喀斯特高原山区可再生能源建筑应用研究

    王翔 杜松

    

    

    

    【摘?要】本文通过调研喀斯特高原山区可再生能源建筑应用情况，从资源分布特点、市场环境条件、政策激励作用、技术应用情况等角度，对典型地區贵州的样本数据进行统计分析，研究了影响该地区可再生能源建筑应用推广的主要因素构成及存在问题，同时通过对该地区可再生能源建筑应用主要技术案例进行测试，进行了可再生能源建筑应用总体效益分析和潜力分析，为进一步在该地区推广可再生能源建筑应用技术提出合理建议。

    【关键词】喀斯特高原山区;贵州;可再生能源;建筑

    Research on the Application of Renewable Energy Buildings in the Karst Plateau Mountains

    Wang Xiang，Du Song

    （Guizhou Zhongjian Architectural Research and Design Institute Co.， Ltd?Guiyang?Guizhou?550006）

    【Abstract】This paper investigates the application of renewable energy buildings in the karst plateau mountainous areas， and analyzes the sample data of typical regions in Guizhou from the perspectives of resource distribution characteristics， market environment conditions， policy incentives， and technology application. The main factors affecting the application of energy building applications and existing problems. At the same time， through the testing of the main technical cases of renewable energy building applications in the region， the overall benefit analysis and potential analysis of renewable energy building applications were carried out to further promote renewable in the region. Energy building application technology makes reasonable recommendations.

    【Key words】Karst plateau mountain area;Guizhou;Renewable energy;Construction

    1. 引言

    （1）我国喀斯特高原山区主要分布在贵州及云南东部地区，其中贵州地区具有典型代表性。贵州地表水、地下水资源丰富，日照资源一般，喀斯特地貌特征明显，地质情况复杂，溶洞较多，气候夏季凉爽，冬季有集中采暖需求。贵州地处我国西南，经济发展起步较晚，近年来城镇化进程大幅加快，房地产随之增速迅猛，同时贵州是国家批复的生态文明试验区，是长江、珠江“两江”上游生态屏障，在经济提速增长的同时，必须牢牢守住“生态底线”。

    （2）可再生能源是在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭的资源，主要有风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源，它对环境无害或危害极小，而且分布广泛，适宜就地开发利用[1]。开发利用可再生能源是建设资源节约型、环境友好型社会和实现经济社会可持续发展的重要战略措施。可再生能源在建筑应用中主要指利用太阳能、浅层地热能等可再生能源部分解决居住建筑与公共建筑中的采暖空调、热水供应、电力照明等能源需求问题[2][3]，是绿色建筑的关键技术。充分挖掘该地区可再生能源建筑应用潜力，提高可再生能源在建筑利用中的比例，可以帮助实现贵州城镇化绿色转型发展，助推生态文明建设，在满足人们日益增长的居住舒适性需求的同时，守住我们宝贵的绿水青山。贵州一方面积极争取国家政策支持，一方面制定并实施了可再生能源建筑应用的推广政策和补助措施，以推动可再生能源建筑应用的发展。

    2. 可再生能源建筑应用现状调查

    （1）根据调研情况，贵州全省可再生能源建筑应用省级示范项目有28个，示范应用面积达到498.27万平方米。从时间上来看，可再生能源建筑应用面积基本上呈逐年增长态势，2011年至2016年（其中2013年未补贴可再生能源建筑应用示范），贵州每年新增省级可再生能源建筑应用示范面积分别为22万平方米、45万平方米、35万平方米、55万平方米和341万平方米，同时贵阳市、安顺市西秀区、威宁自治县、遵义市鸭溪镇分别为国家可再生能源建筑应用示范城市（区、县、镇），其累计示范任务面积达341万平方米，在黔中经济区、铜仁市碧江区、威宁自治县初步形成了集中连片推广态势。此外贵阳市有一个国家级绿色生态城区，采用可再生能源建筑应用技术集中采暖，铜仁市规划8个分布式能源站，其中以可再生能源建筑应用技术为主的智慧能源站项目已经立项实施，这些项目均在有序开展中，总体上该地区规划建设中的可再生能源建筑应用面积已超过1500万平方米（贵州可再生能源建筑应用省级示范部分项目面积增长折线图见图1）。

