可再生能源在山西建筑中的应用

摘  要：面对日趋减少的能源，我国提出了可再生能源的利用计划，从而补偿能源供应的缺口。可再生能源不会对环境造成污染，值得广泛推广和应用。

关键词：可再生能源;太阳能;风能;地热能

中图分类号：TU8                文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.127

1  可再生能源的概念

在《中华人民共和国可再生能源法》中，可再生能源是指风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等非化石能源。可再生能源生产的时间比较短、可再生产，但通过低效率炉灶直接燃烧方式利用秸秆、薪柴和粪便等不在可再生能源范围内。

2  可再生能源的分类

2.1  太阳能

太阳能广义上是指来自太阳的能量，包括太阳辐射能、煤、石油、天然气、沼气、风、波浪、生物质能和水能等;狭义是单指太阳辐射能，即仅限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。

太阳能的优点有以下5点：①供给能量巨大。太阳能为1年内世界主要能源探明储量的19倍。②可再生性（1 000亿年）。③普遍性。太阳能处处都可以利用。④生态清洁性。矿物燃烧可改变地球的热能平衡，进而造成温室效应;没有废渣、废水和废物排出。⑤安全性。太阳能在所有能源中的安全性最高。

太阳能的缺点为以下2点：①分散性。能流力度低，地球表面为1 360 v/m2。②间断性和不稳定性。晚间和阴雨天等恶劣天气下难以利用。

2.2  风能

风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。其特点有以下4点：①数量较大。陆地上离地10 m高度层上的风能资源技术可开发量为2.97×1010 kW。②可再生性。太阳辐射已发温差，进而产生风能。③密度低。风力的能量密度只有水力的1/16～1/8.④不稳定性。气流瞬息万变。

2.3  地热能

地热能包括深、浅地热能。深地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引发火山爆发和地震的能量，按照其储存形式分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型、熔岩型;浅层地热能是指一般处于地表以下一定的深度范围内（一般恒温带在200 m埋深），温度低于25 ℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源，浅层地热能是地热资源的一部分，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。

浅层地热能的储量较大，我国地下近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是我国目前发电装机容量9.5×109 kW的1 578倍，而地下百米内地下水每年可采集的低温能量也有2.0×108 kW。其特点为清洁环保、安全性强（水源热泵避免了因燃烧过度或材料因素引起的锅炉爆炸等安全隐患），但会受水文地质条件（应能打出水并回灌）和储热量的限制（一定区域内，土壤可供开采的热量是有限的）。

2.4  地表水能

地表水主要指河流、冰川、湖泊、沼泽四种水体的总称，并称“陆地水”。地表水能的缺点是温度受气候的影响大。

2.5  污水、中水（再生水）能

污水是指受一定污染的来自生活和生产的排出水。城市污

水主要包括生活污水和工业污水，由城市排水管网汇集并输送到污水处理厂处理，冬季温度为11～17 ℃时，换热后处于6～12 ℃，夏季温度在14～18 ℃。再生水即中水，再生水介于上水与下水之间，对于污水处理厂的污水而言，温度为16～19 ℃。

2.6  生物质能

生物质能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，进而储存在生物质内部的能量。在有机物中，除矿物燃烧外，所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，包括木材废弃物、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。其特点有以下4点：①可再生性。②低污染性。二氧化碳零排放。③总量丰富。光合作用物质为1.73×1011 t，蕴藏能量为消耗总量的10～20倍，但目前利用率不到3%.④分布广泛性。分布分散、能量密度小、热值低。

3  山西省能源分布情况

3.1  太阳能资源分布情况

北部大同、右玉、五寨和左云等地由于地势较高，全年干燥，大气透明状况良好，太阳辐射量丰富;南部临汾、运城一带，阴天较多，日照少，年辐射总量较少。

总辐射量最高的是左云县6 130 MJ/m2，右玉、五寨次之，为5 980 MJ/m2;南部垣曲最低，为4 840 MJ/m2。山西所处为资源较丰富带和资源一般带，其中，临汾、长治、晋城和运城为资源一般带。是否为适合太阳能采暖节能气候区的指标为SDM指数=22.3，晋北达到24.90，晋南达到24.99，均属于适宜区，主要是因为不仅考虑了辐射量，还考虑了度日值，晋南地区采暖度日值小于晋北地区，因此，晋南比晋北更适宜于太阳能采暖。

3.2  风能资源分布情况

山西地处华北黄土高原，年平均风速大多为2～3 m/s，五台山地区年平均有效风速时效在5 000 h以上，台顶7 000 h以上，年均每月有80%以上的风速在3～20 m/s;神池、阳方口一带管涔山与恒山之间山口大风区的年平均有效风能密度在160 W/m2以上，最大可达200 W/m2，一年有效风力时效在4 000 h以上;雁北大部、吕梁山区、太行山区风能密度在100 W/m2以上，最大为170 W/m2，年有效风力时效在3 000 h以上。山西风能资源总储量为5.3×104 MW，风能资源技术可开发量为4 600 MW。但山西省风能资源量较大的地区一般离城市较远，开发比较困难。

3.3  地下水热能资源

山西浅层地下水容易回灌、富水性强、含水层厚、水质好、水温适宜（10～15 ℃），大部分城市可发展使用地下水源热泵系统。其中，运城市开发潜力最大，全省各地市利用孔隙地下水浅层地热能资源的储量为9.7×107 GJ，年供暖潜力为1.03×108 GJ，可满足5.359 9×108 m2的建筑采暖;年供冷潜力为7.77×107 GJ，可满足3.953 9×108 m2的建筑供冷。山西地下水热能资源中，运城最大，太原可达4.266×107 m2的供热面积，相当于现在集中供热面积的1/3.对于浅层土壤热能资源，在太原可供热4.803×107 m2，供冷4.068×107 m2，大致相当于集中供热面积的1/3.

