方 红(上海中森建筑与工程设计顾问有限公司， 上海 200120)

1 引言

可再生能源是指自然界中可以不断利用、循环再生的一种能源，主要包括太阳能、风能、水能、地热能、海洋能和生物质能等。电气用电是一个耗能大户，其每年要消耗总发电量的10%以上，如果节电5%，则每年可节约照明用电60亿kWh，为国家节省投资约30亿元[1]。民用建筑作为能耗大户，其节能设计显得尤其重要，本文着重探讨可再生能源在民用建筑节能设计中的应用。

2 光伏发电

2.1 概况

太阳照射到地球大气层上界的能量达173 000TW，照射一秒钟的能量就相当于500万吨煤，照射三天的能量就相当于地球所有矿物燃料能量的总和[2]。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源。我国地处北半球，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国太阳能总辐射量在930～2 300kWh／m2/年。约有2/3以上的地区年日照时间大于2 200h，特别是青藏高原和新疆、甘肃、内蒙古一带，拥有优良的太阳能资源[3]。

近年来，国内主要大中城市相继出台了鼓励推广太阳能利用的法规及条例。例如，2011年最新颁布的北京建筑节能标准中规定，新建、改扩建12层及以下居住建筑将安装太阳能热水系统;12层以上居住建筑将根据能够设置集热器的有效面积等因素，确定是否强制要求安装太阳能热水系统。集中安装的太阳能系统效率更高，也更美观，将实现与建筑的一体化。2011年1月1日起施行的上海市建筑节能条例规定，鼓励既有民用建筑在节能改造时，设计、安装太阳能等可再生能源利用系统。

截至2012年9月底，国家电网公司经营区域内并网光伏发电装机270.58万kW，较前年同期增加218.09万kW，同比增长415%。仅2012年1～9月份，收购光伏发电电力24.8亿kWh，同比增长537%。

2.2 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏技术的工作原理是光伏效应。光伏效应是指一些特殊的半导体材料，在光线的照射下，内部产生电动势的现象。太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、控制器、蓄电池、负载等组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。整个系统组成如图1所示。

图1 太阳能发电系统示意图

2.3 太阳能光伏系统运行方式的分类

太阳能光伏发电系统的运行方式可分为两大类：离网运行方式和并网运行方式。

1)离网运行方式

离网运行方式分为独立系统和集群控制系统。独立系统即本身就带有一套完整设备的系统，主要应用于太阳能的路灯、草坪灯、庭院灯这些位置相对分散的灯具，也经常应用在办公楼、住宅楼等场合的公共走道灯；集群控制系统多用于多个分散灯具位置和接收阳光比较好的地点分开的场合，比如住宅楼之间、有高大树木的公园的路灯、庭院灯等。离网运行方式的突出优点是发电与用电可以不同步。缺点是会增加电能—化学能转换的损耗，蓄电池必须占用大量空间，而发电容量却不能很大，经过几年的使用后还需要进行维护。

2)并网运行方式

并网运行的光伏发电系统由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成。光伏发电系统发出的直流电通过逆变器变换成交流电向电网发送，或输出到低压负载，也就是即发即用。并网系统由太阳能光伏发电和公共电网同时向负载供电，在阴雨等不利天气条件下保证负载的正常运行，提高了供电可靠性。并且在光线充足的情况下，太阳能光伏多发的电量可反馈给电网，对电网有调峰作用。还可以加入柴油发电机作为备用电源，形成并网混合供电系统，进一步提高系统的负载供电保障率，达到最佳的工作状态。由于逆变器输出与电网并联，必须注意保持两组电源电压、相位、频率等电气特性的一致性，否则会造成两组电源相互之间的充放电，引起整个电源系统的内耗和不稳定，如谐波污染、孤岛效应等。并网运行方式原理图如图2所示。

