一种模块化智能隔热保温屋顶的制作方法

本实用新型属于建筑工程领域，尤其涉及一种模块化智能隔热保温屋顶。

背景技术：

在建筑施工中，所谓的模块化指的是在不同工程参数要求下，能够选择经过标准化生产的各种模块，在施工现场进行组装拼接，可以减少建设中产生的废弃物。模块化是将一个复杂的系统分成若干个模块的过程。在未来的建筑中，更多的会采用拼插模板来构造。在实际建造中，可以根据建筑物所处的地理位置，在基础的模块上，通过类似于搭积木的方式，继续叠加相应的模块，使建筑适合该地区的温度、湿度等环境因素，或者是符合建筑商对特定建筑结构的个性化要求。模块化的施工采用工厂的标准装配化生产，在工厂批量化生产后，通过质量的检验后，运输到施工现场，直接进行拼接，减去了现场浇筑钢筋混凝土带来的粉尘、建筑废物的污染。工厂的批量化生产既可以控制每个模板的质量，又可以降低工程的成本，符合市场的要求。模块化的建筑可以更容易的达到一定楼层的高度，缓解目前的住房压力，同时符合城市的可持续发展战略，环保节能性能远远高于传统化的框架或者砖混结构。

数据显示建筑物的屋顶是建筑整体结构中受到光照强度等室外热源影响最大的部位，在我国的北方地区夏热冬冷的气候特点影响最大。华北地区最突出的特点是夏长冬短，气候在寒冷与炎热间变化较大。因此在夏热冬冷地区屋顶既要考虑夏季隔热效果，又要兼顾冬季保温效果。目前，建筑屋顶隔热采用的主要做法有单层通风屋顶、蓄水种植屋顶和植被屋顶、双面层通风屋顶。单层通风屋顶虽可降低温度，但是降幅太小，隔热效果不理想；双面层通风屋顶的做法是采用外表面浅色处理、双间层通风和基层保温三项隔热措施，比单层通风屋顶隔热效果好，但是此种做法只考虑到了隔热，并没有很好的防水性能；蓄水种植屋顶是利用水生悬浮植物遮挡阳光辐射，反射和吸收太阳辐射热及蓄水的蒸发来提高隔热效果，而种植屋顶是在屋顶上覆土或蛭石，在上面种密叶植物，植物遮阳，覆土隔热保温，上述屋顶虽然效果较好，但屋顶负载较大，需要专职管理，而且容易滋生蚊蝇，对屋顶防水要求较高。这些都影响了这类屋顶的发展。

针对夏热冬冷地区现有屋顶隔热保温构造措施的不足，本技术方案提出一种模块化智能隔热保温屋顶及其控制系统并设计了其模块化的施工方法。结合模块化理念，在温控效果、节能效果、人力资源和成本等多元素的共同作用下寻求最优解，具有建造成本低、节能效果好、运行自动化、操作智能化等符合建筑节能减排要求的特点。

技术实现要素：

本实用新型克服了现有技术中的缺点，提供了一种模块化智能隔热保温屋顶。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种模块化智能隔热保温屋顶，其结构包括丙烯酸涂层模块、非承重模块、角柱支撑模块、智能化控温模块、水层调温模块、发电储电一体模块(包括发电模块和储电模块)和屋顶承重模块，屋顶承重模块位于结构的最下层，横截面呈倒U型，用于承受以上各层传来的活荷载和静荷载及承担屋顶本身自重，在屋顶承重模块的内部设置有角柱支撑模块，角柱支撑模块由对称设置于屋顶结构两侧的立柱组成，用于加强抗震性能，在屋顶承重模块的上方依次设置有储电模块、水层调温模块、智能化控温模块、丙烯酸涂层模块和发电模块；

在储电模块和水层调温模块之间、水层调温模块与智能化控温模块之间、智能化控温模块与丙烯酸涂层模块之间分别设置有非承重模块，非承重模块不承受荷载,只起分隔空间的作用；

所述储电模块包括蓄电池组，蓄电池输出分两路输出，分别与交流负载和LED照明灯相连；

所述水层调温模块由十字横纵排布连通的水体管路构成，水体管路的一端与屋顶处的丙烯酸涂层模块连接承接雨水，另一端沿外墙壁设置有出水口用以排水，通过日常雨水积水的流动调整屋顶热量平衡；

