CN111862772A - 一种基于近零能耗技术的建筑小屋模型及安装方法 - Google Patents

一种基于近零能耗技术的建筑小屋模型及安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于近零能耗技术的建筑小屋模型，包括水系统和电气系统；水系统包括地源热泵系统、太阳能集热系统和雨水收集系统；电气系统包括基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统、微型风力发电系统、电储能系统；小屋地下敷设地埋管换热器，小屋水平放置于架空层水泥桩上，架空层布置地源热泵系统中的地热系统分集水器及水泵，地面敷设地面换热盘管；小屋外安装微型风力发电机；入口平台遮阳屋顶安装太阳能集热装置，屋顶安装透光的碲化镉薄膜电池。本发明的有益效果是：本发明从建筑零能耗设计的角度，提出了一种近零能耗建筑小屋的设计方案，采用光伏发电玻璃，能达到防水遮阳的效果，还能节约建筑成本和光伏系统的安装成本。

Description

一种基于近零能耗技术的建筑小屋模型及安装方法
技术领域
本发明涉及一种基于近零能耗技术的建筑小屋模型，属于建筑节能领域。
背景技术
新能源产业是国民经济战略性、先导性产业，对拉动经济增长、调整产业结构、推动工业转型升级、突破能源瓶颈约束具有十分重要的作用。将新能源技术与建筑相结合，具有巨大的节能潜力。因此建筑节能一直是世界各国降低能耗，应对气候变化的重要手段之一。在世界范围内，低能耗高舒适度的高性能建筑研究一直是建筑节能领域研究的热点，绿色建筑、生态建筑、低能耗建筑、被动房、超低能耗建筑、零能耗建筑、正能耗建筑的概念不断涌现。
随着太阳能光热光电技术、建筑光伏一体化、地源热泵技术、雨水回收技术等新型节能技术的不断发展，在气候较为温和的部分地区，通过各类新型节能技术与建筑精心设计对单栋建筑物进行供能，可以使建筑物全年总能耗降低到10kWh/m2以下，且建筑物所有能耗需求可以由可再生能源提供。由此提出“零能耗建筑”的概念，即无需和外界能源基础设施相连，通过各式节能技术与蓄能技术的综合性集成应用，保证建筑所有时段能源供应的建筑。由于“零能耗建筑”在实现上较为困难且成本较高，所以目前国际上更加广泛的可实施的为“近零能耗建筑”。
因此，根据用户用能特点，结合建筑的地理位置、能源禀赋等资源条件，建立近零能耗建筑物供能系统，提出一种实现低能耗、高舒适度的近零能耗建筑小屋的技术，高度契合了绿色建筑的发展潮流，代表了城市和建筑能源发展的未来趋势。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于近零能耗技术的建筑小屋模型，使得能够实现“网下零能耗建筑”的目的，建筑一体化的可再生能源供电供热系统提供的能量和建筑能源需求量保持平衡，或者位于建筑物附近并与建筑物连接的可再生能源供电供热系统提供的能量和建筑能源需求量保持平衡。
这种基于近零能耗技术的建筑小屋模型，包括水系统和电气系统；
水系统包括地源热泵系统、太阳能集热系统和雨水收集系统；
电气系统包括基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统、微型风力发电系统、市电、电储能系统和用电设备；
小屋地下敷设地埋管换热器，小屋水平放置于架空层水泥桩上，架空层布置地源热泵系统中的地热系统分集水器及水泵，地面敷设地面换热盘管；小屋外安装微型风力发电机；入口平台遮阳屋顶安装太阳能集热装置，屋顶安装透光的碲化镉薄膜电池，碲化镉薄膜电池倾斜布置，碲化镉薄膜电池下端安装排水沟用于雨水收集，雨水储存于雨水收集储水桶及处理设备中，经处理后的雨水通过第四水泵输送至小屋周围，可用于建筑小屋的绿化灌溉。
作为优选：水系统中沿管中流体流动方向，地源热泵系统主要由地埋管换热器、集水器、第二水泵、第二阀门、第五阀门、地源热泵主机、第三水泵、能量表、地面换热盘管、第四阀门和分集水器依次相连组成；太阳能集热系统主要由太阳能集热器、第一水泵、第一阀门、第六阀门、第三水泵、能量表、地面换热盘管和第三阀门依次相连组成；雨水收集系统主要由雨水收集储水桶及处理设备、第四水泵和第七阀门依次相连组成，第四水泵与第七阀门之间设置一条支路，支路上设置第八阀门。