    （2）该折线图中数据仅为省级补贴资金数据，相对项目的实施有一定的滞后性，其中2013年的缺少是由于补贴资金暂时性用于既有建筑节能改造， 2016的井喷式增长现象源于该地区某大型绿色生态城区建筑全面采用可再生能源建筑应用技术，面积较大，实施周期较长，于2016年才获得部分省级资金补助。综上，该地区自设立省级专项补助资金以来，可再生能源建筑应供面积总体上呈现稳步增长态势。

    3. 可再生能源建筑应用案例测试及总体效益分析

    3.1?降低建筑运行费用，带来长远的经济效益：

    （1）与常规建筑能源系统相比，可再生能源建筑应用技术可以减少建筑高品位能源（如电能）消耗，降低采暖空调等方面运行成本，虽本身会增加一定的初投资成本，但回收年限远低于可再生能源建筑应用系统使用寿命，在增量成本回收后，每年会节约可观的运行费用，为项目带来长期的经济效益。

    （2）其中铜仁南长城国际大酒店项目年节约资金52.4万元，静态投资回收期0.6年。该项目于2012年投入运行，截至目前已节约建筑运行费用约150万元。

    （3）通过统计，贵州省2011～2016省级可再生能源建筑应用示范项目投入运行后累计可实现年节约运行费用3209万元，以可再生能源建筑应用系统使用寿命20年计算，累计可实现节约建筑运行费用64184万元。

    3.2?推进建筑低碳减排，带来显著的环境效益。

    （1）可再生能源是理想的清洁能源、绿色能源，在建筑中应用可再生能源技术，可以减少二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放，减少大气污染，對保护和改善生态环境具有重要作用，是推进建筑节能减排的重要举措。

    （2）以铜仁南长城国际大酒店示范项目为例，项目可再生能源建筑应用面积为6.32万平方米，应用可再生能源示范技术为河水源热泵系统，测评结果表示可实现二氧化碳减排量996.6吨/年，节能量415.1吨标煤/年，粉尘减排量8.3吨/年，二氧化硫减排量4.4吨/年。

    （3）通过对全部已安排的省级可再生能源建筑应用示范项目进行统计，累计可实现二氧化碳减排量20522.3Kg/年，节能量8038.6吨标煤/年，粉尘减排量205.2Kg/年，二氧化硫减排量166.2Kg/年。以可再生能源建筑应用系统使用寿命20年计算，累计可实现二氧化碳减排量410.4吨，节能量166172.6吨标煤，粉尘减排量4.10吨，二氧化硫减排量3.32吨。

    4. 可再生能源建筑应用推广影响因素分析

    4.1?资源禀赋因素。

    （1）资源禀赋因素作为客观条件起到决定性作用，将调查结果按照技术应用类型进行统计得出，地源热泵技术应用项目共22个，示范面积共125.3644万平方米;太阳能光热建筑一体化应用项目共5个，示范面积共29.6443万平方米;太阳能光热与地源热泵结合系统应用项目1个，示范面积1.85039万平方米。

    （2）可以看出贵州卡斯特高原地区可再生能源建筑应用技术主要是地源热泵技术，其次才是太阳能光热应用技术。由于贵州省位于中国西南部，历年平均日照总时数为1270h，多年平均太阳辐射在1349～4595MJ/m2之间，属于太阳能资源IV类地区，同时太阳能资源分布不均，其东部和北部辐射值较低，年辐射总量在3500 MJ/m2以下，西部和西南部辐射较高，总量在4000 MJ/m2以上，最高达4599 MJ/m2，如威宁地区等具有一定的太阳能技术应用条件。而贵州的地源热泵建筑应用资源相对丰富，河流年径流量约1035×108m3，岩溶地下水资源量386.26亿m3/a，岩土恒温层平均温度约14℃～16℃，尤以贵阳市、铜仁市、黔南州等地区居多。贵阳境内土壤以酸性黄壤为主，与石灰岩、白云岩、砂岩、页岩等交错分布，土壤温度相对恒定，岩土恒温层最低温度约16℃，地处长江水系和珠江水系分水岭，流域面积大于20Km2的干支河流共98条，年平均降水量为1197～1248mm，属多雨地区，水资源总量为42.93亿m3，有丰富的地表水和地下水资源。

