。据统计，我国2/3以上国土面积的年日照时间在2200h以上，年辐射总量在502万kJ/m2以上，为太阳能的利用创造了丰富的资源和有利条件。根据太阳能的特点和实际应用的需要，目前在建筑节能方面的应用可分为光电转换和和光热转换两种形式。

3.1

太阳能光电技术

太阳能光电技术是指利用太阳能电池将白天的太阳能转化为电能由蓄电池储存起来，晚上在放电控制器的控制下释放出来，供室内照明和其他需要，其转换原理如图1所示。

从图中可以看出，太阳能光电转换系统主要由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、负荷等部分组成。其中，光电池组件由多个单晶硅或多晶硅单体电池通过串并联组成，其主要作用是把光能转化为电能；充放电控制器主要用来控制蓄电池的充电和放电，并具有反向放电保护功能和极性反接电路保护功能，还能够实现对系统的监控和数据采集；蓄电池为系统的储能设备，它的主要作用是将太阳能电池所产生的电能储存起来，在用户需要时提供能源。

3.2

太阳能光热技术太阳能光热技术是指将太阳辐射能转化为热能进行利用的技术。太阳能光热技术的利用通常可分直接利用和间接利用两种形式。

常见的直接利用方式有：(1)利用太阳能空气集热器进行供暖或物料干燥；(2)利用太阳能热水器提供生活热水；(3)基于集热一储热原理的间接加热式被动太阳房；(4)利用太阳能加热空气产生的热压增强建筑通风。图2所示为被动式太阳房结构剖面图。

目前技术比较成熟且应用比较广泛的是蔬菜温室大棚、中药材和果脯干燥及太阳能热水器等。其他几种技术还处于研究开发阶段，且由于一次性投资较大，要想走向市场和大范围推广尚需时日。

太阳能间接利用的主要形式有：(1)太阳能吸收式制冷；(2)太阳能吸附式制冷；(3)太阳能喷射制冷。但目前也还处于研究阶段，有的仅仅制造出了样机，尚未形成定型产品和批量生产。

3.3

太阳能光热和光电技术的优点

太阳能作为一次能源和可再生能源，和传统化石燃料相比有如下优势：

(1)对环境没有污染

由于传统化石燃料(煤、石油和天然气)在使用过程中排出大量的有毒有害物质，会对水、土壤和大气造成严重污染，形成温室效应和酸雨，严重危害到人类的生存环境和身体健康，因此急需开发出新的比较清洁的替代能源，而太阳能作为一种比较理想的清洁能源，正受到世界各国的日益重视。

(2)可以源源不断地获得

太阳是一个巨大的能量源，每秒辐射到地球上的能量相当于500万t标准煤，和人类存在的时间相比，太阳能可以说是一种久远和无尽的能源。随着化石燃料(煤、石油和天然气)的不断开采和消耗，能源的供应越来越紧张，具有丰富来源的太阳能的开发和利用就显得越发重要和紧迫。

(3)可免费使用，且无需运输

人类可以通过专门的技术和设备将光能转化为热能或电能，就地加以利用，无需运输，为人类造福。而且人类利用这一取之不尽的能源也是免费的。

3.4

太阳能光热技术和光电技术的缺点

虽然太阳能光热和光电技术具有许多优势，但太阳能能流密度低，受季节、地点和气候等多种因素影响而不能维持常量，且用于太阳能转换的设备投资较高，其技术尚需进一步完善。因此，目前除太阳能热水器和温室大棚的利用比较普及和成熟外，主、被动太阳房，太阳能发电和太阳能制冷等技术尚处于示范性实验阶段，距离大规模推广应用，走进百姓日常生活还有相当大的距离，近期内尚无法取代常规能源的主导地位。

