生态建筑学:生物燃料、太阳能和储热箱

利用可再生能源为建筑采暖的一个常用的方法是结合使用生物燃料和太阳能，同时采用储热箱来储热。在夏季，主要使用太阳能加热冷水，在冬季，当同时需要室内采暖和热水时，主要使用生物燃料。这个系统被称为“三位一体能源”（图3-8）。

1）供暖系统的规模

三位一体能源系统能适应大小不同的规模。这个系统可以用于单个家庭，地区供热厂能够供应一组建筑群，而城区供热系统则可以满足整个城区的供热需求。

（1）家庭采暖。在家庭中采用的三位一体能源系统很简单。一个储热箱与一个屋顶太阳能集热器以及装有水套的燃烧系统相连接（图3-9）。燃木火炉、瓷砖炉灶、燃木厨房炉灶，或者生物燃料锅炉，都可以用作燃烧系统（图3-10）。不加水套的燃烧系统也是可行的。这样热水就需要另外加热（图3-11）。

（2）社区供暖。① 小规模颗粒燃烧设备。该设备可以通过社区系统为建筑供暖。社区供暖系统可以用于：小型居住区、生态村、大型农场、公寓组团、学校和医院。燃烧木质颗粒的供热系统能够实现自动化，不给用户增添额外工作。可以用双管和四管系统来输配热。双管系统从一个中央热力站为房屋供热，热水由每个用户单元自行供应。通过两个平行系统可组成一个四管系统，从中央热力站同时提供热水和建筑采暖。② 太阳能集热装置。该装置可以位于中央热力站，也可以位于每栋建筑的屋顶部分。主储热箱置于中央热力站中，每个单元中的小型储热箱可以作为其补充（图3-12）。③ 输配热系统。社区供暖的输配热系统是简单便宜的。输送管和保温材料组成一个在地下“运作”的单元（一个回路）。在管路的外层是内填绝缘材料的柔韧的波纹形保护壳。在管路中心是中空的塑料管。管路长数十米，规格固定，便于拼接在一起。这些管路易于操作，并且在窄于常规尺寸的沟槽安装（图3-13）。一旦回路安装完毕，供水管也就拉通了，在地下设有接合。

图3-8　不同月份太阳能与生物燃料使用情况的比较

使用太阳能与生物燃料互为补充有许多优点。在高纬度地区，冬季缺少阳光意味着太阳能需要其他燃料来补充。相反，在夏季，充裕的太阳能足以用来加热水，可以关闭生物燃料锅。在低负荷状态下的燃烧是低效率的，只会加剧对环境的影响。因此，在夏季使用电能作为太阳能的补充。资料源于扬 奥洛夫 达兰拜克（Jan Olof Dalenbäck），查尔姆斯理工大学，哥德堡

图3-9　生态屋中的能源系统

这个住宅保温性能良好，同时包含了被动式太阳能利用。建筑朝南的屋顶上装有一个太阳能集热器并配套一个水套瓷砖火炉。热能储藏在为建筑提供采暖和热水的储热箱中。资料源于约翰 卡尔松（John Karlsson）绘制

图3-10　高效节能住宅中使用的可再生能源供暖系统

带水套的锅炉和太阳能集热器为储热箱供热，热水和建筑采暖使用的热均来自于储热箱。资料源于《北欧采暖系统》

图3-11　使用“三位一体能源”的家庭供热系统

这个系统由一组太阳能集热板、一个燃木锅炉和连接两个储热箱的电热盘管组成。其中一个储热箱用来储存夏季太阳能集热板产生的热量，两个蓄热箱都用来储存供热期间燃烧木材得到的热量，电能作为后备能源。资料源于贡纳 李讷默（Gunnar Lennermo），能源分析公司，阿灵索斯（Alingsås），瑞典

图3-12　恩德斯坦斯约登（Understenshöjden）生态村中的供热系统

尽管有一个区域中央供热锅炉，这里每个居住单元都有一个储热箱。输配热过程中的能量损失因此降低，每栋建筑拥有自己的储备系统——一个位于蓄热箱中的电热盘管。为了获得高效运行，中央锅炉仍然需要配备储热箱。资料源于贡纳 李讷默（Gunnar Lennermo），能源分析公司，阿灵索斯（Alingsås），瑞典(www.xing528.com)

