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可再生能源与未利用低品位能源在近零能耗建筑中高效应用技术研究

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可再生能源与未利用低品位能源在近零能耗建筑中高效应用技术研究

作者:江湖笑笑生目 录1绪论11.1选题背景11.2国内外研究现状21.3课题实施的意义与必要性72课题研究的目标和内容82.1课题实施的主要研发目标82.2课题研究与开发的主要内容83课题研究的方法和步骤104课题研究的主要过程114.1可再生能源适宜性分析114.1.1再生混凝土与可再生能源分布情况114.1.2可再生能源在建筑中应用技术遴选124.2量测内容及方法144.3太阳能光伏组件安装位置的确定164.4屋面光伏系统发电量研究174.4.1太阳能光伏系统的安装优化174.4.2屋面光伏发电量计算224.5立面光伏系统发电量研究244.6总结255总结与展望265.1经济、社会效益265.2课题成果应用前景分析271绪论1.1选题背景世界能源消费现状BP世界能源统计(2006)的数据表明,天然气和煤炭则分别可以供应65和155年。国际能源署认为,可再生能源与未利用低品位能源将有更大的发展潜力。充分开发利用太阳能、风能、海洋能、生物能、小水电、地热能等可再生能源,已成为下一步能源战略的重点。建筑能耗已占到全社会终端能耗的30%左右。因此,将可再生能源与未利用低品位能源应用到建筑中去这一技术是有巨大前景的。本文通过查阅大量的有关资料文章,对可再生能源与未利用低品位能源在近零能耗建筑中的应用技术进行研究。能源不仅是社会发展和人类生存的重要物质基础,更是社会发展的核心动力和国家安全的战略储备,社会文明的重大进步均伴随着能源结构的调整。近年来,我国社会能源需求量与日俱增,已成为全球第二大能源消费国。在能源储存上,我国拥有较为丰富的化石能源和可再生能源,但随着我国经济的快速发展,城镇化建设的稳步推进,现有的化石能源仍不能满足当下大量的能源需求。如图1-1所示,根据中国统计年鉴2017中的统计数据,从2006年至2016年,能源生产总量始终小于能源消费总量,近年来二者的差距还有拉大的趋势。图1-12006-2016年能源生产与消费总量在所有能源消耗中,建筑能耗占据了其中相当大的部分。中国建筑节能协会发布的中国建筑能耗研究报告(2016)中的数据显示,2014年中国的建筑能耗消费总量为8.14亿吨标准煤,约占全国能源消费总量约20%。其中,公共建筑能耗3.26亿吨标准煤,占建筑能耗总量的40%。城镇住宅能耗3.01亿吨标准煤,占比37%;农村建筑能耗为1.87亿吨标准煤,占比23%。此外,常规化石燃料的使用造成了严重的环境问题。当前,我国正面临严峻的环境问题,2013年中国的CO2排放量超过了欧盟和美国的总和,同时中国的人均CO2排放量首次超过欧洲。2015年在巴黎国际气候大会上中国政府宣布碳排放强度减排目标为2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%-65%。为了减少CO2的排放,中国国内也在积极发展和使用清洁能源。世界能源展望2017中国特别报告中指出,近年来中国国内的能源结构正慢慢向清洁发电转变。逐渐减少对煤炭的依赖,更多地采用清洁能源来代替,如可再生能源、天然气等。另外,中国国内也在大力发展可再生能源,例如在太阳能光伏方面以政策引导,国家补贴的方式来降低可再生能源的成本。报告预测,到2040年水能、风能、太阳能等可再生能源发电方式的装机容量将占到总装机容量的60%;煤炭消耗在一次能源结构中所占比例将缩减至45%左右,天然气所占比例将从不到6%上升至12%以上。在能源紧缺,节能减排的双重压力下,建筑节能对减缓我国能源消耗,减少CO2排放势必起到关键作用。回顾中国建筑节能发展近30年,从1986年实施的第一阶段民用建筑节能30%开始,历经1996年的民用建筑节能50%,2005年部分城市建筑节能65%到2015年北京等城市建筑节能75%,建筑节能一步一步向更高的目标迈进。