2.4 太阳能光伏系统在建筑节能中的应用

图2 光伏发电系统并网原理图

1)太阳能LED照明

(1)住宅太阳能LED楼道灯

许多住宅小区的楼道照明系统普遍存在着一个问题：楼道灯由于频繁地启闭而经常损坏，许多楼道因此都成了“盲道”。太阳能LED楼道灯系统由太阳能电池、蓄电池、LED灯泡、控制系统及控制开关组成，在控制方面可以采用充放电控制系统、光控系统及时控系统[4]。白天，太阳能电池组件将太阳能转化为电能，再通过充放电控制器存储到蓄电池内；晚上，蓄电池为负载提供电能。为保证阴雨天的照明，可增大蓄电池的容量或选择并网运行。

(2)小区太阳能LED草坪灯

太阳能LED草坪灯由太阳能电池、超高亮LED灯、蓄电池、自动控制电路等组成。由于其独特的优点，近年来得到迅速发展。LED草坪灯电源由太阳能电池供给，太阳能电池在白天收集太阳能并转换为电能储存在蓄电池内，在夜间供给LED草坪灯。可根据太阳照射的实际情况，选择独立系统或集群控制系统的控制方式。

(3)太阳能LED路灯

普通的路灯需要铺设较长的输电线路，线路上电压损失较大，超过一定距离还需要采取补偿措施，铺设电源线路也需要很大的投入。太阳能路灯(如图3所示)由于独立运行，节省了输电线路的铺设，节约了建设费用，很好地解决了上述问题。太阳能LED路灯由太阳能电池、灯具、蓄电池和控制器组成，应用非常广泛。

(4)地下停车场照明

地下停车场的照明有它的特殊性。由于在地下，无法进行自然采光，又属于晚上用电少，白天用电多，不管白天黑夜都需照明的场所。在设计采光井的基础上增加太阳能光伏发电系统，可大幅度地节能，产生较好的经济效益。

图3 太阳能路灯

2)太阳能热水器

太阳能热水器以其节能环保及使用简单等优点，得到了快速发展和广泛应用。太阳能热水器具备吸热、导热与保热等功能，能效比大，在同样环境下，热水器所产生的热水量最大[5]。

为避免普通太阳能热水器存在的诸多缺陷，如热效率低下和换热水量太少等，目前广泛推广的太阳能热水器新技术，主要有以下几个方面：

(1)平板太阳能热水器，不仅热效率优于真空管，而且能灵活地与建筑物和周围环境相结合，在高层、小高层住宅中得到广泛使用。

(2)壁挂式太阳能热水器，不仅能与建筑物相结合，而且集热器和水箱分离，集热器灵活安装于阳台外或南向墙面，水箱则放置在阳台内或室内墙角，减少了太阳能热水器的使用限制。

(3)太阳能热水系统与建筑一体化，屋顶覆盖层或保温层可完全由太阳能集热器来替代，既能对楼房起隔热、防漏的保护作用，又避免了重复投资，减少了成本。

3)太阳能屋顶

太阳能屋顶，也称为光伏建筑一体化。在实际应用中，太阳能电池板被安装在建筑物的外墙及屋顶上，以并网运行方式由太阳能电池板、电网并联向用户供电。太阳能屋顶有两种主要的施工方式，一种是光伏组件作为建筑物外立面的一部分，以替代一部分外墙的建筑材料；另一种是将光伏方阵通过支撑件安装于建筑物上。

太阳能屋顶已经成为我国的热门研究课题。以上海为例，上海的10万屋顶计划，计划将为10万个屋顶安装太阳能发电系统，估计每年至少发电4.3亿kWh。上海世博会，光伏建筑的太阳能发电规模达到4.68MW，年均发电可达406万kWh，减排CO2总量逾3 400t。在法国阿尔萨斯案例馆(如图4)，“水幕太阳能墙”外层同样覆盖太阳能电池板，能把照射到墙体外层的太阳光转换成电能，正好能维持“水幕太阳能墙”不断运作，为建筑带来冬暖夏凉的感觉。

图4 上海世博会法国阿尔萨斯案例馆

太阳能屋顶也在不断吸收新的创新技术，对系统进行优化改善。其中，能量管理优化智能系统和屋顶冷却系统的结合应用尤为突出。能量管理优化智能系统实现对各相关机电设备优化控制，配合使用太阳能光伏发电，满足建筑物对能量的需求，提高设备间的联动，以达到整体优化。而对于没有采用光伏组件的屋顶，安装屋顶冷却系统，采用由特殊材料制成的反射涂层，在夏季隔绝大量的太阳辐射，在有效减低屋顶温度的同时，使太阳能电池的转换效率得到提高。

