2013年03月05日10:17 來源：人民網(wǎng)-財經(jīng)頻道
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“僅提高足球運動員的個人能力，是無法在世界杯中取勝的。要取得勝利，必須量才任用及進行團隊合作。這個道理同樣適用于能源系統(tǒng)領(lǐng)域�！�
東京工業(yè)大學研究生院理工學研究科化學專業(yè)副教授伊原學這樣說道。他曾擔任2012年2月完工的Green Hills1號館“環(huán)境能源創(chuàng)新樓”建設(shè)項目負責人。
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| 4570枚太陽能電池板覆蓋研究樓屋頂、南面及西面所有墻壁。 |
東工大以“環(huán)境能源創(chuàng)新樓”申報了日本文部科學省與國土交通省推進的旨在實現(xiàn)學校設(shè)施創(chuàng)能及節(jié)能的“學校零能源化”項目，并得以入選，于2009年1月開始建設(shè)。自去年2月完工以來，來自日本國內(nèi)、歐美、中東及亞洲等的考察者絡(luò)繹不絕。
之所以如此受到關(guān)注，是因為該研究樓雖然建有研發(fā)所需無塵室等需要大量電力的設(shè)施，但二氧化碳排放量比東工大原有的研究樓削減了60％以上，而且擁有可使樓內(nèi)消費電力基本實現(xiàn)自給自足的能源系統(tǒng)，那么，這是怎樣實現(xiàn)的？大家都想親眼進行確認。
打破常識的設(shè)置方法
首先讓前來參觀環(huán)境能源創(chuàng)新樓的人感到震撼的是覆蓋在研究樓屋頂、南面及西面所有墻面上的太陽能電池板，其數(shù)量多達4570枚�？偘l(fā)電容量約為650千瓦。
仔細觀看可以發(fā)現(xiàn)，其中使用了多種太陽能電池板。包括單晶硅、多晶硅、薄膜硅、非晶／結(jié)晶硅、CIGS薄膜及有機薄膜在內(nèi)，根據(jù)各種電池的發(fā)電效率、形狀及強度（風壓負載）等，設(shè)置在了最合適的場所。東工大這樣做的思路是，從國立大學的中立角度出發(fā)，盡量冷靜、客觀地評估各種太陽能電池板的性能。因此，直接使用了已經(jīng)投入實用的所有市售產(chǎn)品。
環(huán)境能源創(chuàng)新樓西面�？梢钥闯觯褂昧烁鞣N太陽能電池板。
伊原副教授介紹道，“參觀者都會提出同一個問題，那就是‘真的可以這樣設(shè)置太陽能電池板嗎？’出現(xiàn)這種想法也可以理解。不過，這是根據(jù)計算機模擬結(jié)果計算出的最佳設(shè)置方法。實際上，目前基本實現(xiàn)了預(yù)期發(fā)電量”，言語之間充滿了自信。
“真的可以采用這種設(shè)置方法？”
參觀者們所說的“這種設(shè)置方法”，指的是將太陽能電池板像遮陽板一樣傾斜地重疊設(shè)置，設(shè)置密度較高。
在南面研究室樓層外側(cè)，將太陽能電池板像遮陽板一樣高密度地傾斜設(shè)置。
環(huán)境能源創(chuàng)新樓為地上7層、地下2層的建筑，研究室樓層與實驗室樓層交錯設(shè)置。需要遮光的實驗室樓層，太陽能電池板順著墻壁形狀設(shè)置。而研究室樓層，則是保持一定間隔地傾斜重疊設(shè)置。
而且，該研究樓旁邊就是東京急行電鐵公司的目黑線和大井町線。假如太陽能電池因臺風或地震脫落，掉到鐵路軌道上，很有可能發(fā)生慘劇。因此，用鉤子固定住太陽能電池板的兩端，確保了高度的安全性。不過，從發(fā)電效率考慮，鉤子會在太陽能電池板上形成陰影，影響發(fā)電效率，這一點也不容忽視。這種設(shè)置方法在能源尤其是太陽能電池專家來看，是非常不符合常識的。
用鉤子固定太陽能電池板兩端。
