CN101168481A - 仿生学在建筑储能上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了仿生学在建筑储能上的应用，即将ATP用于体外，在体外分泌腺的作用下，控制ATP的合成与分解来实现高能量的储存与释放。本发明方法可大大节约目前用于供热的能源，降低建筑能耗；在建筑材料中应用这种仿生学技术，建材使用的时间越长，其成本就越低。并且它不仅能解决供暖问题，还能取代热水器，提供热水。从环境角度，夏季建筑物从室内外吸收大量能量，可减慢全球气候变暖的速度。冬季是向室内释放热量，故不会对气候造成影响。

Description

仿生学在建筑储能上的应用

技术领域

本发明涉及新的能源储存方法，尤其涉及利用仿生学的原理来解决建筑能耗的问题，即仿生学在建筑储能上的应用。

背景技术

在钢筋混凝土的森林中，建筑物很像一个生命体，它每天都需要大量的能量来支持它的正常运作：上上下下的电梯，各种电气设备，供水系统，燃气系统，采光取暖等等。然而，随着社会的发展，建筑所消耗的能源越来越多，建筑能耗逐渐成为关注的焦点。

建筑能耗是指消耗在建筑中的采暖、空调、降温、电气、照明、炊事、热水供应等所消耗的能源。目前我国单位建筑面积能耗是气候相近发达国家的2至3倍以上。我国每年城乡新建房屋建筑面积近20亿平方米，其中80％以上为高耗能建筑；既有建筑近400亿平方米，95％以上是高能耗建筑。

从以下数据我们可以看到，建筑能耗问题日益严峻：1992年，建筑耗能占整个全社会的耗能只有15％，到2000年提高到27％，到2020年要增加到40％，如果加上原材料的消耗、原材料的运输则要达到50％。如果我们不采取建筑节能或者绿色建筑，到2020年，中国建筑的能耗要达到11亿吨标准煤，是目前建筑耗能的三倍以上，届时中国就会成为碳排放量最大的国家。

值得注意的是，在建筑耗能中，供热采暖又占很大比重。有这样一组数据：我国北方采暖地区供热采暖耗能占建筑总耗能的65％以上，有的地区高达90％。大概有6亿人每年需要3-6个月的供热，几乎全部依靠煤来提供，导致年二氧化碳和二氧化硫的排放量分别为400万吨和4亿吨。如果在供热能源效率方面没有大幅改善的话，供热用煤量和有关的排放量到2020年将增加一倍。所以，对环境的压力将是相当大的

我们也看到，目前我国建筑供热采暖中“大材小用”问题突出。我国建筑能耗中80％供冷供热和供生活热水，用太阳能、地热能等低品位的能源可以达到相应效果，可我们大量使用的却是高品位的电能，一些地方更是直接用柴油或煤烧锅炉取暖或供热水，把高品位能源“大材小用”。在建筑能耗中，暖通空调能耗约占85％，在能源消耗中具有举足轻重的位置。

发明内容

针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供仿生学在建筑储能上的应用。

本发明发明目的通过如下方案实现的：

利用生物体内的ATP实现热循环：ATP(腺嘌呤核苷三磷酸)是生命体系中重要的能量储存物质，被称为能量货币单位，ATP是由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基构成，其中第二个和第三个磷酸基上的磷酸键时高能键(～)，不稳定易被水解，从ATP上水解下来的磷酸基是一种能量穿梭基团。

首先，ATP能够实现高能量的储存与释放。ATP分子中远离A的那个高能磷酸键，在一定的条件下很容易水解，也很容易重新形成：水解时伴随有能量的释放；重新形成时伴随有能量的储存。在有关酶的催化作用下，ATP分子中远离A的那个高能磷酸键水解，远离A的那个磷酸基团脱离开，形成磷酸(Pi)，同时，储存在这个高能磷酸键中的能量释放出来，ATP就转化为ADP。在另一种酶的催化作用下，ADP可以接受能量，同时与一个磷酸结合，从而转化成ATP。体外实验中，在pH7.0，25℃条件下，每克分子ATP水解生成ADP+Pi时释放的能量为7.1千卡或30.4千焦耳，在体内，pH7.4，37℃，ATP、ADP+Pi、Mg2+均处于细胞内生理浓度的情况下，每克分子ATP水解生成ADP+Pi时释放的能量为33.5-50千焦耳或8-12千卡。

