CN107034987A - 一种自能量平衡的绿色房屋系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，至少包括：光伏电站、综合能源管理系统、用电负载，光伏电站、太阳能集热器连接综合能源管理系统，综合能源管理系统连接用电负载。本发明实现建筑光伏光热一体化高效利用，实现热能利用率提高30%；开发出适用于建筑光伏的光伏防火产品；开发竹木基材、秸秆板材等绿色建材及相关装配技术，提升绿色建材的环保、防火、耐腐性能20%，实现可重复拆装次数不少于30次；实现了光热电的多能互补利用，开发能源综合管理技术，实现能效提高20%。
Description
技术领域
本发明涉及一种房屋系统，具体涉及一种自能量平衡的绿色房屋系统。本发明属于绿色建筑科技设计领域。
背景技术
在世界范围内，绿色建筑已经成为了通行的理念，不少国家，特别是一些发达国家，比如：德国、英国、瑞典等，其绿色建筑不但是一种理念，而且已经进行了实践示范，并且将绿色建筑纳入了比较完善的法律、法规体系。
就目前而言，无论是理念还是技术实践，中国的绿色建筑与国际标准还有很大的差距。首先，在理念上，绿色建筑还没有渗透到企业的经营理念中，许多业内人士，甚至是一些科技学者在绿色建筑的认识上还存在误区，在他们看来，绿色建筑就是超低能耗建筑、高科技建筑，是那么的遥不可及。更有甚者，认为绿色建筑等于绿化面积。其次，在实践技术上，目前我国的建筑产业作为一个复杂多样的产业群体，存在起点低、技术水平不高、创新能力弱的问题。与发达国家相比，我国城市住宅能耗平均高出3.5倍，还处在传统的粗放发展模式，高消耗、高污染、高投入、低效益问题相当突出。而这种发展模式，严重地阻碍了城市综合质量的提高和功能的正常发挥，降低了城市的承载能力，影响了城市化的健康发展。
可喜的是，随着全球能源危机和环境污染的日趋严重，我国已经加快了绿色建筑的步伐，相应的法律、法规也在逐步得到完善，比如：《节约能源法》、《节能中长期专项规划》、《民用建筑节能管理规定》、《民用建筑节能条例》、《绿色建筑评价标准》等法规相继出台和施行，为绿色建筑工作明确了方向，提供了法律保障。同时，越来越多的学者和业内人士，也在为中国绿色建筑的发展作大量的研究。更重要的是，绿色建筑的理念与实践已经逐渐融入企业，特别是建筑相关企业的管理理念。
绿色建筑的传统定义是指最大限度地节约资源，即节能、节地、节水、节材、环保，“四节一环保”，这和中央提出的“适用、经济、绿色、美观”的建筑方针共通，强调与自然的和谐相生。绿色建筑的发展方向其中有一个关键概念是全生命周期绿色化。不单单是建筑或者运营等某一环节，而是从最前端的建材制造、规划设计、运营、包括后端的使用回收都应达到绿色化。
同时，绿色建筑的应有之义还要符合城市发展以及人居环境的绿色化。建筑本身只是一个载体，是城市的一个肌理，要符合城市发展、人居环境的需要，从建筑建造、运营多维度地提升绿色化水平。相较于传统建筑，绿色建筑的优势和发展趋势概括起来有三大类，即减少能源消耗（或零消耗），提高舒适度。相较于传统建筑，绿色建筑第一是用清洁能源替代传统能源来满足人类的基本能源需求，如用太阳能发电来替代建筑的部分传统电力。第二是绿色建筑会运用先进的节能设计理念、节能材料和节能系统，大大提高能源的使用效能。第三是不产生废物废水，利用自身的循环利用和处理系统，实现自净化，不对环境和生态产生负担。
近年来，国内外学者围绕绿色建筑问题对自然观进行了多方面的探讨和研究，尽管人们见仁见智，提出的观点不尽相同，也达成一些共识。生态环境是脆弱的，地球的非再生资源和再生资源以及地球的承载力、净化能力都是有限的。绿色建筑应当走节俭、节能、高效、低耗、无污染或少污染的发展道路。绿色建筑必须在维护和促进地球生物圈的稳定与繁荣的基础上去改造和利用自然，“天人和谐”，应当成为绿色建筑的发展理念和趋势。
改革开放以来，经济的高速增长给我们带来就业、财富的同时，也给我们带来了巨大的生态危机。能源危机、生态危机、温室效应等能源和环境问题日益突出，走可持续发展道路已成为全球共同面临的紧迫任务，作为能耗占全部能耗1/3的建筑业成为关注的焦点。随着中国经济的蓬勃发展，绿色建筑已是大势所趋，中国的房地产行业必然面临整合升级，建筑设计及家居设计也越来越呈现专业化、高科技化的趋势。城市现代建筑对其总运行成本、节能环保、用户体验、与建筑外观的结合等都提出了新要求。
