“能源建筑”技術(shù)體系研究

楊自統(tǒng)

【摘要】2020年9月，中國(guó)政府提出雙碳目標(biāo)。各行各業(yè)迎來廣闊的發(fā)展空間，人類居住環(huán)境的高能耗更是亟待解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！督隳芎慕ㄖ夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)于2019年9月1日實(shí)施，也就是說目前的施工技術(shù)要達(dá)到建筑近零能耗還是能做到的。

在建筑近零能耗的基礎(chǔ)上創(chuàng)新研發(fā)新的技術(shù)體系，既滿足建筑自身能源消耗，還能有余量向外界輸送清潔能源，讓一棟棟的建筑成為能量柱，這樣的建筑應(yīng)該命名為“能源建筑”。

【關(guān)鍵詞】能源建筑;近零能耗;風(fēng)光發(fā)電裝置;雙碳;外墻整體式光電結(jié)構(gòu);光伏;新能源

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.04.061

實(shí)現(xiàn)“能源建筑”的技術(shù)途徑：

1、多層矩陣式風(fēng)力、光電發(fā)電機(jī)組

此機(jī)組可以安裝到建筑屋面，通過矩陣排列、多層設(shè)置的風(fēng)力發(fā)電裝置及頂面的全時(shí)太陽能電路板，可實(shí)現(xiàn)大容量發(fā)電。按照小型200W風(fēng)力發(fā)電機(jī)6排、6列、6層計(jì)算，一個(gè)機(jī)組的體積大約6m×6m×5m，額定功率將達(dá)到6×6×6×200=43.2KW;太陽能電路板面積6m×6m=36m2，光能發(fā)電功率按照300W/m2，將達(dá)到36×0.3=10.8KW，總功率將達(dá)到54KW，相當(dāng)于1臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（50KW），但又運(yùn)輸方便、安裝便捷、安全，適用性高，不影響自然地貌、風(fēng)景，適用于山區(qū)、山頂、樓頂。

關(guān)鍵技術(shù)：

1.1機(jī)組整體震動(dòng)及噪音控制

機(jī)組前后左右四面通風(fēng)，頂面布設(shè)太陽能電路板，加固連接件接觸部位加裝膠墊;底部結(jié)構(gòu)與設(shè)備基礎(chǔ)加裝防震支座，進(jìn)行防震、隔震處理，防震支座的加固螺栓孔周圈固定膠圈，防止螺桿觸碰;螺帽的墊片下加裝膠墊;鋼結(jié)構(gòu)框架用熱鍍鋅圓管焊接，所有尖銳部位進(jìn)行圓弧處理，減少風(fēng)噪。

1.2電力傳輸系統(tǒng)

單機(jī)匯集電路，布設(shè)傳感器，連接到風(fēng)光電互補(bǔ)控制器;由控制器連接到蓄電池組，連接到開關(guān)電源，再由開關(guān)電源連接到市電系統(tǒng)或自用動(dòng)力及照明系統(tǒng)。

1.3小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單元矩陣多層排列技術(shù)

發(fā)電單元整體排布，6排6列7層，底部固定橫桿鍍鋅圓管內(nèi)布置安裝電路及信號(hào)線。

1.4風(fēng)力發(fā)電單機(jī)

垂直軸風(fēng)力發(fā)電，底部固定立桿與橫桿焊接，管道相通，頂部與發(fā)電單元法蘭連接，強(qiáng)弱電線路穿入管道系統(tǒng)布線，法蘭加膠墊防水處理。單機(jī)排列之間留置過風(fēng)通道，防風(fēng)流干擾。

1.5智能控制及監(jiān)測(cè)軟硬件

單機(jī)端布設(shè)傳感器，能通過終端顯示器及網(wǎng)絡(luò)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)單體風(fēng)力發(fā)電機(jī)及每塊兒太陽能電路板的工作狀態(tài)，單體發(fā)電功率、機(jī)組發(fā)電總量及實(shí)時(shí)風(fēng)速。

1.6機(jī)組表面全時(shí)太陽能發(fā)電

外表面面積：6m×6m=36m2，碲化鎘太陽能的發(fā)電功率大約300W/m2，發(fā)電功率將達(dá)到36×0.3=10.8KW。電流導(dǎo)出后與風(fēng)力發(fā)電共用蓄電池。外觀為大理石質(zhì)感，美觀、協(xié)調(diào)。

1.7建筑物垂直方向風(fēng)屋面導(dǎo)向增壓結(jié)構(gòu)

本混凝土結(jié)構(gòu)板設(shè)置在部分外墻屋面處，架空45度設(shè)置。

目的：

1.7.1利用建筑物外墻自下而上的局部風(fēng)壓，轉(zhuǎn)變風(fēng)向，增加風(fēng)力利用率，減少豎向風(fēng)力的削弱作用。

1.7.2對(duì)正面來風(fēng)起到增壓加壓作用。

1.8蓄電池組儲(chǔ)電單元

在屋面的設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)，采用串聯(lián)式蓄電池組，充電系統(tǒng)有實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)顯示充電量和充電系統(tǒng)狀態(tài)，無風(fēng)無陽光達(dá)到一定時(shí)長(zhǎng)、電量低于蓄電特定值一定時(shí)長(zhǎng)時(shí)需要市電充電維護(hù);風(fēng)、光能充電達(dá)到蓄電池容量上限后余量輸送城市電網(wǎng)。

1.9機(jī)組防水設(shè)計(jì)

電機(jī)及葉片等連接處加裝膠墊，線路通過處加裝膠管，管路內(nèi)外連接處設(shè)置在管道底部。

膠墊、膠條、鎖緊裝置。

2、外墻整體光電玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)為外墻體整體式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外表面為薄膜光伏發(fā)電玻璃，防水、隔氣，在發(fā)電的同時(shí)，兼具高檔外墻裝飾效果。