其次，ATP转化能量的效率非常高。ATP在细胞内的含量是很少的。但是，ATP在细胞内的转化是十分迅速的。10g葡萄糖(一小汤匙)含有40千卡，可以完成15分钟的快速跑步。一个ATP分子所含有的化学能大约只有一个葡萄糖分子的1％。葡萄糖中大约40-50％的能量被转化储存在ATP中。一个人每天大约需要消耗45Kg ATP，但每一时刻贮存在人体里的ATP不到1g。即每个细胞每秒钟大约可形成一千万个ATP，同时有同样量的ATP被水解，每摩尔ATP水解形成ADP，可产生7.3Kcal/mol的能量。一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP，可提供大约2200Kcal的能量。这样，细胞内ATP的含量总是处在动态平衡之中，构成生物体内部稳定的供能环境。

ATP也是一种再生资源。当蛋白质分子从ATP获得磷酸基后即获得能量，即磷酸化。磷酸化后的蛋白质构象发生了变化，而ATP则变成了ADP。获得能量的蛋白质分子就能进行生物学做功，在做功的同时此能化的蛋白质分子发生去磷酸化，即脱去磷酸基，此时蛋白质构象又恢复原来的形状。脱下的磷酸基可以利用细胞中其他物质在氧化过程中所释放的自由能，与ADP重新生成ATP。显然ATP是一种再生资源，由于细胞做功ATP被不断消耗掉，同时又不断得到再生补充。

ATP的这种“能量货币”能通过仿生学的技术运用到建筑材料中去，那么它就可以在夏天吸收能量，ADP和Pi合成为ATP，并将能量储存于其中，当温度降低，冬季来临，ATP又分解为ADP和Pi，同时释放大量热能。这样，室内的温度可以实现冬暖夏凉。

由于ATP的转化效率非常高，所以要让它做到在一段时间里只吸收、储存能量，而在另一段时间里只释放能量，需要有激素和酶的刺激。激素是由内分泌腺或具有内分泌机能的细胞产生的。内分泌细胞是一些特殊分化的，对内外环境条件变化敏感的感应细胞，当他们感应到内外环境变化的刺激时，就合成并释放某种激素。激素作为化学信使，不经导管进入循环系统，将条件信息带到特定的效应细胞，引起某种效应。激素通过调节酶量与酶活发挥作用，可以放大调节信号。

如果这些分泌腺对温度变化特别敏感，那控制ATP的合成与分解就能够实现。比如，当温度超过20摄氏度时，激素甲开始分泌，促使ADP与Pi的合成，抑制分解；当温度低于10摄氏度时，激素乙开始分泌，促使ATP的分解，抑制合成。

从能源角度，可大大节约目前用于供热的能源，降低建筑能耗。这项技术充分利用散逸在空气中的热能，等于是间接利用了太阳能这种低品位能源，从而缓解高品位能源的紧缺和浪费。

从经济角度，在建筑材料中应用这种仿生学技术，等于让供暖系统“一劳永逸”，也就是说，此类建材使用的时间越长，其成本就越低。并且它不仅能解决供暖问题，还能取代热水器，提供热水。

从环境角度，夏季建筑物从室内外吸收大量能量，可减慢全球气候变暖的速度。冬季是向室内释放热量，故不会对气候造成影响。

此项技术还可用于汽车内，只要让ATP像在生物体内一样不停的化合、分解，那么来自外界的热能就能源源不断地被利用，在很大程度上取代燃烧汽油或柴油产生的热量。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明是如何实现的：

实施例

由于ATP的转化效率非常高，所以要让它做到在一段时间里只吸收、储存能量，而在另一段时间里只释放能量，需要有激素和酶的刺激。激素是由内分泌腺或具有内分泌机能的细胞产生的。内分泌细胞是一些特殊分化的，对内外环境条件变化敏感的感应细胞，当他们感应到内外环境变化的刺激时，就合成并释放某种激素。激素作为化学信使，不经导管进入循环系统，将条件信息带到特定的效应细胞，引起某种效应。激素通过调节酶量与酶活发挥作用，可以放大调节信号。

这些分泌腺对温度变化特别敏感，那控制ATP的合成与分解就能够实现。如，当温度超过20摄氏度时，激素甲开始分泌，促使ADP与Pi的合成，抑制分解；当温度低于10摄氏度时，激素乙开始分泌，促使ATP的分解，抑制合成。

这样可大大节约目前用于供热的能源，降低建筑能耗。

Claims (1)

1.仿生学在建筑储能上的应用，其特征在于，将ATP用于体外，在体外分泌腺的作用下，控制ATP的合成与分解来实现高能量的储存与释放。