但还应该看到，目前国内的绿色建筑还存在粗放式发展模式，围绕着绿色建筑的节能节材节水等还存在以下几点突出问题：
1、产能的光伏发电技术与建筑屋面的结合利用还仅限于太阳能产生电就够了，对于光伏组件的铺设对屋面保温及结构的影响，及屋面发热反过来影响发电效率的研究还比较少；
1、对于建筑光伏光热一体化的综合利用和热回收技术研究还不够，热电综合利用效率不高；
2、对于建筑多种能量的互补式应用及综合管理研究还比较少，建筑综合能效比不高；
3、传统房屋多为钢结构或用钢量较大的建筑，钢产量居高不下，相关产业链造成的重型经济和环境问题突出，探索非钢环保建材及装配式建设模式势在必行。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自能量平衡的绿色房屋系统，以解决现有技术中绿色建筑在节能节材节水等方面存在的突出问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，至少包括：光伏电站、综合能源管理系统、用电负载，光伏电站、太阳能集热器连接综合能源管理系统，综合能源管理系统连接用电负载。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，所述光伏电站包括多个光伏阵列、汇流箱、直流配电柜、逆变器，光伏阵列连接汇流箱，汇流箱连接直流配电柜，直流配电柜连接逆变器；逆变器连接综合能源管理系统。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，光伏电站包括若干智能温控光伏裂解器，智能温控光伏裂解器设置在相互串联的光伏阵列之间。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，智能温控光伏裂解器包括温度采集口、MCU智能单元、电子开关、PV板正极、PV 板负极，温度采集口连接MCU智能单元，MCU智能单元连接电子开关，电子开关分别连接PV板正极、PV 板负极，智能温控光伏裂解器通过PV板正极与PV 板负极连接在相互串联的光伏阵列之间。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，还包括光伏光热设备，光伏光热设备包括发电设备、热能回收装置及界面元件，界面元位于发电设备与热能回收装置之间，热能回收装置收集发电设备经过界面元传过来的热能。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，发电设备包括光伏阵列，热能回收装置由管道内为水或混有电解质的油性液体的环形管道环绕而成，该环形管道具有一个入水口和一个出水口，界面元位于光伏面板设备与热能回收装置之间，界面元件为由导电石墨，碳纤维，二氧化钛和碳化硅组成的聚合物材料。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，热能回收装置连接储热装置。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，绿色房屋系统用新型环保材料装配而成，新型环保材料包括竹木基材、秸秆板材。
前述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，还包括太阳能集热器、储热装置、风力发电机组、柴油发电机组、蓄电池组；柴油发电机组用于补充电力供应；蓄电池组用于存储和释放富余的电能；储热装置用于存储热能；综合能源管理系统包括集成控制器，集成控制器用于电压检测和控制开关的切换，逆变器用于直流电路变交流电路，太阳能集热器连接储热装置，储热装置连接热负载，光伏电站和风力发电机组、柴油机组分别连接集成控制器，集成控制器连接蓄电池组、逆变器，逆变器连接电负载。
本发明的有益之处在于：本发明实现建筑光伏光热一体化高效利用，实现热能利用率提高30%；开发出适用于建筑光伏的光伏防火产品；开发竹木基材、秸秆板材等绿色建材及相关装配技术，提升绿色建材的环保、防火、耐腐性能20%，实现可重复拆装次数不少于30次；实现了光热电的多能互补利用，开发能源综合管理技术，实现能效提高20%。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施的结构示意图；