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地源热泵技术

地源热泵技术是以地热(冷)源作为热泵装置的热源或热汇，对建筑进行供暖或制冷的技术。地源热泵通过输入少量的高品位电能，可实现能量从低温热源向高温热源的转移，在冬季向室内供热，夏季则对室内制冷，实现对建筑物的空气调节。地源热泵系统工作原理如图3所示。

根据地源热泵所采用热源和热汇的形式不同，可将其大致分为以下三种类型，即大地耦合式热泵(CCHP)，地下水热泵(GWHP)和地表水热泵(SWHP)。

4.1

大地耦合式热泵

大地耦合式热泵就是以地表浅层的土壤作为热源或热汇，它与传统的空气热泵(ASHP)相比，具有如下优势：

(1)相对于地表的空气和水而言，一定深度地下土壤的温度波动较小，更适合作为热泵的热源和热汇，保证系统能稳定和高效运行；

(2)用地下土壤作为热源和热汇可以部分或全部代替传统空调系统中的冷却塔和锅炉，节省常规能源，并能减少对环境造成的污染；

(3)大地耦合式热泵不存在除霜问题，与土壤的热交换也不需要风机，因此能够减少噪音污染；

(4)可以和太阳能集热装置联合使用，发挥土壤的巨大蓄热和蓄冷能力，能够获得较好的供热和制冷效果。

但是，大地耦合式热泵也存在着以下缺点：一是土壤的传热性能较差，需要较大的传热面积，从而导致占地面积较大，二是埋设在地下的管道造价较高，且维修不便；三是当地下换热器周围受热干燥后，传热能力下降，影响到系统的正常运行。

4.2

地下水热泵

地下水热泵是以地下深井水作为热源或热汇来对建筑物进行供热或制冷的技术，也是迄今为止技术最成熟，应用最为广泛的一种地源热泵技术，它具有如下优势：

(1)占地面积小，布局紧凑。由于该系统与地下水之间的热交换是通过水井系统实现的，不需要在地下敷设大量管道，因此系统的占地面积较小；

(2)相对大地耦合式热泵系统，不需要埋设地下热交换设备，只需要一对较高流量的抽水井和回灌井，其造价相对较低；

(3)不会造成地面沉降。在系统运行过程中，只要将地下水回灌到蓄水层，保持地层中含水量不变，即可保证不会引起地面的沉降；

(4)技术比较成熟，推广相对容易。由于地下水热泵技术已在许多商业系统中使用多年，积累了不少经验，形成了系列产品，技术和施工都相对完善和成熟，比较容易推广；

(5)系统运行相对稳定。由于深井水位较低，水温随季节和气候的变化很小，利用井水作为热源或热汇对建筑物进行供热和制冷时，系统比较稳定，对热泵的运行也比较有利。

该系统存在的问题是：

(1)当利用地下井水作为冷源或热源时，其水温会受到一定限制；

(2)如钻井施工不佳或水质较差，可能造成地下水污染，且回灌井的选址需要考虑到水文地质条件等因素；

(3)由于水泵取水位置一般较深，因此水泵的运行费用比较高。

4.3

地表水热泵

地表水热泵技术是利用地表的小溪、池塘、河流或湖泊等水源作为热源和热汇对建筑进行空调的热泵技术。由于地表水温度随季节、气候等因素影响较大，不能完全保证系统在严冬季节的供暖需要，因此需要安装辅助加热装置，采用双联热泵采暖系统。

在系统运行时，可以将换热器置于水中，通过制冷剂的循环吸收地表水的热量，也可以通过盐水循环间接获取热量。但这两种方式均需要对置于地表水中的换热器进行定期清理，以保证换热效率。此外，还可以用泵抽取地表水送人热泵的蒸发器进行热交换，但在进入水泵前需要对地表水进行过滤。

采用地源热泵技术对建筑物进行采暖空调，既可以节省能源，又可以减少环境污染，而且运行费用也大大降低。实际运行效果表明，与传统空调设备相比，运行费用能够减少30％～40％，因此具有广阔的发展前景。

