6g形T Sichuan Building Materials 第47卷第2期2021年2月
Vol.47,No.2
February,2021
赵雨桐，唐澜，余思言，周文凤，曾锦涛
（四川师范大学工学院，四川成都610000）
摘要：常规能源会加重能源消耗，而且带来了环境的恶化，绿建筑强调可再生能源的应用，对于四川省阿坝地区，太阳能、地源热泵和沼气应用具有先天的资源条件。本文对国内外三种可再生能源的应用现状，提出三种可再生能源的参数，为绿建筑节能优化做一定准备。 关键词：可再生能源；绿建筑；太阳能；地源热泵；沼气
中图分类号:TU201.5文献标志码:A
文章编号:1672-4011（2021）02-0020-04
DOI：10.3969/j.issn.1672-4011.2021.02.010
1太阳能
1.1太阳能的研究现状
我国能源结构严重失衡，与世界平均水平相比，我国过度依赖煤炭，但我国也在逐年减弱对煤炭的需求量。与此同时，我国可再生能源发展态势好，高于世界平均水平⑴（见图1~2）。
图1我国能源结构图图2全球能源结构示意图部分发国家太阳能年平均辐射量与我国相比情况见表1⑶。
表1部分国家太阳能年平均辐射量与我国相比情况
单位:MJ/H12国家年平均辐射量日本4090
俄罗斯3670
意大利4730
英国3640
法国3880
德国3530
中国5750
资料表明，我国每年接收的太阳辐射总热量为3.3X103 -8.4X103MJ/m2，相当于2.4x10°亿t标准煤⑵。我国拥有丰富的太阳能资源，能为太阳能的利用提供丰富的原材
收稿日期：2020-06-24
作者简介：赵雨桐（2000—），女，河南新郑人，本科，主要研究方向：绿建筑。
基金项目：四川省大学生创新创业训练项目计划省级一般项目：（S201910636213）料。合理利用太阳能能源，能够带来巨大、长久的可持续发展。我国太阳能资源与澳大利亚、美国相当，比日本、欧洲大部分国家、俄罗斯、南美、东南亚等国家和地区丰富得多（见表1）⑶。
1.2太阳能的特性
1.2.1太阳能的优缺点
太阳能这一可再生能源有着许多优点。
1）太阳能能量巨大。地球仅仅接收从太阳表面发射的太阳能总量的50%，但是地球30min接收的太阳能足以与全球一年的能源使用量相当⑷。
2）太阳能是可再生能源。当今世界最主要利用的还是煤炭资源，但随着过度开采利用，煤炭资源越来越少。太阳能资源丰富，利用太阳能能实现可持续发展。
3）太阳能是清洁能源。太阳能是最清洁的能源之一，不会对环境造成污染。
4）太阳能的利用无需开采和运输。太阳能发射到地面就能实现对太阳能的利用，能节省大量的人力和物力。
太阳能的利用存在的缺点。
1）太阳能具有分散性。虽然太阳能总量巨大，但分散在地球上密度低，收集太阳能需要大面积的设备。
2）太阳能具有间歇性。夜晚没有太阳的照射，无法收集太阳能，必须增加储能设备。天气等不确定因素也增加了太阳能利用的不稳定性。
1.2.2太阳能的气候适应性
川西高原地区云量少，日照百分率较大，且海拔较高，太阳直接辐射年总量较大。阿坝地区太阳能直接辐射年总量大且变化小。太阳直接辐射年总量为2800.0〜3486.9MJ/ n?,1月阿坝州太阳直接辐射在50.0〜100.0MJ/m2,7月阿坝州太阳能直接辐射在125.0~344.2MJ/m2⑸。而且阿坝地区昼夜温差大，利用太阳能可在夜晚供暖以实现节能的目的。
1.3相关参数
太阳能光热技术能够实现光能到热能的转化。根据《四川省居住建筑节能设计标准》（DB51-5027—2019）规定要求，太阳能集热器安装方位角宜在-20。〜20。的朝向内，安装倾角宜选择在当地纬度〜当地纬度+25。。对集热器的集热效率影响最大的是吸热体，即吸热膜层。较好的真空管膜层和较好的平板吸热片膜层吸收率都在0.95左右。国标规定：对于平板太阳能集热器，它的瞬时效率截距M0.72；对于无反射板的真空管集热器，它的瞬时效率截距^0.62；对于有反射板的真空管集热器，它的瞬时效率截距M0.52。在计算集热器的集热面积时，对于有反射板真空管集热器需要包括真空管之间的空隙，而无反射板真空管集热器不需要包括真空管之间的空隙。