图2是本发明光伏电站结构拓扑示意图；
图3是本发明光伏阵列结构拓扑示意图；
图4是本发明智能温控光伏裂解器；
图5是本发明光伏光热设备示意图；
图6是本发明热能回收装置示意图；
图7是本发明光伏光热设备使用示意图；
图8是本发明热电双联供系统结构示意图；
图中附图标记的含义：
1、光伏阵列，2、汇流箱，3、直流配电柜，4、逆变器，5、智能温控光伏裂解器，6、温度采集口，7、MCU智能单元，8、电子开关，9、PV板正极，10、PV 板负极，11、热能回收装置，12、界面元件，13、光伏光热设备。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1所示，本发明具体研发内容如下：
1、建筑屋面结构及高效发电技术：
基于太阳能发电技术，研发建筑光伏屋面系统对建筑及光伏组件发电效率的相互影响，实现建筑光伏发电效率的最大化；
2、建筑光伏安全及防火技术
由于光伏带电设备不同于传统的发电设备，一旦起火，将成片着火，对建筑和设备造成巨大损失，基于此，本发明将开发基于建筑光伏安全的光伏防火消防技术及相关设备产品；
3、光伏光热综合利用技术
研发建筑光伏光热一体化及热回收技术应用，提高热能利用率；
4、多能互补的能源管理技术：
基于既有的储能电池和电动汽车充电桩技术，研发光、热、电多用途的多能互补储能技术，开发多能管理和控制系统，实现房屋产能、耗能双向平衡。
5、新型绿色环保建材（竹木轻钢、秸秆板材）：
研发新型竹木基材及秸秆板材，代替传统的钢结构，并采用装配式建设模式，实现从建筑材料到建设过程的绿色环保，大幅度提升建筑材料的环保、防火、力学、耐腐等性能。
参照图1所示，本发明一种自能量平衡的绿色房屋系统，至少包括：光伏电站、综合能源管理系统、用电负载，光伏电站、太阳能集热器连接综合能源管理系统，综合能源管理系统连接用电负载。本发明基于建筑光伏安全性能要求，开发建筑屋面适用的光伏防火应用技术及产品，实现建筑光伏的防火安全利用。
针对光伏电站发生火灾险情，特别是建筑光伏屋顶，传统的灭火方式用高压水枪灭火，由于光伏阵列系统的特殊性，本身带有高达1000VDC的高压直流电，用水灭火，将使得消防人员处于危险环境。
面对光伏电站失火，将光伏阵列进行裂解成单块组件，行业内还无相关的处理方法。
图2为光伏电站结构拓扑示意图，一个光伏电站有诸多个发电单元即光伏阵列（发电单元）、汇流箱（汇流单元）、直流配电柜（阵列汇流单元）、逆变器（逆变送电单元）等部件组成。
图3为光伏阵列结构拓扑示意图，由光伏组件通过一定数量的串联，为发电单元。在一定的光照条件下，输出两端为高压直流电，且开路电压高达1000VDC。
图4是智能温控光伏裂解器，由温度采集口1-5、MCU智能单元、电子开关、PV板正极A、PV 板负极B组成。
光伏阵列裂解器，其中温度采集口1-5，分别布置在每一块光伏组件5个不同的位置，当温度变化时，5路中的3路检测到温度异常，则MCU智能单元进行计算判断，从而推动电子开关发生动作，使链路A端、B端断开或闭合。
当光伏电站发生火灾时，光伏裂解器检测到系统局部或者区域的部件温度大于95℃时，光伏裂解器内部发生动作，电子开关断开，整个光伏阵列发生裂解，将光伏阵列分解为每块独立的组件，使输出电压降到安全电压，方便消防人员对整个光伏电站进行灭火。
当灭火完成，险情排除确认后，区域温度回落到25℃后，光伏阵列自动闭合连接，进行发电。若当第一部分动作后，电站险情还未排除，温度继续上升，当检测的温度高于130℃，光伏裂解器中第二部分机构开始动作，永久性裂解光伏阵列。当事故排除后，可在事故区域内，手动复位按钮，光伏阵列可按图二重新连接，并发电。
如图5、图6，本发明光伏光热设备，包括发电设备、热能回收装置及界面元件，发电设备包括接收太阳辐射能量并将部分太阳辐射能量转换成电能的光伏面板设备，热能回收装置由管道内为水或混有电解质的油性液体的环形管道环绕而成，该环形管道具有一个入水口和一个出水口，界面元件位于光伏面板设备与热能回收装置之间。本技术开发的建筑适用的光伏光热设备大大提高了太阳能的转换效率，经济实用，为绿色住宅的推广提供了切实可行的技术支持。