但是,目前国内关于建筑节能主要集中在对围护结构保温隔热、锅炉运行效率的提升及管网输送效率的提高,较少涉及可再生能源的利用。显然,这种常规的节能方式不是无止境的。最近的可再生能源发展“十三五”规划指出,2020年可再生能源的消费量要达到一次能源消费总量的15%,到2030年,比重将在2020年的基础上在增加5%。可再生能源在建筑领域的应用势必会在未来更加广泛。而净零能耗建筑的技术体系中包括了建筑本身的节能设计以及对于可再生能源的有效合理利用。综上可知,推动净零能耗建筑的发展对减缓我国国内能源的消耗、减少CO2排放具有积极意义。1.2国内外研究现状我国是世界上利用混凝土和拥有丰富太阳能资源的地区,而太阳能热水系统既是当前太阳能热利用中技术最成熟、最具市场竞争力、应用最广泛、产业化发展最快的产品,也是我国最具优势的产业。具体应用技术类型分为:光热利用和光电利用。光热利用按不同利用方式又可分为被动式光热利用和主动式光热利用两类。光热利用被动式采暖太阳房,是被动式光热利用中最常见的形式,其建筑形式多样,投资少、实用,但受太阳能不稳定影响大,在边远、贫困地区的学校、乡镇住宅的冬季采暖中发挥重要作用。经过改进的太阳能采暖与常规采暖系统相结合的新型被动太阳能采暖建筑,将在改善北方农村的冬季室内热环境条件面继续发挥重要作用。随着我国经济的发展、建筑围护结构保温隔热性能的提高和节能意识的增强,被动太阳能采暖技术将在城市建筑中得到应用。供热水与采暖利用太阳能作为建筑物供热热源,利用太阳能供热综合系统,解决人们在建筑物中生活时所需要的热水、采暖。这种应用形式中,提高太阳能系统的性能、太阳能系统与建筑一体化技术是关键,目前在我国的发展还比较缓慢。此外,太阳能与浅层地源热泵技术结合供暖可提高太阳能集热系统的效率,还可参与城市集中连片供热,形成太阳能连片集中集热,提供区域供热的部分热源。太阳能空调就是利用太阳能产生中高温热水作为吸收式制冷机运行时所需要的热源,太阳能空调的应用需求和太阳能的供给量保持很好的一致性,天气越热,太阳辐照量也越高。再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例与级配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配而成的新混凝土。再生混凝土按集料的组合形式可以有以下几种情况:集料全部为再生集料;粗集料为再生集料、细集料为天然砂;粗集料为天然碎石或卵石、细集料为再生集料;再生集料替代部分粗集料或细集料。太阳能光伏发电技术在建筑中的应用主要是将作为建筑材料和装饰材料的光伏电池产品技术用于建筑,以提供空调及照明、供电的主要能源,近年来成为世界太阳能利用的热点,是太阳能光电技术的重要发展方向。太阳能光热、光电综合利用,既可解决建筑的生活热水、空调热源,又可满足家用电器、照明供电的需要。太阳能的热利用技术形式除被动式采暖太阳房形式外,按系统循环方式分为:自然循环系统、直流式系统、直接式机械循环系统、直接式排回系统、间接式系统等,这些技术系统各有优缺点,有各自的适用范围。在建筑应用中,循环方式一般采用承压(机械循环)式间接双回路系统,这种系统便于实施与建筑外观协调配合的设计施工,便于实现高质量的控制和计量,便于保证全日稳定可靠供水。按集热器形式分为:平板式集热器系统、真空管式集热器系统。真空管式集热器是我国独立研发的技术,具有低温下集热效率高的特点,得到了广泛的应用;而平板式集热器系统由于自身结构轻、薄、寿命较长的特点,较易与建筑结合,并且随着生产工艺的提高和高效太阳能吸收涂层技术的引进,其应用范围还将扩大。热泵系统是指一种利用少量高位能,实现从低位能向高位能转移的热泵空气调节系统。通俗的定义是指一种通过浅层土壤(或地下水)进行热交换的高效节能、无污染的,既可供暖又可制冷,并可提供生活用水的空气调节系统。它不向外界排放任何废气、废水、废渣,是一种理想的“绿色技术”。