1.3.2太阳能光伏技术
山药去皮机
太阳能光伏技术是利用半导体材料的光伏效应，直接将
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Sichuan Building Materials
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太阳能转化为电能。太阳能电池的种类繁多，根据太阳能组 件的类型进行分类，可分为单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅 薄膜组件和神化铢组件等，虽然单晶硅与多晶硅电池组件的车载影院
转化效率相比，单晶硅组件略胜一筹，但多晶硅组件的价格
仅是单晶硅电池的70% o 所以选用多晶硅组件更为合适。
组件倾角以《光伏发电站设计规范XGB50797-2012）
中为准，一般太阳能照射在地球上功率大概在1 000 W/m 2, 电池板碑化镣的电池现在效率最高，转化效率大于37%，功
率为370 W/m 2,l h 功率为0. 37 kW ・h，普通商用太阳能电 池转化效率为13% -22%，功率为130〜220 W/m 2,l h 的功 率为 0. 13 -0. 22 kW ・ h o
2地源热泵
2.1地源热泵的研究现状2.1.1地源热泵概述
地源热泵主要能源来自地下的常温土壤和地下水，地热 相对稳定，再加之其仅运用少量的电能和机械能，可以简单
地完成室内空气与大地岩土层之间的热能交换，从而达到调
节温度、实现室内冬暖夏凉的效果。
2.1.2国内外研究现状
有数据报道,2005—2010年有30个国家已经在初步使
用地源热泵。
美国地热资源协会统计表明：到2020年为止，美国有约
60万台的地源热泵在不停地运转工作，其数量占世界比例
的46%。自20世纪40年代以来，地热在美国被大范围利 用。地源热泵技术不断发展，加拿大和日本等国也都紧随其
后加入了发展地源热泵技术的行列。
我国到目前共计有应用浅层地热能供暖供冷的建筑项
目达3 000多个，有超过50%以上的项目大多都集中在北 京、天津、河北等地。据住建部统计截止到2011年底，我国
在建筑供热空调中应用地源热泵的建筑面积已然达到2. 4 亿n?，可见其在我国发展的潜力。
2.1.3发展趋势
由于气候变化，我国的采暖区域开始由北向南转移，采
暖面积大幅增加。地源热泵能利用的资源广泛，不仅限于地
下水，现已成功利用水库水、海水、工业废水、城市用水、坑道
水等各类有待开发利用的水资源以及土壤源作为其冷、热
源。但我国的地源热泵技术不够成熟，地源热泵行业仍面临
着安全保护技术薄弱、缺乏专业设备、效率低下、造价高等关
键性问题。要做好区域能源规划，要有相关的标准规范，这
样才能在各个领域进行广泛的推广和使用。
2.2地源热泵的工作原理
地源热泵制冷原理：制冷剂通过空气热交换器由低温低
压液态冷媒蒸发进而吸收室内空气热量，变为低温低压气 态，再逐步通过压缩机实现升温升压放热，此时冷媒中携带
的热量由循环水路吸收，再通过地下埋管换热系统转移到地
下水或土壤中。经冷凝器冷凝成为中温高压的液态冷媒又
变为低温低压液态冷媒，从而实现再循环。
地源热泵制热原理：通过四通换向阀（或四个电磁阀），
转换冷媒流动的方向。这样地热就可以通过室外地埋管换 热系统、地源热泵机组和室内空调末端等系统，不断将热量
转移至室内，从而提高室内的温度，实现室内供热⑹O
2.3地源热泵的分类
根根据利用地热的方式可分为三类：土壤源热泵