如附图5至附图7所示，开发的一种建筑适用的光伏光热设备，包括发电设备、热能回收装置及界面元件，发电设备包括接收太阳辐射能量并将部分太阳辐射能量转换成电能的光伏面板设备，热能回收装置由管道内为水或混有电解质的油性液体的环形管道环绕而成，该环形管道具有一个入水口和一个出水口，环形管道的界面为椭圆形，界面元,3位于光伏面板设备与热能回收装置之间，界面元件为由导电石墨，碳纤维，二氧化钛和碳化硅组成的聚合物材料，该材料具有良好的导热性能，且不易膨胀。
本发明开发新型环保材料（竹木基材、秸秆板材等）的制造和工艺技术，研发新型材料的装配式技术，并对建筑能耗的影响进行实证测试；
竹木基材(竹钢、木钢)即重竹（木），是通过由竹束或纤维化单板为构成单元，按顺纹组坯、胶合、压制而成的板材或方材，具有良好的环保、防火、力学性能，与传统钢材性能对比如下表一：
表一：竹木基材与传统钢材性能对比
| 钢材 | 竹木基材 | 结论 | |
| 耐火性能 | 15min失去支撑性能 | 大火中燃烧30min损失19mm，保持支撑性能 | 比钢材耐火 |
| 节能性能 | 热阻值极低 | 热阻值是钢材400倍 | 比钢材节能 |
| 环保性能 | 炼钢过程中产生大量废气、粉尘 | 生产过程高度环保，不产生建筑垃圾 | 更环保 |
| 耐腐性能 | 易腐蚀 | 耐腐蚀性能良好 | 更耐腐蚀 |
防火秸秆板采用麦（稻）秸杆为原料经粉碎、施胶、无差别铺装、预压、高压、裁边、凉板、堆垛、保养、砂光、分等、打包、入库而成为成品，防水性能好，可与天然板材相媲美；产品色泽亮丽，密度均匀，保温、隔音性能好；锯、钻、刨、铣、钉等机械加工性能良好并适合于各种贴面加工生产；防火性能达到A2级。
如图8，本发明的一种基于风光柴蓄的热电双联供系统，包括太阳能集热器、储热装置、风力发电机组，光伏电站，柴油发电机组、蓄电池组、集中控制器和逆变器；柴油发电机组用于补充电力供应；蓄电池组用于存储和释放富余的电能；储热装置用于存储热能；集成控制器用于电压检测和控制开关的切换，逆变器用于直流电路变交流电路。充分利用了风能和太阳能实现热电双联供，同时使用的柴油发电机组又能保证电能供应的稳定，在风能和太阳能充足时可以保证电能供应的稳定，在风能和太阳能发电充足可以保证电力供应时，柴油机组不工作，同时风能和太阳能富余电力可存储到蓄电池组；在风能和太阳能所发电不能满足电力供应时，通过集成控制器自动切换，使蓄电池组释放出存储的富余电能，同时柴油发电机组开始工作，以保证持续稳定的电力输出。利用太阳能集热器及储热装置，可以在太阳能充足时，实现热能的有效利用，富余的热能存储在储热装置中，在太阳能热不足时，释放出存储的富余热能，实现热能的不间断利用。
本发明研发建筑光伏屋面技术，探索温度及腔体热流密度对组件发电效率的反影响机理，实现光伏组件与建筑屋面的有机、高效结合，实现发电效率的最大化本实验研究安装于建筑屋面的光伏组件和组件串在一定强度和温度的光照条件下，随着组件与屋面相对角度和距离的变化，组件与屋面之间腔体的热流密度的变化，及对背板温度和组件输出功率的影响，以确定在实际的工程设计和安装发明中，调整变量以达到组件和组件串最佳输出功率。研发太阳能光伏建筑一体化系统技术，针对光伏屋面热流腔体的形成，对光伏组件效率及建筑能耗的影响进行实证测试，形成温度效率曲线及数据报告
可调变量：
1、角度1（屋面与组件的相对角度）；
2、角度2（光照与组件的入射角度）；
3、间距（屋面与组件平行时取垂直距离，有角度时取最小距离）；
4、恒温循环水箱温度；
5、组件数量（可选csun260多晶，1块或2块）；
6、环境温度；
7、辐射强度、时间；
本发明聚焦于新一代自能量平衡的非钢装配式绿色建筑集成技术的研发和应用，实现建筑产用能（产能：光伏光热，用能：电动汽车、家用用电负载）的自平衡和综合能量管理（光热电）、竹木基材（秸秆板材）建材研发及装配式利用，技术及产品具有高性能、零排放、可发电、多用途、可快速建造和重复拆装等特点。通过开发设计，实现绿色建筑的标准化、模块化、工业化，满足移动、零能耗（负能耗）、环保等多种性能的需求，应用领域广泛，必将具有巨大的市场潜力。
（1）基于建筑零能耗理念，创新性提出并研发新一代自能量平衡绿色建筑房屋系统；
