“能源建筑”技术体系研究

杨自统

【摘要】2020年9月，中国政府提出双碳目标。各行各业迎来广阔的发展空间，人类居住环境的高能耗更是亟待解决的关键环节。《近零能耗建筑技术标准》已经于2019年9月1日实施，也就是说目前的施工技术要达到建筑近零能耗还是能做到的。

在建筑近零能耗的基础上创新研发新的技术体系，既满足建筑自身能源消耗，还能有余量向外界输送清洁能源，让一栋栋的建筑成为能量柱，这样的建筑应该命名为“能源建筑”。

【关键词】能源建筑;近零能耗;风光发电装置;双碳;外墙整体式光电结构;光伏;新能源

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

实现“能源建筑”的技术途径：

1、多层矩阵式风力、光电发电机组

此机组可以安装到建筑屋面，通过矩阵排列、多层设置的风力发电装置及顶面的全时太阳能电路板，可实现大容量发电。按照小型200W风力发电机6排、6列、6层计算，一个机组的体积大约6m×6m×5m，额定功率将达到6×6×6×200=43.2KW;太阳能电路板面积6m×6m=36m2，光能发电功率按照300W/m2，将达到36×0.3=10.8KW，总功率将达到54KW，相当于1台大型风力发电机组（50KW），但又运输方便、安装便捷、安全，适用性高，不影响自然地貌、风景，适用于山区、山顶、楼顶。

关键技术：

1.1机组整体震动及噪音控制

机组前后左右四面通风，顶面布设太阳能电路板，加固连接件接触部位加装胶垫;底部结构与设备基础加装防震支座，进行防震、隔震处理，防震支座的加固螺栓孔周圈固定胶圈，防止螺杆触碰;螺帽的垫片下加装胶垫;钢结构框架用热镀锌圆管焊接，所有尖锐部位进行圆弧处理，减少风噪。

1.2电力传输系统

单机汇集电路，布设传感器，连接到风光电互补控制器;由控制器连接到蓄电池组，连接到开关电源，再由开关电源连接到市电系统或自用动力及照明系统。

1.3小型风力发电机单元矩阵多层排列技术

发电单元整体排布，6排6列7层，底部固定横杆镀锌圆管内布置安装电路及信号线。

1.4风力发电单机

垂直轴风力发电，底部固定立杆与横杆焊接，管道相通，顶部与发电单元法兰连接，强弱电线路穿入管道系统布线，法兰加胶垫防水处理。单机排列之间留置过风通道，防风流干扰。

1.5智能控制及监测软硬件

单机端布设传感器，能通过终端显示器及网络端实时监测到每个单体风力发电机及每块儿太阳能电路板的工作状态，单体发电功率、机组发电总量及实时风速。

1.6机组表面全时太阳能发电

外表面面积：6m×6m=36m2，碲化镉太阳能的发电功率大约300W/m2，发电功率将达到36×0.3=10.8KW。电流导出后与风力发电共用蓄电池。外观为大理石质感，美观、协调。

1.7建筑物垂直方向风屋面导向增压结构

本混凝土结构板设置在部分外墙屋面处，架空45度设置。

目的：

1.7.1利用建筑物外墙自下而上的局部风压，转变风向，增加风力利用率，减少竖向风力的削弱作用。

1.7.2对正面来风起到增压加压作用。

1.8蓄电池组储电单元

在屋面的设备机房内，采用串联式蓄电池组，充电系统有实时网络监控，可实时显示充电量和充电系统状态，无风无阳光达到一定时长、电量低于蓄电特定值一定时长时需要市电充电维护;风、光能充电达到蓄电池容量上限后余量输送城市电网。

1.9机组防水设计

电机及叶片等连接处加装胶垫，线路通过处加装胶管，管路内外连接处设置在管道底部。

胶垫、胶条、锁紧装置。

2、外墙整体光电玻璃围护结构

本结构为外墙体整体式围护结构，外表面为薄膜光伏发电玻璃，防水、隔气，在发电的同时，兼具高档外墙装饰效果。

本结构由分户光电系统组成，以每户为基本单位，余电上网。

关键技术：

2.1整体式薄膜光伏发电玻璃外墙结构

本结构由楼板自然分割，分楼层设计，非上下贯通，避免楼层之间贯通引起的防火、噪音、隐私问题，同时使户型方正，面积利用率高;装配单元为工厂加工，现场组装，线路集成设计，设置端部插头连接，隐藏在模块连接部缩进部位。