进一步优选：冬季采暖回路主要由太阳能集热系统和地源热泵系统组成，采暖季由太阳能集热系统和地源热泵系统联合向建筑小屋供暖；夏季供冷回路主要由地源热泵系统组成，供冷季由地源热泵系统独立向建筑小屋供冷；过渡季节以自然通风为主，不足部分由地源热泵系统补充。
作为优选：电气系统中，基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统主要由碲化镉薄膜电池和第一逆变器组成，微型风力发电系统主要由微型风力发电机组成，电储能系统主要由储能电池和第二逆变器组成，用电设备主要由照明灯、电动窗帘、水泵电机和地源热泵主机组成，电气系统配备市电变压器。
作为优选：小屋墙面为金属墙面，墙面布置垂直墙面常规窗，地面为油毡地砖，碲化镉薄膜电池下表面安装电动窗帘，碲化镉薄膜电池下方安装通风天窗，天花板安装照明灯。
作为优选：碲化镉薄膜电池采用硅酮密封胶和泡沫条进行密封；碲化镉薄膜电池端部设置铝合金托条，铝合金托条下方设置铝合金附框，碲化镉薄膜电池与铝合金附框之间设置硅酮密封胶和泡沫条，铝合金附框内设置光伏线缆，铝合金附框侧边设置铝合金压板。
作为优选：太阳能集热器面积由建筑小屋所在地太阳辐射强度、建筑小屋的屋顶面积、建筑小屋的建筑面积、地源热泵系统容量等优化匹配。
作为优选：建筑小屋内的地面换热盘管呈回字型敷设于建筑小屋地板下，其中地面换热盘管的管径、长度、安装间距由建筑小屋的面积等优化匹配，地面换热盘管底面需安装一定厚度的保温材料，防止热量向小屋地面往下散失。
作为优选：采用多种可再生能源协同供能的模式，以碲化镉薄膜电池和微型风力发电机联合向建筑小屋内供电，并配置一定容量的储能电池；当受外部环境影响，可再生能源发电出力较小时，建筑小屋内不足部分电力由市电补充；当建筑小屋内用电负荷较小时，多余部分电量用于上公网消纳，起到节能减排的效果。
作为优选：碲化镉薄膜电池的容量、微型风力发电机的容量、储能电池的容量根据建筑小屋的照明灯的功率、水泵电机和地源热泵主机的电机容量等优化匹配，满足建筑小屋内电力供需基本平衡。
这种基于近零能耗技术的建筑小屋模型的安装方法，包括以下步骤：
S1、安装基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统：在小屋屋顶安装透光(透光率为40％)的碲化镉薄膜电池，面板材料为8HS+1.52PVB+3.2CdTe+1.52PVB+8HS(Low-E)+16A+8HS+1.52PVB+8HS的半钢化夹胶光伏中空夹胶玻璃，玻璃传热系数K≤1.32/(㎡·K)，遮阳系数SC≤0.30；碲化镉薄膜电池安装时采用硅酮密封胶和泡沫条进行密封。
S2、安装微型风力发电系统：根据小屋周边环境情况，在小屋东北角安装一定容量的微型风力发电系统；建筑光伏一体化系统与微型风力发电系统产生的电能以供小屋的照明灯、电动窗帘、地源热泵主机和水泵电机等使用，其中，配套的储能单元、逆变器等电气系统集成在电气模块中。
S3、安装太阳能集热系统：在小屋入口平台遮阳屋顶处布置太阳能集热器，供冬季采暖使用。
S4、安装雨水收集系统：在小屋屋顶设置排水沟用于雨水收集，将雨水统一收集到小屋北面的雨水收集储水桶及处理设备中，经处理后的雨水可用于小屋周围的绿化灌溉。
S5、安装自然通风系统：小屋采用自然通风系统，在屋顶设置可开启的通风天窗，通风天窗用于自然采光和通风；在垂直墙面设置六扇垂直墙面常规窗，并配备遮阳装置。
S6、安装地源热泵系统：小屋采用地热能作为夏季制冷和冬季采暖的冷热源，地下埋设垂直管道作为地埋管换热器用于抽取地热能，管道为高密度聚乙烯管，垂直管道井深为70-100米，井与井间距为4米；建筑小屋地板下敷设回字型地面换热盘管用于实现建筑内换热；在冬季，地埋管换热器管中流体从地下抽取热量，与太阳能集热器、地面换热盘管、地源热泵主机、第一水泵、第二水泵和第三水泵连接形成闭式环路，通过管道中的液体循环流动满足建筑冬季供热需求；在夏季，地面换热盘管管中流体把室内热量取出来，与地埋管换热器、地源热泵主机、第二水泵和第三水泵连接形成闭式环路，将热量释放至土壤中，通过管道中的液体循环流动满足建筑夏季供冷需求；在过渡季节，建筑空气调节主要以自然通风为主，不足部分可适当开启地源热泵系统进行补充。
