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吕锡民:主动式建筑围护结构空调系统

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【大纪元2019年11月08日讯】建筑部门约占一次能源消耗30-40%,并为全球温室气体(GHG)带来三分之一的排放量,国际能源总署(IEA)预计,到2040年,GHG排放量将再增加30%。大量研究结果证实,要减少建筑能耗,首先必须改善建筑围护的节能结构。尤其是台湾地处亚热带,人口密集,建筑林立,夏季空调高居尖峰电力负荷四成,如何运用与电力负载成正比的太阳能,成为当今最热门的建筑节能议题。

建筑围护之所以重要在于,它可以防止室内产生的(冷)热能逸散到外部环境,另一方面,阻挡环境(冷)热能的侵入室内。无论如何设计和优化外壳,由于室内和室外环境存在温度梯度,两个空间之间的热量损失或增加都是不可避免的。简单来说,由于建筑物围护的隔热结构,直接减少了室外表面或环境空气的热辐射与热对流。

根据功能和位置,建筑围护结构可分为墙壁、窗户、屋顶等三大部分。建筑业者可以根据居住者对热舒适性的要求,维护室内人造环境。这可以通过加热、通风和空调(HVAC)系统操作来实现,手段包括产生冷或热空气/表面、保持湿度水平和可接受的空气速度。

估计藉由适当建筑围护结构设计,可以将总能耗降低20-50%。更准确地说,适当的设计可以包括:目的在于提高热性能而设计的结构,例如在建筑围护中采用空气层、Trombe墙、相变材料(PCM)、太阳光电(PV)模组、热电(TE)模组等。

有别于传统被动式自然通风空调,主动式建筑围护结构(Active Building Envelope, ABE)充分使用太阳光/电/热能源,借此获得更高效能源管理,据报导,光在炎热夏季和寒冷冬季的大陆地区,与一般建筑物大型墙相比,ABE可得到高达170%的节能幅度。

ABE基本定义共有两类:(1)条件1:建筑围护结构系统主动利用能量输入,管理围护结构的制冷/制热负荷或室内人造日的照明负荷,直接减少对中央HVAC系统需求,亦即利用ABE透过机械、电气(子)、化学等控制系统取代部分HVAC功能;(2)条件2:建筑物围护结构系统充当能量转换器,其中,再生能源(太阳能、风能等)转换为常规能源(特别是电能、机械能或化学能),并视其为提高建筑性能的某种方式。

ABE被分为四类:空气基、水基、固体基和动力基等立面。空气基、水基和固体基主动围护结构的物理结构无法进行更改以实现特定需求,而动力基主动立面可以调整其物理结构来满足特定目的。

空气基外壳具有较高热阻,而空气可移动性则有助于去除多余热能。在封闭式和非封闭式系统下,这些特性促使空气层结构引发现代建筑设计和施工极大关注。尽管如此,主动式建筑物墙体和屋顶下一步将使用空气层,以实现更高建筑物性能。基本上,自然冷却/加热源或人造设备产生的热能,应该可以做到这点。

从技术角度来看,热能比冷能更容易获得。工程师意识到太阳能是一种完美的自然供热源,便将其纳入基于空气的加热墙系统中。与被动式太阳能立面(如Trombe墙)相比,在冬季,基于主动空气层的太阳能采暖墙可为建筑实现更高能效。

空气和水是存储和传递热能的常用流体。就主动式玻璃幕墙而言,水基系统比空气基系统更为有效率。也就是在外部玻璃和内部玻璃形成通道,其中流动水不断吸收热量,可以大幅降低室内热量的吸收。将水流窗与地源热泵集成一起,结果在夏季节省近40%的冷却能耗。

一般来说,固态基不透明围护主要分为三大类别:太阳光电(PV)、热电(TE)和PV-TE墙或屋顶。PV模组可以将建筑围护结构从能源消耗者转变为能源生产者,TE围护需要常规能源作电力输入,借此降低建筑围护结构冷热负荷,并节省能源,上述皆为主动式系统。