3 天然光利用

天然光导光系统作为现代的建筑采光形式，其工作原理是通过采光装置聚集室外的天然光线并将其导入系统内部，再经过导光装置强化和高效传输后，由系统底部的漫射装置把天然光均匀地导入到室内任何需要光线的地方。欧美及日本等发达国家，已开发出一系列天然光导光系统(如图5所示)，并在学校、博物馆、办公楼、体育场馆、公共厕所、垃圾处理厂等公共设施及工业与民用建筑中广泛应用。

图5 天然光导光系统

3.1 天然光导光系统的优越性

天然光导光系统不仅提供健康的光源，而且实现了大幅度节能。据统计，全球每年要消费2万亿kW/h的电力用于人工照明。在商务楼宇中，电灯照明的实际使用率占到总能耗的40%～50%，制造25%～30%的温室气体排放。但是如果建筑物中一半的电灯照明以天然光照明技术进行替换，总能耗将降低20%～25%，温室气体排放降低10%～15%[6]。与之前人们认识相反，在相同的照度要求下，天然光带来的热量比绝大多数人工光源的发热量都少。用天然光对室内进行采光、照明，会大大减少房间的空调负荷，有利于减少建筑物能耗。而对于地处温带或者寒带地区的建筑来说，天然光的热效应能为建筑提供免费的热能，减少冬季取暖所需要的能耗。

3.2 天然光导光系统的结构

天然光导光系统通过导光装置将阳光传输转弯，随心所欲地到达任何位置，地下室、北面房都可以有阳光。与利用天窗、镜子等进行集光的采光系统不同，光导照明不受房间的位置、窗户的方位、太阳的高度等条件的限制，能够进行稳定的采光。

天然光导光系统的结构主要分三部分，一是采光部分，采光器多由透明塑料注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱；二是导光部分，一般由三段导光管组合而成，导光管内壁为高反射材料，反射率可达92～95%，导光管可以旋转弯曲重叠来改变导光角度和长度；三是散光部分，为了使室内光线分布均匀，系统底部装有散光部件，可避免眩光现象的发生。天然光导光系统结构简图见图6。

图6 天然光导光系统结构简图

图7 风力发电系统示意图

3.3 天然光导光系统的应用要求

在应用天然光导光系统时，需对建筑体的日照及方位进行综合经济技术比较，因地制宜地采用不同组合的导光装置。同时必须采用人工照明，应按相关标准和规范进行人工照明的设计和施工。采用智能照明系统对人工照明进行调光控制，当监控传感器采集到的天然光照度水平达不到要求时，人工照明将自动开启，以满足照度要求。

4 风能发电

地球上风能蕴含量特别丰富。人们主要使用风车进行风力发电，工作原理是空气动力推动扇叶，透过传动轴，将转子的旋转动力传送至发电机，把风的动能转化为电能。风能属于清洁可再生能源，环境效益好，并且风力发电设备基建周期短，装机规模灵活。因此，大力发展风力发电已经成为中国新能源战略的重点。2012年6月，中国取代美国成为世界第一风电大国，并网风电达5 258万kW。中国用五年时间，走过了美国、欧洲十五年的风电发展历程。这其中，甘肃酒泉是全国第一个开工建设的千万kW级风电基地。

4.1 风能发电系统组成

风力发电系统(如图7所示)包括叶轮、发电机、变换器、传感器、控制器、蓄电池等。叶轮一般由两到三个叶片组成，通过它将风能转化为机械能；发电机一般采用永磁式交流发电机；变换器把发电机发出的电变成220V的交流电回馈电网；传感器和控制器可以控制整个风力发电系统，可以控制叶轮的运行情况，使叶轮旋转面垂直于风向，若风速过大可限制叶轮的转速以防止部件损坏，也可以将发电机的输出功率限制在一定范围内，特别在蓄电池已经充满时应控制叶轮停机；蓄电池多采用专用铅酸蓄电池，也可选用镉镍碱性蓄电池。