对于深层地热能资源，山西较为丰富，54%地热分布在临汾、运城盆地，太原有神堂沟地热、坪泉地热两处，资源量较少。

对于污水资源，可利用中水资源约1.3×106 m2/d，可满足5.2×106 m2的冬季采暖。

3.4  生物质能

生物质能包括秸秆、薪柴、人畜粪便、城市污水、城市生活垃圾和能源作物等。秸秆是农村地区的主要能源之一，总资源量9.91×106 t，产生1.75×108 GJ能量，折合标准煤5.96×106 t。对于餐厨垃圾和污泥，2015年全省餐厨垃圾（含水率92%）产生量达1 582 t，化粪池污泥（含水率90%）产生量为6 000 t，污水处理厂污泥（含水率80%）产生量可达6.3×105 t，产生沼气3.0×108 m3，生活垃圾新增9.0×105 t，产生1.0×107 GJ能量，折合标准煤3.6×105 t。

4  可再生能源在建筑中的应用

可再生能源在建筑中的应用包括太阳能利用技术、风力发电技术、地源热泵技术的应用。太阳能利用主要分为以下3种：热水、主动式和被动式太阳能建筑、太阳能发电。

4.1  太阳能的经济可行性

太阳能热水系统的节能率在60%以上，与电热水系统相比，静态投资回收期为4～6年，太阳能热水系统应加强与建筑的一体化设计。与电锅炉相比，0.9年后可回收;与燃油锅炉相比，1.72年后可回收;与燃气锅炉相比，3.54年后可回收。

太阳能采暖必须有辅助热源的配合。一天中，太阳能负责采暖的小时数在8 h左右，综合热价最低，对于主要在白天使用的建筑，比如教学楼、办公楼等用太阳能采暖较佳。太阳能光伏发电成本较高，与传统发电方式相比，污染低。从每千瓦时的碳排放量看，煤发电为304 g、油发电为204 g、光伏发电为18 g。从地下水源热泵在建筑中的应用可看出，水源热泵供能与空调供冷+集中供暖相比，初投资增加1 622.94万元，但运行费用低，大致在3.68年后可回收投资。

4.2  土壤源热泵+冷却塔组合的应用

具体有以下4种方案：①地源热泵+冷却塔。单位面积初投资243.8元/m2，年费用19.92元/m2。②冷水机组+燃气锅炉。单位面积初投资216.7元/m2，年费用25.87元/m2。③冷水机组+城市热网。单位面积初投资304元/m2，年费用33.89元/m2。④直燃式/溴化锂冷水机组。单位面积初投资223.3元/m2，年费用31.76元/m2（直燃式）、39.5元/m2（溴化锂）。相比较，费用比例为1∶1.3∶1.7∶1.59∶1.98.由此可见，地源热泵+冷却塔组合方案的优点突出，对各项费用的节约比较明显。因此，污水源热泵要优于常规组合。

可再生能源的经济性比较好，尤其是地源热泵和太阳能热水的经济性较高。“十一五”期间，全省新增2.523 83×109 m2，约占新建建筑的26.1%.太原成为合理利用可再生能源建筑应用首批示范城市之一。山西省临猗县、平定县、侯马市为评为国家示范县。2009年，浅层地热能在全省的应用面积为3.638 6×108 m2，具体项目有太原市晋瑞苑小区土壤源热泵、新源小区土壤源热泵和太原实验中学水源热泵供暖项目等。

5  存在的问题和建议

太阳能在山西建筑中应用的主要问题有以下4点：①利用太阳能的成本较高;②高层住宅受制约;③与建筑的一体化程度低;④配套政策不系统，缺乏完整的激励政策和项目支持。

浅层地热能运用中存在问题有以下5点：①气象、水文地质情况等基础资料不完善;②应用条件受水源限制;③许多项目回灌效果较差;④缺少系统运行监测;⑤对地热资源的开发利用缺少长远规划。

结合山西实际，提出以下建议：①组织编制太阳能光热建筑一体化、光电一体化、采暖和地源热泵工程的设计、施工和测评验收规范;②组织开展太阳能高效利用技术、区域供热（制冷）能效提高技术等的研发和产业化转化。

〔编辑：张思楠〕

Application of Renewable Energy in Shanxi Architecture

Zhao Wenhui

Abstract： In the face of the increasingly reduced energy， China proposed renewable energy use plan， thus to compensate for the energy supply gap. Renewable energy will not pollute the environment; it is widely used and spread widely.

Key words： renewable energy; solar energy; wind energy; geothermal energy

文章编号：2095-6835（2015）14-0129-02

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