伊原副教授說：“以前在設(shè)置太陽能電池板時，優(yōu)先考慮的是性價比。不過，我們采用這種高密度設(shè)置方法，是為了使全年發(fā)電量實現(xiàn)最大化。換句話說，就是為了實現(xiàn)本項目的最大使命，即實現(xiàn)二氧化碳排放量最小化�！�
具體而言，就是以“冬至時太陽能電池板上不會形成陰影”為標準，計算出研究室樓層外側(cè)設(shè)置的太陽能電池板的傾斜角度及電池板之間的間隔。
順便一提，關(guān)于日本全年日照變化及氣象條件，公共機構(gòu)經(jīng)長年觀測已積累了數(shù)據(jù)，并已經(jīng)建立起數(shù)據(jù)庫。以該數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，只是輸入想查詢場所的緯度及經(jīng)度，即可簡單地進行計算機模擬。
夏季遮擋直射日光，冬季保暖
研究樓與安裝太陽能電池板的鋼架之間的半外部空間看上去像大教堂。
伊原副教授等還對研究室樓層全年亮度變化進行了計算機模擬。結(jié)果證實，通過設(shè)定為冬至時太陽能電池板不會產(chǎn)生陰影的角度及間隔，可大幅削減空調(diào)設(shè)備及照明器具所需的電力能源。
夏季由于太陽能電池板可遮擋日光的直接照射，因此可抑制研究室內(nèi)的溫度上升，冬季，日光可照進房間內(nèi)部，提高室內(nèi)溫度。而且，由于太陽能電池板反射的間接光線可照亮室內(nèi)，因此僅使用少量照明器具即可。
另外還有其他優(yōu)點。通過將太陽能電池板安裝在鋼架上，包覆住整棟研究樓，風可從電池板與電池板之間吹過，因此還可抑制因表面溫度上升而導致的發(fā)電效率下降。
伊原副教授回顧說：“采用這種設(shè)置方法，與通常情況相比確實會花費較多成本。不過，我們沒有因為資金不足而妥協(xié)，而是努力實現(xiàn)最初設(shè)定的二氧化碳排放量削減60％以上的目標。為此也給提供合助的各個企業(yè)出了許多難題。要感謝他們的協(xié)助�！�
有效利用燃料電池的廢熱
不過，僅靠太陽能電池，是無法滿足全部電力需求的。為了彌補短缺的電力，環(huán)境能源創(chuàng)新樓還采用了磷酸燃料電池（PAFC），發(fā)電容量約為100千瓦。該數(shù)值也是伊原副教授等針對約650千瓦的太陽能電池計算得出的最佳比例。
順便一提，目前在日本，作為家用用途，雖然在700～1000℃下運轉(zhuǎn)的固體氧化物燃料電池（SOFC）已經(jīng)實現(xiàn)實用化，但尚未出現(xiàn)100千瓦級的產(chǎn)品。選擇磷酸燃料電池的原因就在于此。
伊原副教授透露：“實際上，對于設(shè)想利用燃料電池廢熱的我們來說，磷酸燃料電池運轉(zhuǎn)溫度僅為200℃左右是一個難題。不過，幸運的是，這個溫度恰好處于可利用廢熱的限度范圍內(nèi)，因此決定加以采用�！苯窈螅绻懈线m的燃料電池實現(xiàn)實用化，將陸續(xù)加以采用。
設(shè)置在屋頂?shù)?00千瓦磷酸燃料電池
伊原副教授計劃將燃料電池的廢熱用于干燥劑空調(diào)。這種空調(diào)指的是使用干燥劑進行除濕的空調(diào)系統(tǒng)。在室溫相同的情況下，濕度較低時舒適性較高。并且，干燥的空氣在制冷時所需能源也較少。因此制冷時，在溫度相同的情況下，控制濕度是非常重要的。
不過，以往的空調(diào)系統(tǒng)為了降低濕度采用的方法是，先對空氣進行過度冷卻，去除空氣中的水蒸氣，然后再將其加熱到設(shè)定溫度。而除濕空調(diào)是利用干燥劑直接去除空氣中的水蒸氣，因此無需因進行過度冷卻及再次加熱而浪費能源，更為環(huán)保，因此近年來關(guān)注度日益提高。
設(shè)置于屋頂?shù)母稍飫┛照{(diào)
干燥劑空調(diào)需要使用熱量以蒸發(fā)干燥劑吸收的水分，使干燥劑再生。因此，伊原副教授等計劃，通過采用干燥劑空調(diào)實現(xiàn)空調(diào)節(jié)能，同時將燃料電池的廢熱用作干燥劑再生熱源。