    4.2?市场因素。

    针对喀斯特高原地区现状，市场因素从当地经济水平的发展、人民生活水平需求、群众意识形态三个方面分析。

    （1） 市场因素首先受当地经济水平的发展影响。我国卡斯特高原地区主要分布在西南地区，该地区经济发展水平相对落后，房地产事业起步较晚，因此整体上与沿海发达地区相比存在差距。从该地区内部分布状态来看，省会城市贵阳应用面积最多，而毕节市、黔西南等地区几乎没有分布，该技术的推广与经济水平的发展息息相关（可再生能源建筑应地域分布表见表2）。

    （2）其次受人民生活水平需求的提高的影响。贵州气候相对温和，夏季凉爽，建筑物的供热制冷负荷相对不高，但随着经济发展，人民生活水平需求日益增长，对居住舒适性的要求也日益增长。高原山区较其他地区湿度更大，冬季体感舒适度较低，因此近年来该地区集中采暖的呼声越来越高，已有多个楼盘项目采用了集中供暖技术。从市场反应来看，这些项目相比未采用集中采暖的项目更受欢迎，这就刺激了可再生能源建筑应用技术的发展，形成了多个应用可再生能源建筑应用技术为主的集中采暖城区或住宅小区。

    （3）再次受群众意识形态提升的影响。贵州省作为在经济发展和城镇化发展上起步较晚的地区，将生态优势作为乐重要的后发优势。贵州省作为国家首个国家生态文明试验区，省委省政府对生态、绿色、可持续发展等理念的宣传力度非常大，自2013起每年举办生态文明贵阳国际论坛，影响力日益增长，加上随着多个可再生能源建筑应用项目的投入应用，群众对可再生能源的认知大幅提升，这对帮助可再生能源建筑应用技术在该地区的集中大面积推广积累了良好的基础。

    4.3?政策因素。

    （1）由于可再生能源在建筑中应用虽然会降低建筑能耗，减少建筑采暖空调等方面运行成本，促进生态环境改善，带来社会和环境效益，但不可避免本身会增加一定的投资成本，这使大部分业主难以选择，影响了企业投资积极性，导致市场推广存在困难，因此可再生能源建筑应用需要政府长期的资金或激励政策的扶持推进，才能健康发展。

    （2）将调查结果按照建筑类型分类，统计项目获省级补贴资金情况。2011～2015年累计安排可再生能源建筑应用省级示范专项资金2000万元，公共建筑共27个，示范面积共155.23904万平方米，补贴资金共132.51904万元;居住建筑共1个，示范面积1.62万平方米;补贴资金24.34万元，详见表3（可再生能源建筑应用政府补贴资金分布表见表3）。

    （3）此外为加快可再生能源建筑应用的发展，根据可再生能源资源、技术及建筑应用发展状况，贵州省相继出台了《贵州省可再生能源建筑应用专项规划》、《贵州省绿色建筑应用行动实施方案》、《贵州省“十三五”建筑节能与绿色建筑专项规划》等管理文件，并在生态文明试验区实施方案中将可再生能源利用内容纳入其中，对可再生能源建筑应用从政策上加以鞭策;在2015年10月1日发布的《贵州省民用建筑节能条例》中明确可再生能源在建筑应用的条款，从地方法律层面给予了支持。当地政府的重视和政策力度的不断加强使得该地区的可再生能源建筑应用在经济落后的情况下仍然的到了大力推广应用，可见政策因素对这种外部性效益较强的建筑技术具有较大的影响力。

    4.4?技术因素。

    从调查结果看，该地区的可再生能源建筑应用受到技术因素的制约，主要体现以下方面。

    4.4.1?地表水源热泵技术由于比较成熟且相对实施难度较低，因此应用范围较广，而其他技术或复合利用技术则较少，存在技术应用类型较单一的现象。好在随着该地區的发展，目前多能源利用、智慧式管理的分布式能源利用方式在部分地区已得到了实质性的开展，对今后该地区技术应用质量的提高有着积极作用。