本結(jié)構(gòu)由分戶光電系統(tǒng)組成，以每戶為基本單位，余電上網(wǎng)。

關(guān)鍵技術(shù)：

2.1整體式薄膜光伏發(fā)電玻璃外墻結(jié)構(gòu)

本結(jié)構(gòu)由樓板自然分割，分樓層設(shè)計(jì)，非上下貫通，避免樓層之間貫通引起的防火、噪音、隱私問題，同時(shí)使戶型方正，面積利用率高;裝配單元為工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)組裝，線路集成設(shè)計(jì)，設(shè)置端部插頭連接，隱藏在模塊連接部縮進(jìn)部位。

2.2 CdTe（碲化鎘）光伏組件[4]

型號(hào)C1C01-S3的CdTe（碲化鎘）光伏組件尺寸1200×1600mm，厚7mm，封裝后重量30kg，技術(shù)參數(shù)如下表1：

2.3 CdTe薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)

CdTe薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)的各參數(shù)值如下表2所示：

在我國(guó)，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達(dá)2333 KWh/m2 （日輻射量6.4KWh/m2 ）。根據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國(guó)劃分為五類地區(qū)。

取值不利情況轉(zhuǎn)換率：12.5%。測(cè)試地區(qū)年太陽輻照量將達(dá)到1959 kWh/m2，日輻射量達(dá)到5.36 kWh/m2，考慮不利情況年太陽輻照量1144×12.5%=138kWh/m2，考慮光伏陣列利用率93.56%、逆變器效率96.02%、交流電利用率97.62%、其它不利情況87.8%，每平米年發(fā)電功率：138×93.56%×96.02%×97.62%×87.8%=106.26kWh

每層正立面與兩側(cè)山墻（暫按70m長(zhǎng)，2.8m高）的年發(fā)電功率約：106.26×70×2.8=20826.96kWh。

每天約發(fā)電：20826.96÷365=57kWh

三類地區(qū)（山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺(tái)灣西南部等地）的太陽日輻射量3.8-4.5Kwh/m2，相同面積日發(fā)電量約：4÷5.36×57=42.54kWh。

3、近零能耗（被動(dòng)房[5]）技術(shù)體系

目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，榮華建設(shè)集團(tuán)參與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》制定，主要有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

3.1高效的保溫圍護(hù)系統(tǒng)

（1）雙層錯(cuò)縫巖棉板加防水透氣膜外墻保溫系統(tǒng)施工技術(shù)。

（2）地下室底板酚醛樹脂板保溫施工技術(shù)。

（3）屋面擠塑板保溫施工技術(shù)。

（4）地下室頂板巖棉板與水泥纖維板結(jié)合技術(shù)。

（5）地下室外墻防火防水泡沫玻璃保溫技術(shù)。

3.2鋁包木三玻兩腔外墻門窗施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.3防熱橋施工技術(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)熱橋施工措施;

（2）阻熱式防熱橋措施。

4、被動(dòng)式冷梁+獨(dú)立熱交換新風(fēng)技術(shù)

該系統(tǒng)新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷及室內(nèi)全部潛熱負(fù)荷，冷梁只承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕獨(dú)立控制。經(jīng)過新風(fēng)機(jī)組處理后的一次風(fēng)，進(jìn)入靜壓箱，通過噴嘴高速噴出，在噴嘴附近產(chǎn)生負(fù)壓，誘導(dǎo)吸入室內(nèi)二次回風(fēng)，二次回風(fēng)通過水盤管換熱后，與一次風(fēng)混合后進(jìn)入室內(nèi)。

5、地源熱泵技術(shù)

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)豳Y源的既可供冷又可供暖的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。土壤是一個(gè)巨大的太陽能集熱器，地源熱泵是利用了地球本體所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的冷暖空調(diào)系統(tǒng)。

6、太陽能與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)

“建筑太陽能一體化”是指在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)之初，利用屋面構(gòu)架、建筑屋面、陽臺(tái)、外墻及遮陽等，將太陽能利用納入設(shè)計(jì)內(nèi)容，使之成為建筑的一個(gè)有機(jī)組成部分。

7、建筑外遮陽技術(shù)

建筑遮陽是將遮陽產(chǎn)品安裝在建筑外窗、透明幕墻和采光頂?shù)耐鈧?cè)，以遮蔽太陽輻射。設(shè)置適合的遮陽設(shè)施，節(jié)約建筑運(yùn)行能耗，可以節(jié)約空調(diào)用電25%左右;設(shè)置良好遮陽的建筑，可以使外窗保溫性能提高約一倍，節(jié)約建筑采暖用能10%左右。

8、基于BIM技術(shù)的智慧運(yùn)維智能化管理系統(tǒng)

BIM智能化管理系統(tǒng)將智能化、機(jī)電、物業(yè)管理、節(jié)能管理、對(duì)外展示等多種角度的系統(tǒng)及管理需求進(jìn)行一體化整合，使多系統(tǒng)在同一平臺(tái)進(jìn)行呈現(xiàn)，最終建設(shè)目標(biāo)將通過對(duì)大樓內(nèi)各分類子系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，建立項(xiàng)目智慧運(yùn)維中心數(shù)據(jù)庫，為工程項(xiàng)目提供可靠的設(shè)備運(yùn)維分析、物業(yè)管理服務(wù)、節(jié)能管理、信息化決策等一系列專業(yè)性服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（6）：6.

[3]廖志凌，阮新波..獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（021），46-52.

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