使用太阳能发电以实现标准双层/单层建筑立面,PV面板是首选工艺。为了保持玻璃盖透明度和日光特性,安装的PV模组应该是透明或半透明。一方面,系统中不透明太阳能电池稀疏分布,并附着在玻璃板上,可使阳光穿过装置空间进入室内空间。另一方面,半透明PV材料用于DSF外部玻璃。这是一项具有高度研究兴趣和资本投资的技术。

一般来讲,通过热电冷却/加热作用,固体基不透明ABE几乎可以整体实现条件1。它可以由电网供电,也可连接到PV模组。固体基半透明立面种类包括电致变色(EC)玻璃、TE窗和PV-TE窗。三项技术都需要电力输入,而EC涂层可以低压设计,简单调节透射光、眩光和太阳热量。与EC窗不同,TE窗可以控制热量增减,对玻璃透射率几乎没有影响。

至于条件2型不透明ABE,PV外墙在建筑环境中占有主导地位,因为这是一种能源生产者。与PV电池不同,热电发电机(TEG)可以利用废热,并将其转换为可用电力,且无需机械移动组件。至于半透明外墙,半透明PV玻璃与新兴TEG窗则是两个主要类型。一方面,PV玻璃可以在现场收集太阳能,同时减少室内太阳热量获取。另一方面,TEG发电量则取决于温度差,预期材料科学研究将突破界限,为能源相关工程问题提出更好解决方案。

一般来说,PV模组可以将建筑围护结构,从能源消耗者转变为能源生产者,此处,PV面板垂直安装在外墙上,并在夏天留下由散热片形成的散热通道。TE效应可在两端侧之间利用温差产生电能。传统上,TE围护需要常规能源作电力输入,借此降低建筑围护结构冷热负荷,并节省能源。

在先进系统中,TE模组可由PV模组的安装,使用太阳能所转化电能,形成所谓的PV-TE墙,借此达到上述空调功能。而这项技术更适合屋顶部署。PV-TE墙系统还可以与风车集成,提供额外新鲜冷空气,或者使用水冷法以紧凑方式形成新的散热设计。

另一种动态主动式围护结构,不需要工作介质,藉由主动更改、调整和改造建筑物外壳,以控制太阳热/光的穿透、自然通风甚至发电,在当前研究范围内,动态玻璃幕墙需要一种能够适应不断变化外部环境条件的可转换、可控制的玻璃幕墙,从“能源损失者”变为“能源管理者”,最终变为“能源供应者”。

一般而言,基于空气、水和固体的主动式玻璃幕墙都可以充当“能源供应者”,而动态玻璃系统则更可充当“能源管理者”。与固定式遮阳装置相比,集成式电动幕帘玻璃幕墙可以改变可用日光入射量,从而动态管理太阳能直接获取,这可减少人工采光所需能量,并改善热感舒适度。

ABE未来展望有,(1)除TE空气不透明包络系统之外,他种类型(包括半透明)包络系统,还需要更加强研究;(2)在热性能评估、参数设计、灵敏度分析、结构优化方面,应该侧重于工程挑战;(3)TE和PV系统的关键需求,仍在于系统性能的优化,以降低成本并提供更高产出;(4)从工程学角度来看,未来需要增加系统控制、热性能和节能评估等项目。

其次,我们建议开放ABE高性能模拟工具,以有效解决建筑能源问题。藉由升级商用模拟软体,以高灵活度且兼容的模拟模组和程式码,为该领域做出巨大贡献。另外一个关键点为,当与现有无源系统比较时,不同ABE的实际能源性能和效率仍然有待确认。同时因为主动和被动围护系统对于建筑物的能量、结构和土木方面都是至关重要,我们强烈建议透过特定建筑设计、控制和优化,对主动和被动策略研究集成有效的混合技术和解决方案。

最后,ABE要成功实行,除了要有建筑师与结构师的精心设计之外,另外尚需其他领域诸多科学家、工程师和研究人员一起努力,携手合作共创建筑高效节能的春秋大业。

(作者为工研院能环所前研究员)

责任编辑:萧明

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2019-11-08 1:50 AM
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