本发明的有益效果是：本发明从建筑零能耗设计的角度，提出了一种近零能耗建筑小屋的设计方案，采用光伏发电玻璃，能达到防水遮阳的效果，还能节约建筑成本和光伏系统的安装成本。本发明充分利用可再生能源，降低建筑的能耗，实现了从被动节能到主动发电的绿色建筑理念，具有良好的示范意义。
附图说明
图1为基于近零能耗技术的建筑小屋模型的水系统原理示意图；
图2为基于近零能耗技术的建筑小屋模型的电气系统原理示意图；
图3为基于近零能耗技术的建筑小屋模型剖面示意图；
图4为基于近零能耗技术的建筑小屋模型平面示意图；
图5为碲化镉薄膜电池安装节点图。
附图标记说明：太阳能集热器1、地面换热盘管2、地埋管换热器3、集水器4、分水器5、第一水泵6、第一阀门7、第二水泵8、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11、第五阀门12、地源热泵主机13、第六阀门14、第三水泵15、能量表16、第四水泵17、第七阀门18、第八阀门19、雨水收集储水桶及处理设备20、碲化镉薄膜电池21、微型风力发电机22、储能电池23、第一逆变器24、第二逆变器25、市电变压器26、照明灯27、电动窗帘28、水泵电机29、垂直墙面常规窗30、架空层水泥桩31、地热系统分集水器及水泵32、排水沟33、通风天窗34、金属墙面35、电气模块36、地源热泵机组37、入口门38、会议椅子39、会议桌40、硅酮密封胶和泡沫条41、铝合金托条42、铝合金附框43、光伏线缆44、铝合金压板45。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
作为一种实施例，所述基于近零能耗技术的建筑小屋模型，包括：基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统、太阳能集热系统、雨水收集系统、地源热泵系统、自然通风系统、微型风力发电系统和电储能系统。
图1为近零能耗建筑小屋水系统原理图。近零能耗建筑小屋水系统包括地源热泵系统、太阳能集热系统和雨水收集系统。地源热泵系统由地面换热盘管2、地埋管换热器3、集水器4、分水器5、地源热泵主机13、第二水泵8、第三水泵15、第二阀门9、第四阀门11、第五阀门12、第六阀门14、能量表16等组成。雨水收集系统由雨水收集储水桶及处理设备20、第四水泵17、第七阀门18、第八阀门19等组成。小屋采用地热能作为夏季制冷和冬季采暖的冷热源：在冬季，管中流体通过地埋管换热器3从地下抽取热量，与太阳能集热器1、地源热泵主机13、第一水泵6、第二水泵8、第三水泵15连接形成闭式环路(液体流向图1箭头所示)，通过地面换热盘管2中的液体循环流动满足建筑冬季供热需求；在夏季，管中流体通过地面换热盘管2把室内热量取出来，与地源热泵主机13、第二水泵8、第三水泵15连接形成闭式环路(液体流向图1箭头所示)，通过地埋管换热器3将热量释放至土壤中，通过管道中的液体循环流动满足建筑夏季供冷需求。在过渡季节，建筑空气调节主要以自然通风为主，不足部分可适当开启地源热泵系统进行补充。
图2为近零能耗建筑小屋电气系统原理图。小屋采用多种可再生能源协同供电的模式，以基于碲化镉薄膜电池21的建筑光伏一体化系统与微型风力发电机22联合向建筑小屋内供电，并配置一定容量的储能电池23。可再生能源发电供小屋的照明灯27、电动窗帘28、地源热泵主机13和水泵等使用。可再生能源发电就地消纳、余量上网，不足部分电力由市电补充。