所述智能化控温模块为基于Arduino的可视化智能控温系统，采用单片机系统全自动仿智逻辑设计，可通过蓝牙、WiFi网络进行编程定时/温度选择；带有数位式屏显示幕；开源设计允许用户二次开发，用户可根据自己的喜好设定温度；带有过热保护，防结霜功能，可维持温度稳定；

所述丙烯酸涂层模块为在混凝土层上涂布丙烯酸涂料，起到隔热防水的作用；

所述发电模块包含太阳能光伏板、风力发电机、水力发电机中的一种或多种，其中太阳能光伏板、风力发电机和水力发电机与储电模块相连接，太阳能光伏板安装于模块化屋顶上方，且与水平面呈夹角设置，风力发电机固定于丙烯酸涂层模块上部通风处，水力发电机设置于雨水积水流动的水层调温模块内，以上自发电设备其将吸收的能量转换为电能，通过内部输电线路将电能存储于储电模块的蓄电池组中，

以上各模块均经过标准化生产，在施工现场进行组装拼接。

在上述技术方案中，所述的水层调温模块的管路尺寸为：直径0.04-0.06m，壁厚0.0040-0.0044m，管路中轴间距0.1-0.3m，管路排布数量3.0-3.5根/平方米。

在上述技术方案中，所述智能化控温模块包含以下功能：

1.自动测温：系统实时自动测温并将数据通过与单片机串联体现在LCD电子屏幕上，方便用户的观察与使用；

2.支持APP控制：可以通过手机APP程序控制定位角度，人工控制通风模块的开闭，进而影响温度的升降，确保用户具有充分的自主性；

3.智能化：用户可通过手机APP设置温度范围，系统经过运算后自动调整通风模块的定位角度，利用通风控温，节能减耗。

在上述技术方案中，所述丙烯酸涂层模块采用产品化生产的S600丙烯酸涂料，施工时涂层厚度为3-5mm。

上述技术方案中所述的一种模块化智能隔热保温屋顶的现场施工步骤如下所述：

1.获取信息，综合场地、运输条件，建立多维度的施工现场模型。

2.根据现场模型，就起重机位置、建筑位置等场地布置进行统筹规划。

3.通过演算模拟，分析模块安装过程，计算出最优的安装次序和时间规划。

4.确定最优安装方案，得出施工时间安排表后，以不降低工程的质量为前提尽量缩短施工时间，同时减少施工所产生的环境影响和人力成本。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型根据现有的隔热屋顶的缺陷，结合模块化理念，在温控效果、节能效果、人力资源和成本等多元素的共同作用下寻求最优解，设计出一种模块化智能隔热保温屋顶，本屋顶采用模块化的设计理念，在施工时可将制作好的模块运送工现场，直接进行拼装。此过程可降低工程量，减少工地废料，提高资源利用率，相较于传统施工过程更加先进便捷。本屋顶符合建筑节能减排要求，具有建造成本低、节能效果好、运行自动化、操作智能化等优点。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为丙烯酸涂层模块局部结构示意图。

图3为非承重模块局部结构示意图。

图4为角柱支撑模块局部结构示意图。

图5为智能化控温模块局部结构示意图。

图6为水层调温模块局部结构示意图。

图7为发电储电一体模块局部结构示意图。

图8为屋顶承重模块局部结构示意图。

图9为发电储电一体模块结构连接示意图。

图10为发电储电一体模块运行原理示意图。

图11为基于Arduino的可视化智能控温系统控制电路原理图。

图12为智能化控温模块系统连接关系示意图。

图13为智能化控温模块控制逻辑流程示意图。

图14为实施例水层调温模块数据计算中的T热函数图。

图15为水轮发电机平面结构示意图。

图16为水轮机综合特性曲线图。

图17为自组装水力发电机输出电压与进水压强关系曲线图。

图18为模块化屋顶隔热效果实测结果曲线图。

图19为模块化组合效果实测结构柱状图。

其中，1为丙烯酸涂层模块，2为非承重模块，3为角柱支撑模块，4为智能化控温模块，5为水层调温模块，6为发电储电一体模块，7为屋顶承重模块。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图中所示，一种模块化智能隔热保温屋顶，其结构包括丙烯酸涂层模块1、非承重模块2、角柱支撑模块3、智能化控温模块4、水层调温模块5、发电储电一体模块6(包括发电模块和储电模块)和屋顶承重模块7，屋顶承重模块位于结构的最下层，横截面呈倒U型，用于承受以上各层传来的活荷载和静荷载及承担屋顶本身自重，在屋顶承重模块的内部设置有角柱支撑模块，角柱支撑模块由对称设置于结构两侧的立柱组成，用于加强抗震性能，在屋顶承重模块的上方依次设置有储电模块、水层调温模块、智能化控温模块、丙烯酸涂层模块和发电模块；