由于它是以0200m的浅层岩土体作低温热源故称之为地源热泵。从能量转换角度来说,它是利用浅层岩土体作为蓄热体并利用其中的能量,这些能量主要来源于太阳能和地热能,所以,这是一种用之不竭的可再生能源。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。主要应用形式和应用技术有:土壤源热泵技术、地下浅层水源热泵技术、地表淡水源热泵技术、地表污水源热泵技术及浅层海水源热泵技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖。夏季把室内的热量“取”出来,释放到地能中去。通常,地源热泵消耗lKW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。从科学用能的角度看,热泵是合理利用高、低品位能的最佳技术路线。与锅炉(电、燃料)供热系统相比,锅炉供热只能将90以上的电能或70%90%的燃料能转为热量,供用户使用。因此地源热泵要比电锅炉加热节省2/3以上的电能,比燃料锅炉节省1/3以上的能量。由于地源热泵的热源温度全年较为稳定,一般为1025,其制冷、制热系数可达3.54.4,与传统的空气源热泵相比,要高出40左右,其运行费用为普通中央空调的5060。因此,近十几年来,地源热泵空调系统在北美及中、北欧国家取得了较快的发展。中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。地源热泵系统分为室内系统和室外系统两个部分。其中室内系统有分散式和中央式,中央式系统在我国认可度比较高,因为这种系统与传统中央空调系统的室内部分是一样的,都是由主机加末端装置构成,在我国和欧洲被广泛采用。分散式系统在我国应用较少,这种系统通常没有主机,热泵系统和风系统或水系统合二为一,而且机组是小型化的,分散布置于各个空调分区,每个分区单独工作。这种系统在北美地区被广泛使用,我国于2000年以后才开始应用。室外系统根据换热方式的不同,分为利用土壤换热的闭式地源热泵系统和利用地下水、地表水及人工再生水换热的开式地源热泵系统。闭式地源热泵系统即通常所说的埋管式地源热泵系统,开式地源热泵系统即通常所说的水源。热泵系统。闭式地源热泵系统利用土壤温度常年恒定的特点,通过埋设在土壤中封闭管道内的水与土壤进行热交换来为室内供暖制冷,它不需要使用地下水,对水质、地质不会产生任何影响。因此这种技术的适用性更广泛。由于闭式系统的换热主要通过固态的岩土体进行,换热机理十分复杂,尤其是岩土体本身的结构与成份非常复杂,这就更增加了设计闭式换热系统的难度。因此能够完全掌握此系统的设计方法并在工程施工时按相关规定正确完成换热器的安装是很困难的。这也是目前出现很多失败案例的重要原因。目前闭式系统的主要问题是在地质条件恶劣的地区,室外地耦管部分的施工费用偏高,影响了市场推广的速度。开式系统的室外施工费用相对较低,无需占地,受建筑周围环境影响较小,同时机组换热效率也较高。尤其是地下水式室外换热系统设计难度低,因此被广泛采用。尽管开式使用流体进行换热,系统设计相对简单,但是开式系统对地下水的水质及水量都有较高的要求,如果水质及水量不能满足要求,将很难达到良好的换热效果。而地下水水质和水量的情况是由地下水本身的资源状况决定的。如果不能充分了解该地水资源的状况就盲目使用,则会发生水量不够、回灌不利甚至无法回灌的情况。另外,开式系统使用地下水资源,如果不严格按相关规定使用,将会对地下水造成浪费和污染。可再生能源,由于其清洁、无污染、可再生,符合可持续发展的要求而受到各国政府的青睐,已成为各国实施可持续发展的重要选择。世界各发达国家制定并实施了一系列宏大的计划和工程。欧洲各国通过立法,确立了可再生能源在能源系统中的重要地位,激励可再生能源的合理开发和利用。欧盟是世界可再生能源发展最快的地区,也是受益最多的地区。1997年欧盟颁布了可再生能源发展白皮书,

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