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（GCHP ）；地下水热泵（GWHP ）；地表水热泵（SWHP ）。
1） GCHP : 土壤源热泵是利用地热的主要形式，又称土壤
耦合热泵，其换热器与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统
的主机一般而言会采用水-水热泵机组或者是水-气热泵 机组。根据地下埋管的布置形式可以分为垂直埋管、水平埋 管和蛇行埋管三种不同的形式。
（1） 垂直埋管——深层土壤（推荐）。垂直埋管换热器
按照其埋管的深度可以分为三类：即浅层（小于30 m ），中层
（30〜100 m ）和深层（大于100 m ），其换热器通常采用U 型
方式。若地下岩土的温度比较稳定，则埋管较深，钻孔的占
地面积相对来说会减少，但钻孔设备和高承压埋管的造价会
提高。垂直埋管换热器热泵系统不会对地下水的平衡和品
质造成影响，占地面积小，热交换较稳定，能效比高，但缺乏
施工设备和人员，会影响性价比，导致造价偏高。
（2） 水平埋管——大地表层（用于建筑面积较小）。水
平埋管换热器施工简单，按照其不同的需求有单管和多管两
种形式。单管水平换热器在水平面上的占地面积较大，而多
管水平埋管换热器的占地面积较少，但其管长的增加会增大
相邻管间的热干扰，会对效率产生一定的影响。水平埋管换
热器热泵系统的施工设备使用比较广泛，施工人员也易,
有足够的施工场地，可减少造价。
红薯清洗机2） GWHP ：地下水热泵系统主要用于商业建筑。最常用
的是水-水板式换热器，一水为地下水，另一水为热泵机组 冷却水。地下水热泵系统的造价低，不占场地，技术也比较
成熟，容易到水井承包商。
3） SWHP ：地表水热泵系统的热源是从水井或江河湖海
流中抽取的水，它有两种系统，即开路和闭路。开路系统不
适用于寒冷地区，故而只能采用闭路系统。地表水热泵系统 的维修率低、运行费用少。但在公用的河、管道或水中，若湖
泊小或浅，湖泊的温度就会随气候和周围环境的变化而发生 较大变化，当温度较低时，设备易受损害，会有冻结机组的危
险，使其效率和制冷供热能力变低⑺。
2.4地源热泵的特性 2.4.1地源热泵的优缺点
地源热泵的优点。
1） 环境和经济效益显著。地源热泵机组在运行的过程
中，能耗少，不消耗也不污染水，不产生废弃物。
2） 应用广泛。地源热泵系统可以供暖、制冷和提供生活
热水，可以应用于多种建筑类型⑻。
3） 维护费用低，可无人值守。地源热泵系统的运动部件
少，系统不会暴露在风雨中，可免遭损坏，减少维护及其费
用。地源热泵有远程监控系统，可实现远程管理，做到无人 值守。
4） 耐久安全，寿命长。地下换热管网采用抗老化性能好
的高密度聚乙烯管材，寿命可达50年，比普通空调长35年。
5） 节能。地源热泵能源利用效率为一般电采暖方式的
3〜4倍，比常规空气源空调系统节能50%左右。
地源热泵的缺点。
1） 地下岩土层导热系数小，热扩散能力差，从地下取热
需要大量的埋管量，会导致初投资偏大，占用大量土地面积。
2） 在打井技术方面，回灌问题尚未得到很好的解决。3） 我国的地下水回路不是严格意义上的密封，当地下水
抽出后再回灌，很大程度上会将管路中的细菌和病毒带回含
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水层，从而造成环境污染，危及人类的身体健康⑼。
2.4.2气候适应性
地源热泵项目周围的自然环境，比如水源条件和土质条件对地源热泵技术的应用有着很大的关系，影响着地源热泵技术类型的选择（见表2）。
四川处于地源热泵安装的适宜区，可用地源热泵来调节室内外温差。阿坝昼夜温差大，气候为夏热冬冷型，制冷与采暖负荷基本相当，地源热泵室外换热器可以得到最大程度的利用，从而节约成本，减少投资回收期。