在储电模块和水层调温模块之间、水层调温模块与智能化控温模块之间、智能化控温模块与丙烯酸涂层模块之间分别设置有非承重模块，非承重模块不承受荷载,只起分隔空间的作用；

所述储电模块包括蓄电池组，蓄电池输出分两路输出，分别与交流负载和LED照明灯相连；

所述水层调温模块由十字横纵排布连通的水体管路构成，水体管路的一端与屋顶处的丙烯酸涂层模块连接承接雨水，另一端沿外墙壁设置有出水口用以排水，通过日常雨水积水的流动调整屋顶热量平衡；

所述智能化控温模块为基于Arduino的可视化智能控温系统，采用单片机系统全自动仿智逻辑设计，可通过蓝牙、WiFi网络进行编程定时/温度选择；带有数位式屏显示幕；开源设计允许用户二次开发，用户可根据自己的喜好设定温度；带有过热保护，防结霜功能，可维持温度稳定；

所述丙烯酸涂层模块为在混凝土层上涂布丙烯酸涂料，起到隔热防水的作用；

所述发电模块包含太阳能光伏板、风力发电机、水力发电机中的一种或多种，其中太阳能光伏板、风力发电机和水力发电机与储电模块相连接，太阳能光伏板安装于模块化屋顶上方，且与水平面呈夹角设置，风力发电机固定于丙烯酸涂层模块上部通风处，水力发电机设置于雨水积水流动的水层调温模块内，以上自发电设备其将吸收的能量转换为电能，通过内部输电线路将电能存储于储电模块的蓄电池组中，

以上各模块均经过标准化生产，在施工现场进行组装拼接。

在上述技术方案中，所述的水层调温模块的管路尺寸为：直径0.06m，壁厚0.0044m，管路中轴间距0.3m，管路排布数量3.3根/平方米。

在上述技术方案中，所述智能化控温模块包含以下功能：

自动测温：系统实时自动测温并将数据通过与单片机串联体现在LCD电子屏幕上，方便用户的观察与使用；支持APP控制：可以通过手机APP程序控制定位角度，人工控制通风模块的开闭，进而影响温度的升降，确保用户具有充分的自主性；智能化：用户可通过手机APP设置温度范围，系统经过运算后自动调整通风模块的定位角度，利用通风控温，节能减耗。

在上述技术方案中，所述丙烯酸涂层模块采用产品化生产的S600丙烯酸涂料，施工时涂层厚度为3mm。

智能化控温模块

本技术方案中的智能化控制模块的主控模块采用Arduino UNO R3，Arduino是一块基于开放原始代码的Simple i/o平台，并且具有开发语言和开发环境都很直观，它由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成。Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制电机和其他物理设备。

树莓派3B：是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个10/100以太网接口，同事拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能，其系统基于Linux。

本系统运用了AVR微处理器，传感器，串口通信，蓝牙通信和大扭矩总线型舵机。具体而言，首先由采集气温，湿度，空气质量，一氧化碳浓度等传感器测量并收集数据，将其传输到单片机处理后通过蓝牙串口传输到用户的手机APP客户端，可以由用户实时操控或由用户预先设定好的阈值进行相应的开关门窗和调节水路等操作，如图12所述。

系统中采用的传感器如下：DSB1820温度传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MQ-135空气质量传感器、雨滴传感器模块和HC-06蓝牙模块，以上各传感器和蓝牙模块均为市面常见的型号，均可通过零售商或网络渠道进行购买。在进行具体实施时：DSB1820模块可直接输出摄氏温度，雨滴传感器可以检测到降水，MQ-135空气质量器传感器与MQ-7一氧化碳传感器可通过所给出的函数求出相应的值。通过从这些传感器获得的综合数据来实现开关门窗，控制水路，危险报警等操作。SI24R12.4G无线收发模块将以上操作数据包含其时间节点等信息，传输给树莓派进行存储。具体如下：

