“能源建筑”技術體系研究

楊自統(tǒng)

【摘要】2020年9月，中國政府提出雙碳目標。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鍵環(huán)節(jié)。《近零能耗建筑技術標準》已經(jīng)于2019年9月1日實施，也就是說目前的施工技術要達到建筑近零能耗還是能做到的。

在建筑近零能耗的基礎上創(chuàng)新研發(fā)新的技術體系，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，這樣的建筑應該命名為“能源建筑”。

【關鍵詞】能源建筑;近零能耗;風光發(fā)電裝置;雙碳;外墻整體式光電結構;光伏;新能源

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

實現(xiàn)“能源建筑”的技術途徑：

1、多層矩陣式風力、光電發(fā)電機組

此機組可以安裝到建筑屋面，通過矩陣排列、多層設置的風力發(fā)電裝置及頂面的全時太陽能電路板，可實現(xiàn)大容量發(fā)電。按照小型200W風力發(fā)電機6排、6列、6層計算，一個機組的體積大約6m×6m×5m，額定功率將達到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，將達到36×0.3=10.8KW，總功率將達到54KW，相當于1臺大型風力發(fā)電機組（50KW），但又運輸方便、安裝便捷、安全，適用性高，不影響自然地貌、風景，適用于山區(qū)、山頂、樓頂。

關鍵技術：

1.1機組整體震動及噪音控制

機組前后左右四面通風，頂面布設太陽能電路板，加固連接件接觸部位加裝膠墊;底部結構與設備基礎加裝防震支座，進行防震、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;鋼結構框架用熱鍍鋅圓管焊接，所有尖銳部位進行圓弧處理，減少風噪。

1.2電力傳輸系統(tǒng)

單機匯集電路，布設傳感器，連接到風光電互補控制器;由控制器連接到蓄電池組，連接到開關電源，再由開關電源連接到市電系統(tǒng)或自用動力及照明系統(tǒng)。

1.3小型風力發(fā)電機單元矩陣多層排列技術

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布置安裝電路及信號線。

1.4風力發(fā)電單機

垂直軸風力發(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，強弱電線路穿入管道系統(tǒng)布線，法蘭加膠墊防水處理。單機排列之間留置過風通道，防風流干擾。

1.5智能控制及監(jiān)測軟硬件

單機端布設傳感器，能通過終端顯示器及網(wǎng)絡端實時監(jiān)測到每個單體風力發(fā)電機及每塊兒太陽能電路板的工作狀態(tài)，單體發(fā)電功率、機組發(fā)電總量及實時風速。

1.6機組表面全時太陽能發(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)電功率將達到36×0.3=10.8KW。電流導出后與風力發(fā)電共用蓄電池。外觀為大理石質感，美觀、協(xié)調。

1.7建筑物垂直方向風屋面導向增壓結構

本混凝土結構板設置在部分外墻屋面處，架空45度設置。

目的：

1.7.1利用建筑物外墻自下而上的局部風壓，轉變風向，增加風力利用率，減少豎向風力的削弱作用。

1.7.2對正面來風起到增壓加壓作用。

1.8蓄電池組儲電單元

在屋面的設備機房內，采用串聯(lián)式蓄電池組，充電系統(tǒng)有實時網(wǎng)絡監(jiān)控，可實時顯示充電量和充電系統(tǒng)狀態(tài)，無風無陽光達到一定時長、電量低于蓄電特定值一定時長時需要市電充電維護;風、光能充電達到蓄電池容量上限后余量輸送城市電網(wǎng)。

1.9機組防水設計

電機及葉片等連接處加裝膠墊，線路通過處加裝膠管，管路內外連接處設置在管道底部。

膠墊、膠條、鎖緊裝置。

2、外墻整體光電玻璃圍護結構

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

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

關鍵技術：

2.1整體式薄膜光伏發(fā)電玻璃外墻結構

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

2.2 CdTe（碲化鎘）光伏組件[4]

型號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，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達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，可將全國劃分為五類地區(qū)。

取值不利情況轉換率：12.5%。測試地區(qū)年太陽輻照量將達到1959 kWh/m2，日輻射量達到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

每層正立面與兩側山墻（暫按70m長，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（被動房[5]）技術體系

目前該項技術已經(jīng)成熟，榮華建設集團參與國家標準《近零能耗建筑技術標準》制定，主要有以下幾項關鍵技術：

3.1高效的保溫圍護系統(tǒng)

（1）雙層錯縫巖棉板加防水透氣膜外墻保溫系統(tǒng)施工技術。

（2）地下室底板酚醛樹脂板保溫施工技術。

（3）屋面擠塑板保溫施工技術。

（4）地下室頂板巖棉板與水泥纖維板結合技術。

（5）地下室外墻防火防水泡沫玻璃保溫技術。

3.2鋁包木三玻兩腔外墻門窗施工圍護結構。

3.3防熱橋施工技術。

（1）結構熱橋施工措施;

（2）阻熱式防熱橋措施。

4、被動式冷梁+獨立熱交換新風技術

該系統(tǒng)新風機組承擔新風負荷及室內全部潛熱負荷，冷梁只承擔室內顯熱負荷，實現(xiàn)室內溫濕獨立控制。經(jīng)過新風機組處理后的一次風，進入靜壓箱，通過噴嘴高速噴出，在噴嘴附近產生負壓，誘導吸入室內二次回風，二次回風通過水盤管換熱后，與一次風混合后進入室內。

5、地源熱泵技術

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地熱資源的既可供冷又可供暖的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。土壤是一個巨大的太陽能集熱器，地源熱泵是利用了地球本體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的冷暖空調系統(tǒng)。

6、太陽能與建筑一體化應用技術

“建筑太陽能一體化”是指在建筑規(guī)劃設計之初，利用屋面構架、建筑屋面、陽臺、外墻及遮陽等，將太陽能利用納入設計內容，使之成為建筑的一個有機組成部分。

7、建筑外遮陽技術

建筑遮陽是將遮陽產品安裝在建筑外窗、透明幕墻和采光頂?shù)耐鈧龋哉诒翁栞椛洹ＴO置適合的遮陽設施，節(jié)約建筑運行能耗，可以節(jié)約空調用電25%左右;設置良好遮陽的建筑，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技術的智慧運維智能化管理系統(tǒng)

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

參考文獻：

[1]蘇紹禹.風力發(fā)電機設計與運行維護[M].中國電力出版社，2003.

[2]李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風力發(fā)電機組建模與仿真[J].中國電機工程學報，2004，24（6）：6.

[3]廖志凌，阮新波..獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國電機工程學報，2009，29（021），46-52.

[4]趙斌，馬寧寧，靳姍姍，索朗曲宗，王龍崗.西藏應用薄膜弱光光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析[J].太陽能，2020（7），6.

[5]貝特霍爾德·考夫曼，沃爾夫岡·費斯特.德國被動房設計和施工指南[M].中國建筑工業(yè)出版社，2015.