一种太阳能智能被动式建筑系统的制作方法

本发明涉及新能源房屋技术领域，具体涉及一种太阳能智能被动式建筑系统。

背景技术：

远古时期人类为了生存，也为了更好的适应自然环境，抗御自然灾害和野生动物的伤害，发明了房屋。随着人类科学建筑的技术的进步，房屋由最初的自然山洞到兽皮帐篷，到木屋、泥巴房屋，到各式各样的民居和金碧辉煌的宫殿，再到功能齐全的现代化建筑。现在社会蓬勃发展，处处都是高楼大厦。随着科技的发展，房子的建筑模式也变得多种多样。房子已经成为了人们生活中一个不可或缺的部分。但是作为能源消耗大国，我国2015年的建筑能耗占到了总能源消耗的33.6％，不过随着节能建筑，可持续发展等理念的提出，房屋能源节约技术逐渐受到人们的关注。

由于中国是一个发展中国家，人口众多，人均能源资源相对匮乏。人均耕地只有世界人均耕地的1/3，水资源只有世界人均占有量的1/4，已探明的煤炭储量只占世界储量的11％，原油占2.4％。每年新建建筑使用的实心粘土砖，需消耗土地12万亩。物耗水平相较发达国家，钢材高出10％--25％，每立方米混凝土多用水泥80公斤，而建筑污水回用率仅为25％。国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能迫在眉睫。

我国现有建筑面积为400亿m²，绝大部分为高能耗建筑，且每年新建建筑近20亿m²，其中95％以上仍是高能耗建筑。仅到2000年末，我国建筑年消耗商品能源共计3.76亿吨标准煤，占全社会终端能耗总量的27.6％，而建筑用能的增加对全国的温室气体排放“贡献率”已经达到了25％。因高耗能建筑比例大，单北方采暖地区每年就多耗标准煤1800万吨，直接经济损失达70亿元，多排二氧化碳52万吨。如果任由这种状况继续发展，到2020年，我国建筑耗能将达到1089亿吨标准；到2020年，空调夏季高峰负荷将相当于10个三峡电站满负荷能力，这将会是一个十分惊人的数量。庞大的建筑能耗，已经成为国民经济发展的巨大负担。因此建筑全面节能更加势在必行。

全面的建筑节能有利于从根本上促进能源资源节约和合理利用，缓解我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾。解决的方案是在建筑规划和设计时，根据大范围的气候条件影响，针对建筑自身所处的具体环境气候特征，重视利用自然环境(如外界气流、雨水、湖泊和绿化、地形等)创造良好的建筑室内微气候，以尽量减少对建筑设备的依赖。

传统建筑具体措施可归纳为以下三个方面：采取合理的外部环境设计，主要方法为在建筑周围布置树木、植被、水面、假山和围墙；合理设计建筑形体，包括建筑整体体量和建筑朝向的确定，以改善既有的微气候；合理的建筑形体设计，是充分利用建筑室外微环境来改善建筑室内微环境的关键部分，主要通过建筑各部件的结构构造设计和建筑内部空间的合理分隔设计得以实现。同时，借助相关软件进行优化设计。

传统的古老建筑，尤其是西北等地农村的土坯房虽无设计美感，但夏秋居住体验较好。主要就是因为所使用的建筑材料是泥土。因材料强度低所以墙做的很厚，厚度能超过普通砖墙的两倍，这样的厚度太阳直晒的温度很难在短时间内到达室内，当外部墙体已经温度很高了的时候也已经是黄昏时间了，夜间墙体内储存的热量可以向室内辐射，能适当的维持室内的温度，而且这种房子的窗子因为材料原因不会开太大，也减少了温度的散失，从而降低昼夜温差。然而，因门窗较小，白天室内光线昏暗，且通风效果不较差。在寒冷季节，必须依赖炉火等主动取暖措施来维持室温。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的问题，本发明提供一种太阳能智能被动式建筑系统，能够通过用户情况最大限度利用所处环境中的太阳能、风能及其他可再生能源的建筑，同时建筑的外墙、门窗和房顶各围护部分使用隔热保温与单向导热组合设计，能够防止室内温度受外部环境的影响并采集室外热源，维持室内温度的舒适性同时节约能源。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种太阳能智能被动式建筑系统，包括单向导热保温墙体、电力能源模组、通风换热模组和导光照明模组；

单向导热保温墙体包括外墙主体、保温隔热层和热二极管组件，所述保温隔热层安装于外墙主体外层和/或内层，所述热二极管组件包括蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发段设置于外墙主体外侧，冷凝段设置于外墙主体内侧，绝热段设置于外墙主体和保温隔热层内；