2.2 CdTe（碲化镉）光伏组件[4]

型号C1C01-S3的CdTe（碲化镉）光伏组件尺寸1200×1600mm，厚7mm，封装后重量30kg，技术参数如下表1：

2.3 CdTe薄膜光伏发电系统

CdTe薄膜光伏发电系统的各参数值如下表2所示：

在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333 KWh/m2 （日辐射量6.4KWh/m2 ）。根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。

取值不利情况转换率：12.5%。测试地区年太阳辐照量将达到1959 kWh/m2，日辐射量达到5.36 kWh/m2，考虑不利情况年太阳辐照量1144×12.5%=138kWh/m2，考虑光伏阵列利用率93.56%、逆变器效率96.02%、交流电利用率97.62%、其它不利情况87.8%，每平米年发电功率：138×93.56%×96.02%×97.62%×87.8%=106.26kWh

每层正立面与两侧山墙（暂按70m长，2.8m高）的年發电功率约：106.26×70×2.8=20826.96kWh。

每天约发电：20826.96÷365=57kWh

三类地区（山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地）的太阳日辐射量3.8-4.5Kwh/m2，相同面积日发电量约：4÷5.36×57=42.54kWh。

3、近零能耗（被动房[5]）技术体系

目前该项技术已经成熟，荣华建设集团参与国家标准《近零能耗建筑技术标准》制定，主要有以下几项关键技术：

3.1高效的保温围护系统

（1）双层错缝岩棉板加防水透气膜外墙保温系统施工技术。

（2）地下室底板酚醛树脂板保温施工技术。

（3）屋面挤塑板保温施工技术。

（4）地下室顶板岩棉板与水泥纤维板结合技术。

（5）地下室外墙防火防水泡沫玻璃保温技术。

3.2铝包木三玻两腔外墙门窗施工围护结构。

3.3防热桥施工技术。

（1）结构热桥施工措施;

（2）阻热式防热桥措施。

4、被动式冷梁+独立热交换新风技术

该系统新风机组承担新风负荷及室内全部潜热负荷，冷梁只承担室内显热负荷，实现室内温湿独立控制。经过新风机组处理后的一次风，进入静压箱，通过喷嘴高速喷出，在喷嘴附近产生负压，诱导吸入室内二次回风，二次回风通过水盘管换热后，与一次风混合后进入室内。

5、地源热泵技术

地源热泵系统是一种利用浅层地热资源的既可供冷又可供暖的高效节能空调系统。土壤是一个巨大的太阳能集热器，地源热泵是利用了地球本体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的冷暖空调系统。

6、太阳能与建筑一体化应用技术

“建筑太阳能一体化”是指在建筑规划设计之初，利用屋面构架、建筑屋面、阳台、外墙及遮阳等，将太阳能利用纳入设计内容，使之成为建筑的一个有机组成部分。

7、建筑外遮阳技术

建筑遮阳是将遮阳产品安装在建筑外窗、透明幕墙和采光顶的外侧，以遮蔽太阳辐射。设置适合的遮阳设施，节约建筑运行能耗，可以节约空调用电25%左右;设置良好遮阳的建筑，可以使外窗保温性能提高约一倍，节约建筑采暖用能10%左右。

8、基于BIM技术的智慧运维智能化管理系统

BIM智能化管理系统将智能化、机电、物业管理、节能管理、对外展示等多种角度的系统及管理需求进行一体化整合，使多系统在同一平台进行呈现，最终建设目标将通过对大楼内各分类子系统的集成统一，建立项目智慧运维中心数据库，为工程项目提供可靠的设备运维分析、物业管理服务、节能管理、信息化决策等一系列专业性服务。

参考文献：

[1]苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].中国电力出版社，2003.

[2]李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J].中国电机工程学报，2004，24（6）：6.

[3]廖志凌，阮新波..独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报，2009，29（021），46-52.

[4]赵斌，马宁宁，靳姗姗，索朗曲宗，王龍岗.西藏应用薄膜弱光光伏发电系统的仿真分析[J].太阳能，2020（7），6.

[5]贝特霍尔德·考夫曼，沃尔夫冈·费斯特.德国被动房设计和施工指南[M].中国建筑工业出版社，2015.