    4.4.2?土壤源热泵技术方面，由于气候因素，贵州高原山区夏季凉爽，最热月（7月）平均气温大部分地区在22～26℃之间，大部分地区制冷需求极低，而冬季供暖及热水需求则较高。根据《建筑节能气象数据标准》（JGJT 346-2014）中对贵州相关城市的气象数据显示，贵阳、威宁、三穗、兴义等地夏季空调度日数均小于20CDD26（℃·d），甚至为0 CDD26（℃·d），而冬季采暖度日数均大于1400HDD18（℃·d），冬季采暖负荷远大于夏季空调负荷，土壤源热泵技术在建筑中应用土壤源热泵系统存在严重的冷热不平衡问题。该地区部分已投入运行的土壤源热泵项目，经过几年使用后，岩土温度降低，冷却水温度偏低，出现热泵系统效益降低甚至无法运行现象，反而补充采纳常规能源形式进行供热。且如不做好对土壤的补热措施，将会对生态造成破坏，这一技术薄弱问题严重影响了土壤源热泵在该地区规模化推广。

    4.4.3?地下水源热泵技术方面，该地区地下溶洞较多，地下水蕴藏丰富，但由于地下水的利用对地质条件的影响较大，且喀斯特地貌地质条件较为复杂，十分依赖前期勘测技术，因此实际该地区的地下水源热泵技术利用案例较少。

    4.4.4?太阳能技术应用方面，该地区主要以太阳能光热热水利用为主，由于太阳辐射季节差异大，夏季使用效果最好，春季和秋季可正常使用，冬季必须辅助电加热等设备才能正常使用;而太阳能光伏系统建筑示范项目较少，多用于街道、住宅小区照明。

    4.4.5?管理问题导致实际使用效率不高，甚至不能使用情况普遍。由于缺乏专业技术人员或专业知识和技术水平都达不到工作的要求，导致可再生能源工程施工质量参差不齐，影响可再生能源系统运行效果，如有项目机房水管漏水、管道腐蚀等现象严重，或勘探时未发现地下水，结果后期机房经常被水侵袭，极大增加了出现问题的频率，减少了设备的使用寿命。其次设备运行期间，对运行管理不到位，无严格的操作规程，造成极大的资源浪费，如铜仁某地表水源热泵系统工程的能效测试数据显示，循环水泵耗电量占总能耗的45%，高于普通中央空调系统水泵与风机的耗电量;贵阳的土壤源热泵项目前期对土壤热物性测试不足，埋管面积和间距不够，再就是热平衡问题在设计时均考虑到，但是实际施工和使用过程却忽视等问题均会导致项目后期使用效果不好。

    5. 总结和建议

    （1）通过本文研究分析发现，一是以贵州为代表的喀斯特高原山区气候、资源、经济发展特色十分鲜明，可再生能源建筑应用推广态势良好;二是该地区在我国的生态地位重要，推广可再生能源建筑应用经济、环境和社会效益显著，意义重大;三是该地区的技术提升潜力大、需求增长潜力大、政策续推潜力大，使得可再生能源建筑应用推广前景乐观。

    （2）该地区可再生能源建筑应用受到资源禀赋、市场环境、政策利好、技术条件等多个因素影响[4]，该地区应继续大力推广可再生能源建筑应用技术，建议从以下方面实施或加强：一是从资源分布条件看，卡斯特高原地区地表水资源条件尤其优越，应在经济可承受范围内，充分地勘的条件下，有针对性的集中连片推广地表水源热泵技术;太阳能资源条件较差且分布不均衡，应分时段、分区域推广太阳能光热利用技术;同时兼顾发展其他可再生能源建筑应用技术，如在农村地区应推广生物质锅炉采暖、沼气供气等技术。二是在技术推广过程中政策效益明显，应继续坚持并加大政策扶持力度和财政补助力度，同时加强政府引导，发挥示范效应，促进技术产品产业化、市场化的形成。三是通过加强对现有可再生能源建筑应用示范工程的测试调研[5]，分析当前已实施项目在设计施工和实际运行管理中存在的问题，并进行系统节能效果分析，同时开展针对该地区的关键性技术研究，突破技术障碍，解决设计施工、运行管理及能耗监测等方面的问题。

    参考文献

    [1]?彭峰，陈力.欧盟可再生能源立法的新发展.环境保护，2012，10：69.

    [2]?《可持续建筑》[英]布赖恩o爱德华兹中国建筑工业出版社2003-1.

    [3]?《新能源与可再生能源概论》苏亚欣; 毛玉如; 赵敬德化学工业出版社2006-3.

    [4]?《可持续建筑技术》张国强，徐峰，周晋等中国建筑工业出版社2009-8.

    [5]?《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801-2013）.