1、空气质量传感器函数：

函数说明：pin为模拟信号所读取的值，大小介于0-1023，t为此时气温，h为此时湿度。

350ppm：健康，正常的户外水平。

450ppm：可接受水平。

600ppm：不自然，有异味。

1000ppm：令人头晕。

2500ppm：不利健康。

2、一氧化碳传感器函数：

函数说明：Rs为实测阻值，Ro为在洁净空气中的电阻值。

50ppm：成人置身其中所允许的最大含量。

200ppm：2-3小时后有轻微头痛、头晕、恶心。

400ppm：3小时后有生命危险。

800ppm：45分钟内头痛，2-3小时内死亡。

水层调温模块实验数据与计算数据

新型屋顶水层模块采用网孔式结构，设L为正方形网孔边长，H为水层高度。根据热量计算公式可得，一个L×L网孔内的热量变化和温度变化的关系为：ΔQ＝cmΔT＝cρL²hΔT。

其中c为比热容，m为质量且m＝ρ·V＝ρ·L²·h，ΔT为温度差。

根据传热公式可得，水层与夹层热空气的热交换速率为：

其中λ为传热系数，A为换热面积且A＝4L·h，b为介质厚度，ΔT＝T_热-T_冷为温差。

因为冷水在不断的流动，可视为是恒温冷源，即T_冷不改变，将其视为常量。热空气热量在热交换过程中不断减小，设初始温度为T₀，温度改变量为dT，即T_热＝T₀-dT。

可知单位时间一个网孔内的热量改变量为：

且等于水层与夹层热空气的热交换速率，即：

可得一阶线性非齐次微分方程：

解得：

T热函数图如图12所述，其中，c＝1.01KJ/kg·℃ρ＝1.205kg/m³，h＝0.06m，λ＝0.24W/m·K，b=0.0044m，T₀＝40℃，T_冷＝16°。

代入可得：T_热＝16+24e^-0.1417t/L(注：L为一个待定常数)

由图像可知得当L＝0.3m时，夹层热空气层能在1h中下降至30℃左右，为最优解。

发电储电一体模块电能转化效率分析

1.太阳能电池：

综合考虑太阳能电池各种材料的性价比，本技术方中采用单晶硅太阳能电池。单晶硅是硅系太阳电池中转换效率最高的电池,占地面积小且操作较为简便。实际测得最高转换效率为24.7％，规模化生产时的效率为16％-18％，在本模块化智能屋顶发电储电一体模块中涉及的计算中，光电转换效率取16％。按照不同的排列方式，可以将其组成不同功率的组件，满足不同负载的使用。太阳能与电能转化分析如下：

上式是Marco.Bernardi提出的一种计算太阳能转换成电能效率的方法，本课题组的实验当中，所使用的太阳能的形状规则、面积便于计算，光电参数容易从实验当中测量获得，将微积分结果进行化简以后得到了如下公式：

公式当中的工作电压和工作电流可以在实际模型上测得，电池面积可直接测量计算，光照幅度采用硅兰光伏探测器测得。经过实地测量与计算，模型测验所采用的太阳能光电板面积为功率为4WP，可输出直流电压6V，足以达到实际生活中的性能要求。

2.风力发电机：

根据实际工程需要，采取了一款市面上较为普遍的功率型号为GM5型的三相交流永磁风力发电机，额定功率为1000W，额定电压为48V。实际应用时主机净重为30KG为宜，内部磁钢材料建议采用钕铁硼，外壳材料采用压铸铝，叶片材质采用尼龙纤维。

其中：

由于风力发电机的运行状态受环境条件以及风机的实度(叶片总面积与扫过的面积之比)等因素的影响较大。经过实地测量与计算，本方案所采用的的风力发电机功率为8-10W，经过多次测量当电机转速与电压有以下对应关系120rad/min——6V、220rad/min——12V，在实际生活中的普通环境条件下足以满足机电系统所需。

3.水力发电机：

根据市面上常见的水轮发电机设计进行仿造设计(如图13所示)，并用3D打印机进行加工制作，根据参考文献中的水轮机经验特性曲线，可将力矩m_t和流量q表示为导叶开度a、转速n、水头相对偏差h的传递函数

水轮机综合特性曲线如图14所述，式中：e_a、e_n、e_h分别为力矩对导叶开度、转速、水头的传递系数；e_qa、e_qn、e_qh分别为流量对导叶开度、转速、水头流量的传递系数。