表2地源热泵技术类型和环境分析
地源热泵类型环境分析
地表水地源热泵
气候条件，
水源、水质、
水量等
社会环境经济环境
地下水地源热泵同上
政策条件、社地区经济
土壤源地气候条件，
会接受程度水平等
源热泵地质条件
2.5相关参数
垂直埋管式地源热泵采用的孔径为①100~0150mm，孔距一般在4~8m，深度一般定为50~120m o地下管网线通常会采用高密度聚乙烯管（HDPE）或聚丁烯管（PB），管线口径为①25〜①35m o钻孔长度与建筑面积的大小有关，一般是每m2钻孔1m左右。孔内管线的连接方式有并联和串联这两种方式，要根据需要采用相应的连接方式。
国际上广泛采用高密度聚乙烯管材，壁厚按SDR取，管径（内径）通常采用20〜40mm o管径的选择要根据热泵本身的流量要求和选用的连接方式确定。国产高密度聚乙烯管，内径26mm，外径32mm，管内设计流速为0.6m/s o 竖直埋管的换热器可设置双U型埋管，其换热能力比单U型埋管好，可提高12%-16%的换热能力，但双U型的打孔成本高。当每m钻孔费用是每mU型管费用的12倍以上时，双U型埋管在经济上才是可行的〔⑹。对于U型管换热器，为减小两支管间热量回流的情况，可采用专用弹簧把U 型管的两个支管撑开减小热量回流带来的影响。
钻孔在施工前要观测好土质，如果地层土质比较好，可以采用裸孔钻进；如果是砂层，由于孔壁容易坍塌，则需要下套管。其孔径大小应略微大于U型管与灌浆管组件的尺寸，钻机的钻头直径根据需要一般在100〜150mm取值，钻孔的总长度与建筑的供热面积大小、负荷的性质以及回填材料的导热性能有关，需要综合这三个因素共同决定。
3沼气
3.1沼气研究现状
3.1.1概述
沼气是指有机物在一定适应的环境下：温度（8弋〜55弋）、酸碱度（pH6.8-7.6），通过发酵，产生
可燃气体甲烷（CH4），用于发电、取暖等。主要应用于我国的大部分农村。沼气运用地域限制较小，南北方都可使用。推广沼气不仅可以缓解环境压力，而且可以增加建池户收入，维持当地的生态平衡。
阿坝州政府重视环境保护，坚持“生态立州”理念。在“十三五”期间，阿坝州当地农村的户用沼气按照能建就建的原则,100%覆盖了当地的适宜建池户。
3.1.2我国研究现状
带触摸板的键盘沼气最主要的利用方法是沼气发电，既可以提供清洁能源，又可以缓解当前的环境压力。随着发电设备水平的逐步提高、市场的需求逐渐增大以及国家政策的支持，可以预见沼气发电在我国还有很大的前景。
大多数发达国家都通过政策激励作为沼气发电产业的原动力，例如加强科研投入、财政补贴、价格激励、减免税费、配额制度等，我国发展沼气发电产业可以借鉴这些宝贵的经验。
3.2沼气特性
1）热值大、利用率高。高效地利用沼气资源，可以有效地减少环境污染，让沼气资源得到了综合利用。
2）在阿坝地区适应性较强。阿坝地区的畜牧业较为发达，可以利用牲畜的粪便作为原料，通过太阳能作为加热器来给沼气罐加热，使最佳温度的沼气罐发酵发电。制造沼气用于发电，极大地节约了能源，可为阿坝地区的环保节能事业做出巨大贡献。金属活接
3）原料丰富易获取，操作简单且造价低廉。但现阶段我国农村对沼气利用率较低，尤其对于经济较为落后的地区，沼气的推广和发展也较低。
3.3沼气发电参数
民众可以根据实际条件来决定建池面积，如人口数目、用气数量等综合因素计划沼气建池。对于3〜5人的家庭，建造6~8m3的沼气池就可以满足全家烧水做饭等生活用电，本文主要研究地区以西昌数据（见表3~4）作为参考。平均每m3沼气可以发电1.8kW・h o
表32007年西昌家庭情况
调查户年均户均
地区收入/元劳动力
户均秸秆
收获量/t
户猪的户牛的人均耕
饲养量饲养量地/ha$豁16000 2.1
西昌
2.24-0.11
表4理论产气量（BJ的计算参数
g
每头牲畜
排泄粪尿
量/（t•a_1）
干物质质
量分数系