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热管在建筑废热(冷)回收中的应用

热管作为一种具有低热阻、大能流密度的高效传热元件，在化工、冶金、建材等领域的余热回收中已得到了广泛应用，并表现出明显的优势，但在建筑节能中的应用研究还处于起步阶段，缺乏成熟的技术支持。

热管回收废热和废冷技术，是指利用热管换热器将建筑物空调系统排放的废热(冷)进行回收，用来预热或预冷新风，从而达到节能的目的。

5.1

建筑废热(冷)能流的特征

虽然流入建筑物的能源形式有多种，但经过能量转换后，最终都以废气、废水或通过围护结构散热等形式排出，并具有如下特点：

(1)具有一定的温度，所含热(冷)量较大

对于大型建筑物，一般都设有集中排风和进风系统，排出气体的温度和湿度接近室内的温度和湿度，排出废气中所含的热量或冷量可达总负荷的30％～40％，有较高的利用价值。

(2)废热(冷)的排放和利用在时间上相一致

建筑废热(冷)的排放具有一定周期性，与新风的处理时间同步，因此在利用时不需要采取蓄热措施。且排风管道与新风管道往往布置在一起或相距较近，为废热(冷)的回收利用创造了条件，比较简单方便。

(3)废热(冷)与所需能源的品位比较接近，可以利用热管内部工质相变换热和低热阻的特点充分回收利用。

5.2

热管换热器的优点

和普通换热器相比，热管换热器具有以下优点：

(1)效率高，节能效果明显

由于热管内部是靠工质的相变传热，热阻小，导热能力强，可实现小温差传热，提高换热效率。

(2)热管壁温可调性强

在设计热管换热器时，可以通过调整蒸发段和冷凝段的长度来调节加热面和冷却面的大小，进而控制加热段和冷却段的热流密度，实现对热管壁温的控制。

(3)可以利用热管的单向导热性控制热流方向，在不利条件下能自动终止热交换过程，避免热损失。

(4)能够防止新风和排风的交叉污染

由于热管的吸热段和放热段是二次问壁换热，即使有个别热管的一端因腐蚀而穿透，仍能保证新风和排风之间不会出现互相混合而产生交叉污染，因此用热管换热器回收废热(冷)，具有适应范围广，环境适应性强等优点，可用于医院等特殊场合。

5.3

热管技术在建筑节能中应用的形式

热管技术在建筑节能中应用的形式有多种，主要有：

(1)用于自然通风和集中排风的热(冷)回收

对于大规模和人员密度高的公共建筑，如医院、宾馆等公共场所和有特殊工艺要求的生产车间，换气频率较高，换气量较大，排出的热量和冷量也较大，有较高的回收利用价值，可以利用热管换热器对废热或废冷进行回收，用于对新风的预热或预冷。根据实测，对大型建筑，排气所带走的能量占总负荷的30％～40％，如果采用该技术加以回收，可使空调系统节能7％以上。

(2)热管用于太阳能热水器

普通的集热板式太阳能热水器容易发生冬天冻裂，夜间热量逆向传递等缺陷，而真空管热管太阳能热水器则由于其结构和单向传热的特点，完全可以克服这些缺点。据统计，目前我国年产销太阳能热水器600多万m2，产值达50多亿元，太阳能热水器的保有量超过2700万m2，其中真空管热管型热水器所占比例逐渐增加，已成为世界上最大的产销国。

(3)用于太阳能空调

太阳能空调器虽然具有节能、环保和运行费用低等优势，但由于该系统设备体系比较庞大，一次性投资高，加之传统集热器的效率和温度都比较低，因此直接影响到太阳能空调器的发展。用真空管热管作为太阳能集热器的传热元件，能够把集热器温度从70℃提高到120℃，大大提高了集热器的热性能，为太阳能空调的发展提供了技术基础；而且随着热管技术的不断完善和广泛使用，热管集热器的价格将不断降低，为太阳能空调器的