（2）首创建筑光伏防火技术及设备研究，深入开展基于建筑光伏光热高效、安全利用技术；
（3）首创性开展竹木基材和秸秆板材等非钢建材的研发及装配式应用；
（4）基于建筑产用能自平衡，深入开展多能综合利用和管理控制系统开发；
本发明开展针对性的创新性研发，在发明完成时，主要在以下几项关键技术实现突破：
实现建筑光伏光热一体化高效利用，实现热能利用率提高30%；
开发出适用于建筑光伏的光伏防火产品；
3、开发竹木基材、秸秆板材等绿色建材及相关装配技术，提升绿色建材的环保、防火、耐腐性能20%，实现可重复拆装次数不少于30次；
4、实现光热电的多能互补利用，开发能源综合管理技术，实现能效提高20%。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，至少包括：光伏电站、综合能源管理系统、用电负载，光伏电站连接综合能源管理系统，综合能源管理系统连接用电负载。
2.根据权利要求1所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，所述光伏电站包括多个光伏阵列、汇流箱、直流配电柜、逆变器，光伏阵列连接汇流箱，汇流箱连接直流配电柜，直流配电柜连接逆变器；逆变器连接综合能源管理系统。
3.根据权利要求2所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，光伏电站包括若干智能温控光伏裂解器，智能温控光伏裂解器设置在相互串联的光伏阵列之间。
4.根据权利要求3所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，智能温控光伏裂解器包括温度采集口、MCU智能单元、电子开关、PV板正极、PV 板负极，温度采集口连接MCU智能单元，MCU智能单元连接电子开关，电子开关分别连接PV板正极、PV 板负极，智能温控光伏裂解器通过PV板正极与PV 板负极连接在相互串联的光伏阵列之间。
5.根据权利要求1所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，还包括光伏光热设备，光伏光热设备包括发电设备、热能回收装置及界面元件，界面元位于发电设备与热能回收装置之间，热能回收装置收集发电设备经过界面元传过来的热能。
6.根据权利要求5所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，发电设备包括光伏阵列，热能回收装置由管道内为水或混有电解质的油性液体的环形管道环绕而成，该环形管道具有一个入水口和一个出水口，界面元位于光伏面板设备与热能回收装置之间，界面元件为由导电石墨，碳纤维，二氧化钛和碳化硅组成的聚合物材料。
7.根据权利要求5所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，热能回收装置连接储热装置。
8.根据权利要求1所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，绿色房屋系统用新型环保材料装配而成，新型环保材料包括竹木基材、秸秆板材。
9.根据权利要求1所述的一种自能量平衡的绿色房屋系统，其特征在于，还包括太阳能集热器、储热装置、风力发电机组、柴油发电机组、蓄电池组；柴油发电机组用于补充电力供应；蓄电池组用于存储和释放富余的电能；储热装置用于存储热能；综合能源管理系统包括集成控制器，集成控制器用于电压检测和控制开关的切换，逆变器用于直流电路变交流电路，太阳能集热器连接储热装置，储热装置连接热负载，光伏电站和风力发电机组、柴油机组分别连接集成控制器，集成控制器连接蓄电池组、逆变器，逆变器连接电负载。
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| CN116111946A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-05-12 | 赫里欧新能源有限公司 | 一种风光热储直柔产能建筑系统 |
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