电力能源模组包括太阳能电池、风力发电机和蓄电池，所述太阳能电池覆盖建筑顶部与南向墙体，建筑顶部安装风力发电机，电力能源模组通过电路与蓄电池及室内电取暖设施相连；

通风换热模组包括进风口、底进风管道、排风口和顶排风管道，所述底进风管道设置于建筑的底部且进风口与地面相贴，顶排风管道设置于建筑的上部且排风口开于屋顶；所述通风换热模组通过烟囱效应将建筑顶部热浊空气排出，底部吸入冷的新鲜空气，从而形成自然对流通风；

导光照明模组包括采光罩、导光管和漫射装置，所述采光罩南向设置于建筑室外，所述导光管内设置有导光反射层，所述漫射装置布置于建筑室内，具体通过采光罩采集室外自然光线并导入导光管重新分配，再经过导光管传输后由底部连接的漫射装置把自然光漫散照射到室内。

优选的，所述热二极管组件为重力式热二极管热管，是仅允许热流向室内方向流动，而不允许向相反的室外方向流动的热管。具体优选地，内含的冷凝剂通过重力场和加速压差的作用下流向冷凝段，并在冷凝段放出热量凝结为液体；冷凝剂液体依靠重力作用流回蒸发段；然后继续蒸发-冷凝循环，如此实现热量从蒸发段到冷凝段的传递和冷凝剂工质在管内的循环。

更优选的，单向导热保温墙体还包括集热板和散热板，若干热二极管分别安置于集热板和散热板之间，其中作为蒸发段的横管固接在涂有黑色涂层的集热板上，而作为冷凝段的横管则固接在散热板上，作为绝热段的倾斜管两端分别通过球头与蒸发段横管和冷凝段横管铰接，以实现竖直方向上的高低位置调节。

在寒冷季节中，白天，调节绝热段的倾斜管倾斜角度，使集热板处的蒸发段低于散热板处的冷凝段，通过冷凝剂吸收室外热量汽化，并在冷凝段凝结放热，把热量从室外带至室内；晚上，调节倾斜管使蒸发段高于冷凝段，由于室内温度高于室外，热二极管处于反向截止状态，起到热阻隔作用，防止室内温度散失，从而降低室内昼夜温差。

所述保温隔热层优选为石棉层或阻燃发泡聚合物层，更优选为阻燃聚氨酯泡沫板。

所述外墙主体优选为钢筋混凝土结构、钢构或玻璃钢复合结构。

优选的，太阳能电池为对光有响应并能将光能转换成电力的器件，含有能产生光伏效应的材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜中的至少一种。各材料发电原理基本相同。在单晶硅太阳电池中，p型晶体硅经过掺杂磷可得n型硅，形成p-n结；当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在p-n结两侧集聚形成了电位差；当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。因此，太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，相对于普通电池和可循环充电电池来说太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。

将太阳能电池板布放于房顶，既能通过光照获取能源又能阻挡阳光对建筑物的直射降低建筑物温度，一举两得。由工作原理可以知道，单一太阳能电池受光照条件的影响较大，阴天或者光照不佳时发电效率低。为了解决这个问题需要风力发电机相配合，作为辅助能源来源，并通过蓄电池储存电能。当光照好时太阳能电池富余的电能储存在蓄电池内，有风的天气风力发电机工作进行发电，只有当光照不佳同时没有风的时间才利用蓄电池电量供电。本发明具体可采用常规的商业化风力发电机以及蓄电池来进行实施。

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机由风轮、发电机、尾翼调向器、塔架、限速安全机构和储能装置各构件组成。风力发电机的工作原理为，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。广义地说，风能也是太阳能的二次能源，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能发电机。

蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。

优选的，所述通风换热模组还包括废气管道和换热器，所述废气管道通过换热器与进风管道相缠绕，将废气管道中待排放废气热量转移至进风空气。所述废气管道优选包括厨房排烟管道、卫生间排气管道和餐厅排气管道。

所述烟囱效应是利用建筑内部空气的热压差来实现建筑的自然通风，具体利用热空气上升的原理，在建筑上部所设的排风口将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部的进风口被吸入。换热器是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的工业应用。

所述导光照明模组是一套采集天然光，并经管道传输到室内，进行天然光照明的采光系统，作为一种无电照明系统，采用这种系统的本发明建筑白天可以利用太阳光进行室内照明；从黎明到黄昏，甚至阴天，经导光管导入室内的日光照明光线仍然很充足。

进一步，其还包括雨水回收组件，雨水回收组件包括回收槽、地下蓄水池和供水泵，回收槽设置于屋檐除，并通过管道与地下蓄水池连通，地下蓄水池通过供水泵向建筑内供水。本发明的房檐处参考南方民居天井的结构设计回收槽收集雨雪，将房顶和天井落雨通过管道收集起来经过去杂进行回收处理，通过泵送过滤用做平时的日常非饮用水，降低对自来水的消耗。