而对于大波动的水轮机机械特性呈现为非线性，其传递函数为

由水轮机综合特性曲线图可知，传递函数e_a和e_qa分别可表示为

式中：M′_Ii为i点的单位力矩；M′_Ir为额定工况点力矩；a_i为i点的单位导叶开度；a_max为导叶最大开度；Q′_Ii为i点的单位流量；Q′_Ir为额定工况点流量；h₀为稳定工况点水头；h_r为额定工况点水头。

通过分析水轮机的数学模型，考虑水轮机管道中的水击现象对流量、力矩和水头的影响以及其中的四个传递函数。对于本项目所自组的微型水轮机，其应用时所对应的转速变化率小于或等于5rad/s，此时水轮机管道中的水击影响不大，因此可将水轮机的稳态特性用于动态特性研究中。经过实地测量与计算，本项目的自组装水力发电机输出电压与进水压强关系如图15所示。数据表明日常雨水积水的自然流动所产生的电量存储起来足以满足控制系统的性能要求。

4.蓄电池：

本方案中采用的是市面上较常见的储能用蓄电池，化学类型是锂离子蓄电池，电池盖和排气栓结构为阀控式密闭蓄电。

模型实地实验与测试结果

1实验方法

考虑到光照强度、风力等环境因素多变不易于实验时控制变量因素，本项目采用模拟实验法：用自制1:1比例屋顶模型模拟真实情况下的屋顶，并采用功率稳定的暖光源照射模拟太阳光，在每天的固定时段，把不同模块的组合分别安装在房屋模型上，每10分钟观察记录一次数据，连续观察记录1个小时，累计测量7天。收集足够数据后排除多次实验中误差较大的数据组，降低整体误差。

2模拟实验过程

模拟实验过程通过基于arduino的程序设计，实现自动化测温。即利用单片机的计时器功能，编程设定时间参数，回传到电脑上记录数据，实现实验测量的智能化。为排除无关因素影响，设置对照组参照实验，组员分工协调确保间隔一定时间巡逻观察。

3数据分析

实验结束后，通过导出单片机回传到电脑的数据库，排除异常数据后，经由Excel处理为直观化图表。模块化屋顶隔热效果实测如图15，图16所示，经过严密的数据统计与分析，不同组合形式的模块化智能屋顶都产生了明显的隔热效果，因此可以说明本项目具有极强的可行性与实用性，极大地推进了建筑产业节能减排的改革与发展。模块化智能屋顶在保温方面可实际应用。

4实地测量

实验人员在每天的固定段，把水层模块、新型丙烯酸涂层以及通风模块的组合安装在房屋模型上，并设置传统屋顶对照组，每10分钟观察记录一次数据，连续观察记录1个小时，累计测量7天，取此时段内的温度数据平均值。数据结果显示，该时段内本模块化智能隔热保温屋顶平均温度为31.4℃，而传统屋顶的平均温度为40.1摄氏度，相较之下降低了8.7℃。

在同等环境条件下，采用TPJ1功率计量仪测量得一个体积为52m³的空间经由型号为KFR-35GW的空调降低同等温度需要消耗0.3058千瓦时。在该模块组合形式下，由实地测量实验数据可以得出，市场上较普遍的型号为KFR-35GW空调降低8.7℃单位体积(1m³)所需耗能0.00588KW·H，空调制冷能耗为：

W＝0.00588·(S_实际＋S_修正)·H

同理，不同地区采用不同的模块化屋顶组合，且充分考虑到现实生活中房间里的空气流动、空气的含湿量、空调的制冷质量和人的活动等各个影响因素，空调智能能耗公式为：

W＝β_修正·Ｗ_测·S_实际·H

其中β_修正为能耗的总修正系数，S_实际为建筑实际制冷面积，Ｗ_测为不同模块化屋顶组合实地实验所测得的单位体积能耗，H为建筑楼层高度。

借助中国建筑节能减排产业联盟所提供的相关行业数据，可将全国划分为8大地区，根据不同地区特征采用不同的修正系数β_修正(如表所示)代入计算，确保计算结果的准确度。

表1全国八大地区的修正系统与地区特征表

将以上数据代入计算机中已定义函数，经由反复运算验证后，计算结果显示，如果在全国范围内采用本项目组所设计的模块化智能隔热保温屋顶所能达到的隔热效果，相较于通过空调制冷以达到相同目的，在全国范围内所需能耗粗略计算约为：8.8亿千瓦时。

以上对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。