伊原副教授等還決定采用淺層地熱泵。就是在地下設(shè)置用于換熱的管道，將淺層地熱用于制冷及供暖。
組合利用淺層地熱泵及輻射冷暖氣設(shè)備
以往的空調(diào)在夏季會將室內(nèi)熱量排放到室外。這已經(jīng)成為導致熱島現(xiàn)象的原因之一。并且，外部空氣與室內(nèi)空氣之間的溫差越大，冷暖氣設(shè)備所需的能量就越多。
休息區(qū)及討論區(qū)設(shè)置不使用風扇的節(jié)能型輻射冷暖氣設(shè)備。
相反，地下溫度從全年來看基本沒有變化。因此，采用淺層地熱泵有助于實現(xiàn)大幅節(jié)能。而且，由于廢熱排放到地下，因此還有望緩解熱島現(xiàn)象。
實際上，在日本，淺層地熱泵由于鋪設(shè)用于換熱的管道所需費用較高，以及知名度較低等原因，與歐美相比普及較慢。不過，2012年5月開業(yè)的東京晴空塔采用了利用淺層地熱能的“地區(qū)冷暖氣系統(tǒng)”，這在日本國內(nèi)尚屬首次。據(jù)稱年能源消費量與以往相比，大約可削減43％，因此立即受到關(guān)注。
伊原副教授說：“此次在地下100深處設(shè)置了4根換熱管道。因此設(shè)置成本較大，但從驗證其有效性的角度來看，這次嘗試非常有意義。而且，通過組合利用不使用風扇的輻射冷暖氣設(shè)備及淺層地熱泵，可進一步實現(xiàn)節(jié)能。”
通過進行各種嘗試及不斷改進，伊原副教授等實現(xiàn)了開始建設(shè)環(huán)境能源創(chuàng)新樓時設(shè)定的二氧化碳減排目標。
該項目今后的目標是建立“校園智能電網(wǎng)”，并命名為“Green Hills構(gòu)想”。作為第一階段，首先將致力于使大岡山校園內(nèi)所有研究樓的用電量實現(xiàn)可視化，之后逐步構(gòu)建智能電網(wǎng)。
伊原副教授說：“大岡山校園中既有古舊建筑，也有新建筑，建設(shè)年代不一而同。如果能在此構(gòu)建起智能電網(wǎng)，從中取得相關(guān)經(jīng)驗及知識，今后在情況相同的城市構(gòu)筑智能電網(wǎng)時便可加以應(yīng)用�！�
實現(xiàn)最佳系統(tǒng)化非常重要
伊原副教授目前的研究主題是研發(fā)能夠提高太陽能電池及燃料電池等的能源轉(zhuǎn)換效率的材料。不過，他原本的專業(yè)是化工，比較擅長化工設(shè)備設(shè)計及優(yōu)化。針對在環(huán)境能源創(chuàng)新樓中構(gòu)筑的能源系統(tǒng)的意義及優(yōu)勢，伊原副教授做了如下闡述：
“日本在太陽能電池及燃料電池等新能源領(lǐng)域擁有較高的技術(shù)實力。不過，今后要防止全球變暖，進一步實現(xiàn)節(jié)能及大幅二氧化碳減排，僅靠提高各領(lǐng)域的核心技術(shù)水平是不夠的。將這些技術(shù)進行最佳組合，實現(xiàn)系統(tǒng)化，將變得非常重要。就像足球運動中的人盡其才與團隊合作。我們此次能夠?qū)崿F(xiàn)目標的原因也在于此。我認為，實現(xiàn)系統(tǒng)化才是日本最大的優(yōu)勢所在�！�
化工成套設(shè)備是這樣，火力發(fā)電站聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)也是如此。實際上，實現(xiàn)核心技術(shù)的系統(tǒng)化可以說是日本最擅長的領(lǐng)域。
“希望今后能把通過環(huán)境能源創(chuàng)新樓建設(shè)項目獲得的相關(guān)知識及經(jīng)驗推廣到全日本乃至全球其他國家，在全球范圍內(nèi)為改善環(huán)境做貢獻”，伊原副教授又提出了新目標。（日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）