图3为近零能耗建筑小屋设计剖面示意图。小屋为可移动式架空结构，地下敷设地埋管换热器3，小屋水平放置于架空层水泥桩31上，架空层布置地源热泵系统中的地热系统分集水器及水泵32等，墙面为金属墙面35，墙面布置垂直墙面常规窗30，地面为油毡地砖，并敷设地面换热盘管2。入口平台遮阳屋顶安装太阳能集热装置1，屋顶安装40％透光率的碲化镉薄膜电池21用于发电和室内自然采光；碲化镉薄膜电池21下表面安装电动窗帘28用于遮阳；碲化镉薄膜电池21下端安装排水沟33用于雨水收集；碲化镉薄膜电池21下方安装通风天窗34用于室内自然通风和采光；天花板安装照明灯27。
图4为近零能耗建筑小屋平面示意图。小屋西北侧从左往右依次布置雨水收集储水桶及处理设备20，储能单元、逆变器等的电气模块36(包括电气系统)，地源热泵机组37(包括地源热泵主机)，东北侧布置微型风力发电机22。
图5为碲化镉薄膜电池安装节点图。碲化镉薄膜电池21(光伏玻璃)倾角根据当地实际情况确定，碲化镉薄膜电池21安装时需采用硅酮密封胶和泡沫条41进行密封，可参考框架式玻璃幕墙的安装方式。碲化镉薄膜电池21端部设置铝合金托条42，铝合金托条42下方设置铝合金附框43，碲化镉薄膜电池21与铝合金附框43之间设置硅酮密封胶和泡沫条41，铝合金附框43内设置光伏线缆44，铝合金附框43侧边设置铝合金压板45。
本专利提供了一种近零能耗建筑领域的多能互补的节能技术。本专利利用太阳能薄膜电池、微型风力发电机和储能系统解决建筑内照明、水泵等用电设备的供电，利用地源热泵系统和光热系统结合解决夏冬季建筑的供冷和采暖。冬季采暖热源由地源热泵系统耦合太阳能集热系统共同提供，通过建筑地面敷设的换热管道向建筑内供热。夏季制冷冷源由地源热泵系统提供，通过建筑地面敷设的换热管道向建筑内供冷，并利用建筑内设计良好的通风系统来降低建筑内温度。本专利将可再生能源技术与建筑相结合，通过多能互补技术实现低能耗、高舒适度的近零能耗建筑方案，高度契合了绿色建筑的发展潮流，代表了城市和建筑能源发展的未来趋势。

Claims (8)

1.一种基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：包括水系统和电气系统；
水系统包括地源热泵系统、太阳能集热系统和雨水收集系统；
电气系统包括基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统、微型风力发电系统、市电、电储能系统和用电设备；
小屋地下敷设地埋管换热器(3)，小屋水平放置于架空层水泥桩(31)上，架空层布置地源热泵系统中的地热系统分集水器及水泵(32)，地面敷设地面换热盘管(2)；小屋外安装微型风力发电机(22)；入口平台遮阳屋顶安装太阳能集热装置(1)，屋顶安装透光的碲化镉薄膜电池(21)，碲化镉薄膜电池(21)倾斜布置，碲化镉薄膜电池(21)下端安装排水沟(33)，雨水储存于雨水收集储水桶及处理设备(20)中。
2.根据权利要求1所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：水系统中沿管中流体流动方向，地源热泵系统主要由地埋管换热器(3)、集水器(4)、第二水泵(8)、第二阀门(9)、第五阀门(12)、地源热泵主机(13)、第三水泵(15)、能量表(16)、地面换热盘管(2)、第四阀门(11)和分集水器(5)依次相连组成；太阳能集热系统主要由太阳能集热器(1)、第一水泵(6)、第一阀门(7)、第六阀门(14)、第三水泵(15)、能量表(16)、地面换热盘管(2)和第三阀门(10)依次相连组成；雨水收集系统主要由雨水收集储水桶及处理设备(20)、第四水泵(17)和第七阀门(18)依次相连组成，第四水泵(17)与第七阀门(18)之间设置一条支路，支路上设置第八阀门(19)。
3.根据权利要求2所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：冬季采暖回路主要由太阳能集热系统和地源热泵系统组成；夏季供冷回路主要由地源热泵系统组成。