（3）区域供热。区域供热一般用于密集建设的地区。热能可以由燃烧生物燃料的供暖设备或者工厂废热提供（图3-14、图3-15）。区域供热设备使用先进的废气清洁系统。通过为数很少的烟囱排放，大大降低了燃烧过程产生的空气污染。区域热力站的选址根据建筑密度确定。建筑密度越高，分配热损失越小，供热系统的效率越高。如果使用范围扩大到建筑密度低的区域，城区供热设备的经济性就会降低（图3-16）。被动式太阳能公寓需要消耗的热能很少，将用过的热水返还热力站后还可以作为热源（通过热泵）（图3-17）。这种方法已经在卡尔斯塔德（Karlstad）的瓦特瑞特 西格莱特（Kvarteret Seglet）公寓得以应用。热泵的负面影响通过减少的总耗电量获得补偿（建筑与家用电器用电）。当前正在着力提高区域供热管线的保温能力和输热技术效率。首先，最高输热温度可以从120 ℃减少到100 ℃，有时甚至更低。其次，铺设区域供热管线的新技术已经得到发展。最后，调整和更换区域接收站的设施，以降低回水温度。使用生物燃料最有效的方式是将其在发电站燃烧，同时产生电能和热能（参见第3.2节“可再生电能”中的区域供热段落）。

图3-13　格鲁底斯管沟与传统管沟的比较（mm）

格鲁底斯（Grudis）管沟占用的空间小于常规管沟

图3-14　区域供热系统之格鲁底斯供热系统

瑞典的格鲁底斯（Grudis）是一个拥有多种优势的区域供热系统，其预制的管路单元是自保温的，便于装配，占用空间小，并且相对便宜

图3-15　1970 2006年瑞典区域供热的能耗情况

资料源于瑞典统计局和瑞典能源署

图3-16　瑞典乌尔里瑟港（Ulrice hamn）地区的供热系统平面

将供热网络从“已有的区域供热地区”扩展到“可能的区域供热地区”十分简单。在标记有“区域供热岛”的地区，将有可能建立小型区域热力站。这张地图同时标示出，未来发展过程中可以通过多种方式满足供热需求的地区。资料源于《建设一个可持续的社会》，比吉塔 约翰松（Birgitta Johansson）和拉尔斯·奥斯库格（Lars Orrskog），2002

图3-17　私人住宅中的集中采暖系统连接箱

2）利用废热

（1）废热。工业废热可以用于区域供热。在钢铁工业中，钢铁冷却时释放出大量能量可以作为热的来源（图3-18）。如果废热的温度过低，可以使用热泵，瑞典南部的阿勒夫（Arlövs）炼糖厂正在使用该技术。一些工厂的废热温度过高，无法用于建筑采暖。这些废热可以为工业生产提供二次供热，在这个过程中再次产生的废热可以用于区域供热（这个过程称为级联）。瑞典皇家理工学院（KTH）化工系的一个研究小组建议：将乌克瑟勒松德（Oxelösund）钢铁厂的剩余热量通过化学方法储存在容器内，然后通过火车、轮船或卡车运送到位于斯卡夫司塔（Skavsta）的机场。这个方法采用了吸附技术将热量储存在带有沸石的容器内（图3-19）。

（2）废气净化。当今，生物燃料的燃烧效率已经达到了很高的程度——高效燃烧和清洁排放已经十分常见。为了减少空气污染，需要采用多种方法进一步净化废气，尤其是在大型设施中。这一点在焚烧可能含有污染物的垃圾时尤为重要。在大型工厂，常将几种净化废气的不同方法组合使用。小型工厂则多采用催化式废气净化（图3-20）。

（3）废气冷却器。废气冷却器是热交换器的一种，安装在大型工厂中用于提取废气中的能量。但是，需要保证废气在上升和离开烟囱时具有足够的热度，不至于凝结和损坏烟囱。