4.2 风能发电系统在建筑节能中的应用

根据应用场合的不同，风能发电系统分为独立型和并网型发电系统。并网型与城市(地区)供电网联网供电；独立型应用在无电网地区，需与蓄电池和其他控制设备组成独立运行风力机发电系统，一般容量较小。

1)风能建筑一体化

图8 巴林世贸中心

风能与建筑一体化的结合有两种形式，一种方式是在建筑周围的绿地或较大的空地上设立风电机组，称为间接结合；另一种方式是在建筑物上直接安装风力电机，称为直接结合。直接结合的一个成功案例是巴林世贸中心(如图8所示)。分别在双塔造型的建筑物之间的16、25层和35层处的跨桥上，安置了规模直径为29 m的水平轴风力发电机组。这三台机组的年供电量为110万kWh～130万kWh，占整个大楼用电量的15%左右。巴林世贸中心风力发电机组每年可减少55t的碳排放，成为世界上超高层建筑可再生能源利用的典范[7]。

2)风光储能发电技术

风能、太阳能作为可利用的自然可再生能源，两者在实际利用的过程中都受到季节、天气和地理等多种因素制约。如果扬长避短、相互配合，则能发挥出最大的作用。风光互补系统，就是由风力发电机和太阳能电池组件、控制器、蓄电池、逆变器等组成的供电系统。在系统中配置必要的储能设施，结合风能、太阳能的应用特点，构成风光储发电系统，可以在电能质量和供电可靠性等方面有显著的提高。

5 结束语

要实现可再生能源在建筑节能中的大量推广与应用，需要一系列措施实现。国家政策引导甚至强制规定，是太阳能能够大规模应用的关键。可以参考的措施包括：对传统电力机构采取强力抑制措施，努力拉近工业发电与居民屋顶所发“绿电”的价格差；对太阳能光伏发电给予实质性的财政补贴和优惠政策的扶持；相关的技术专家获得足够支持，在工艺开发方面多下功夫，使居民家庭安装及维护太阳能光伏系统变得较为容易；积极宣传太阳能发电技术，将绿色观念深入人心。国务院高度重视光伏产业发展，提出到2015年光伏发电总装机容量达到3 500万kWh以上的发展目标。在国家政策的支持下，光伏产业迎来了重要发展机遇，光伏发电将随之快速增长。相信，如果再多一点“阳光政策”，屋顶发电就不再是纸上谈兵的梦想。

风电的发展已经初见成效。然而，风力发电由于地理位置的限制，需要超长距离的输配电，甚至要穿越广袤的沙漠和戈壁。同时，风力发电的发电高峰一般是夜间，与日用电高峰不一致，使得发出的风电没有得到很好地利用。并且，风电本身发电量极不稳定，需要有配套的调峰电源来削平这种波动。综上所述，由于相关技术和国家输配电基建建设上的限制，风电尚未得到最有效的利用。风电行业未来发展有巨大潜力和商业价值，只要电力等相关部门全力配合，进一步解决输配电过程中的一系列问题，相信风电将得到更广泛的发展。

随着技术水平的不断创新和提高，以及国家相关政策的大力扶持，可再生能源在建筑中的节能应用前景将更加光明。

[1]何丽梅.建筑电气节能措施研究[J].科技致富向导,2011,(17):214-241.

[2]李蔚,吴婧华,张文良等.太阳能光伏技术与应用[J].智能建筑电气技术,2009,3(2):8-12.

[3]张青虎.太阳能光伏技术应用[J].智能建筑电气技术,2007,1(3):36-40.

[4]阚璇,马名东.太阳能LED照明在住宅节能中的应用[J].智能建筑电气技术,2010,4(2):8-10.

[5]唐谋生,余雷.太阳能热水器利用与低碳生活浅谈[C].第十二届中国科协年会论文集.2010:1-4.

[6]何悦苑.光导照明在建筑节能设计中的研究与应用[J].科海故事博览·科技探索,2011,(2):250-251.

[7]赵珩.风光储发电技术在建筑节能中的应用[J].人民长江,2011,42(24):89-92.