数DM if
入池率
P/%
产气因子Fa"
/(m3•kg-1)猪粪尿 1.50000.15980.42
奶牛粪尿19.40000.0650.19
役用牛粪尿10.0000.16200.30
肉牛粪尿7.70000.16360.30
绵羊粪尿0.87000.37200.04
山羊粪尿0.87000.3750.04
马粪尿 5.90000.27820.02
驴粪尿 5.00000.22160.35
骡粪尿 5.00000.27700.35
蛋鸡粪尿0.05300.48380.50乙酸正丁酯的制备
肉鸡粪尿0.00550.65380.12
鸭粪尿0.03900.50800.12
鹅粪尿0.03900.38300.12
人粪尿0.69000.01000.43
（下转第28页）
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Vol.47,No.26送坊第47卷第2期February,2021Sichuan Building Materials2021年2月
合，是之后一段时间以内的装配式建筑领域研究的重点O 图2装配式建筑关键词共现知识图谱
3.2研究热点演进时间线Timeline分析
对2010-2020年CNKI样本数据进行热点演进和前沿动态分析。取时间切片为1年，得到“装配式”研究的热点演进时间线Timeline(见图3)o
图3装配式建筑热点演进时间线Timeline视图热点演进时间线Timelin研究共包含关键词节点77个, 连线108条，其中模块值Q=0.6983，平均轮廓值S=0.624 2，以学术界标准⑻来判断分析，可以判定演进时间线聚类合理有效。
刘东卫等[9]2020年通过文献研究及实地调研所得出的研究演化规律，如新型建造方式、建筑生产、建筑生产的工业化；住宅产业化、装配式住宅、建筑系统集成技术。两位学者对我国装配式建筑发展及其需引进技术方面与图3走势大致相同，从侧面验证了其研究的科学性及可靠性。自2016年BIM元年开始装配式建筑走向热点受到更多学者的关注后，但于2018年开始技术瓶颈的到来，使装配式建筑进步缓慢这也证实了Citespace的Timeline图的科学性。2019年5G 时代的到来，装配式建筑引进了新技术如云模型、爛权法等。齐园等[10]2020年运用爛权TOPSIS法建立评价模型，评价区域政策力度以及政策工具演变情况，并提出推动我国装配式建筑发展的相关政策建议，与刘东卫等对装配式建筑发展
(上接第22页)
4结语
本文通过分析既有可再生能源相关参数，并结合阿坝地区资源环境条件，重点分析总结了太阳能、地源热泵、沼气三种绿能源的发展现状及具体参数，积极尝试绿能源不同的组合方式的应用，为阿坝地区绿住宅建造提供新的方案。[ID：010871]
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4结论与展望
通过Citespace的知识图谱可视化分析，装配式建筑的研究正发生着积极的变化，已进入向技术关键性节点及与BIM 等新技术融合等领域延伸的发展态势。但对于装配式建筑作者相对联系性较少，发文机构整体合作少，对于装配式建筑当前新技术与装配式建筑产业技术融合，是未来一段时间装配式建筑的核心目标。2016年开始装配式建筑就呈现出于新技术融合的趋势，在BIM技术与装配式建筑的相辅相成下，新技术与新瓶颈的到来，加快了装配式建筑的发展,2019年5G时代的到来，寓意着装配式建筑关键性节点及与云模型等新型技术融合阶段的到来，已是装配式建筑研究的重中之重，相信随着新技术与新时代的到来，对技术性关键性节点的深入研究和与大数据的深度融合，能将装配式建筑发展引领向更高的阶段。[ID：010886]
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