4.根据权利要求1所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：电气系统中，基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统主要由碲化镉薄膜电池(21)和第一逆变器(24)组成，微型风力发电系统主要由微型风力发电机(22)组成，电储能系统主要由储能电池(23)和第二逆变器(25)组成，用电设备主要由照明灯(27)、电动窗帘(28)、水泵电机(29)和地源热泵主机(13)组成，电气系统配备市电变压器(26)。
5.根据权利要求1所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：小屋墙面为金属墙面(35)，墙面布置垂直墙面常规窗(30)，地面为油毡地砖，碲化镉薄膜电池(21)下表面安装电动窗帘(28)，碲化镉薄膜电池(21)下方安装通风天窗(34)，天花板安装照明灯(27)。
6.根据权利要求1所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：碲化镉薄膜电池(21)采用硅酮密封胶和泡沫条(41)进行密封；碲化镉薄膜电池(21)端部设置铝合金托条(42)，铝合金托条(42)下方设置铝合金附框(43)，碲化镉薄膜电池(21)与铝合金附框(43)之间设置硅酮密封胶和泡沫条(41)，铝合金附框(43)内设置光伏线缆(44)，铝合金附框(43)侧边设置铝合金压板(45)。
7.根据权利要求1所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型，其特征在于：地面换热盘管(2)呈回字型敷设于建筑小屋地板下，地面换热盘管(2)底面安装一定厚度的保温材料。
8.一种如权利要求1所述的基于近零能耗技术的建筑小屋模型的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、安装基于碲化镉薄膜电池的建筑光伏一体化系统：在小屋屋顶安装透光的碲化镉薄膜电池(21)，面板材料为半钢化夹胶光伏中空夹胶玻璃，玻璃传热系数K≤1.32/(㎡·K)，遮阳系数SC≤0.30；碲化镉薄膜电池(21)安装时采用硅酮密封胶和泡沫条(41)进行密封；
S2、安装微型风力发电系统：根据小屋周边环境情况，在小屋东北角安装一定容量的微型风力发电系统；建筑光伏一体化系统与微型风力发电系统产生的电能以供小屋的照明灯(27)、电动窗帘(28)、地源热泵主机(13)和水泵电机(29)的使用，其中，配套的电气系统集成在电气模块(36)中；
S3、安装太阳能集热系统：在小屋入口平台遮阳屋顶处布置太阳能集热器(1)；
S4、安装雨水收集系统：在小屋屋顶设置排水沟(33)，将雨水统一收集到小屋北面的雨水收集储水桶及处理设备(20)中，经处理后的雨水用于小屋周围的绿化灌溉；
S5、安装自然通风系统：小屋采用自然通风系统，在屋顶设置可开启的通风天窗(34)；在垂直墙面设置垂直墙面常规窗(30)，并配备遮阳装置；
S6、安装地源热泵系统：小屋采用地热能作为夏季制冷和冬季采暖的冷热源，地下埋设垂直管道作为地埋管换热器(3)，管道为高密度聚乙烯管，垂直管道井深为70-100米；建筑小屋地板下敷设回字型的地面换热盘管(2)；在冬季，地埋管换热器(3)管中流体从地下抽取热量，与太阳能集热器(1)、地面换热盘管(2)、地源热泵主机(13)、第一水泵(6)、第二水泵(8)和第三水泵(15)连接形成闭式环路，通过管道中的液体循环流动满足建筑冬季供热需求；在夏季，地面换热盘管(2)管中流体把室内热量取出来，与地埋管换热器(3)、地源热泵主机(13)、第二水泵(8)和第三水泵(15)连接形成闭式环路，将热量释放至土壤中，通过管道中的液体循环流动满足建筑夏季供冷需求；在过渡季节，建筑空气调节主要以自然通风为主，不足部分则开启地源热泵系统进行补充。
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CN113013872A (zh) * 2021-01-29 2021-06-22 国网江苏省电力有限公司 一种考虑社区供暖负荷灵活性的配电网协同优化运行方法

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