进一步，其还包括ar建模组件，所述ar建模组件包括ar显示模块和ar存储模块，在建筑设计初期同期建模制作并引入，将整个建筑的管道、线路、结构和部件信息导入ar存储模块；在建筑使用过程中通过ar显示模块能够看到房屋各部位的内部隐藏结构和安装部件的详细信息，展现出各个部位内的管线连接状态。

所述ar建模组件能够便于后期房屋的维护和保养。例如，在墙壁上想要打入一个钉子，通过ar眼镜可以清楚地来了解在这一区域有没有管道、线路等设施，防止对房屋的部件造成损坏。再例如，通过ar眼镜能够发现管道内的密封圈是否到了使用寿命年限，并进行相应更换，避免围护的遗漏造成的不必要损失。

本发明所带来的综合效果包括：本发明综合运用墙体保温、单向导热、烟囱效应和导光照明技术，通过提高建筑物的保温要求来降低能耗损失，利用传统土坯房优点；并利用自然通风来维持适宜的环境温度降低对空调的依赖程度，使用节能玻璃窗、光导管等进行日间室内照明节约照明能源，解决了传统建筑采光难通风差的问题，同时被动维持室温；使用可再生太阳能风能作为化石能源的替代，并作为室温补偿能源；增加雨水收集系统，充分利用降水，将其处理后用作生活用水；引入ar技术，与建筑的设计、施工和围护相关联，做到使用者在整个建筑物的使用周期内全程可参与可获知相关的信息数据，让使用者方便安心并便于维修保养。本发明实现了被动式建筑物的绿色环保与智能采暖，能源上基本自给自足，将对环境的影响降至最低，人与建筑能够互动了解。

附图说明

图1是本发明实施例太阳能智能被动式建筑系统的结构框图。

图2是本发明实施例太阳能智能被动式建筑系统的单向导热保温墙体结构框图。

图3是本发明实施例太阳能智能被动式建筑系统的单向导热保温墙体截面结构示意图。

图4是本发明实施例太阳能智能被动式建筑系统的电力能源模组结构框图。

图5是本发明实施例太阳能智能被动式建筑系统的通风换热模组结构框图。

图6是本发明实施例太阳能智能被动式建筑系统的导光照明模组结构框图。

其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

实施例

一种太阳能智能被动式建筑系统，如图1所示，包括单向导热保温墙体、电力能源模组、通风换热模组和导光照明模组；

如图2-3所示，单向导热保温墙体包括外墙主体1、保温隔热层2和热二极管组件3，所述保温隔热层2安装于外墙主体外层和内层，所述热二极管组件3包括蒸发段31、绝热段32和冷凝段33，蒸发段31设置于外墙主体1外侧，冷凝段33设置于外墙主体1内侧，绝热段32设置于外墙主体1和保温隔热层2内；

电力能源模组包括太阳能电池、风力发电机和蓄电池，所述太阳能电池覆盖建筑顶部与南向墙体，建筑顶部安装风力发电机，电力能源模组通过电路与蓄电池及室内电取暖设施相连；

通风换热模组包括进风口、底进风管道、排风口和顶排风管道，所述底进风管道设置于建筑的底部且进风口与地面相贴，顶排风管道设置于建筑的上部且排风口开于屋顶；所述通风换热模组通过烟囱效应将建筑顶部热浊空气排出，底部吸入冷的新鲜空气，从而形成自然对流通风；

导光照明模组包括采光罩、导光管和漫射装置，所述采光罩南向设置于建筑室外，所述导光管内设置有导光反射层，所述漫射装置布置于建筑室内，具体通过采光罩采集室外自然光线并导入导光管重新分配，再经过导光管传输后由底部连接的漫射装置把自然光漫散照射到室内。

所述热二极管组件为重力式热二极管热管，是仅允许热流向室内方向流动，而不允许向相反的室外方向流动的热管。具体地，内含的冷凝剂通过重力场和加速压差的作用下流向冷凝段，并在冷凝段放出热量凝结为液体；冷凝剂液体依靠重力作用流回蒸发段；然后继续蒸发-冷凝循环，如此实现热量从蒸发段到冷凝段的传递和冷凝剂工质在管内的循环。

单向导热保温墙体还包括集热板4和散热板5，若干热二极管3分别安置于集热板4和散热板5之间，其中作为蒸发段31的横管固接在涂有黑色涂层的集热板4上，而作为冷凝段33的横管则固接在散热板5上，作为绝热段32的倾斜管两端分别通过球头与蒸发段31横管和冷凝段33横管铰接，以实现竖直方向上的高低位置调节。

在寒冷季节中，白天，如图3所示，调节绝热段的倾斜管倾斜角度，使集热板4处的蒸发段31低于散热板5处的冷凝段33，通过冷凝剂吸收室外热量汽化，并在冷凝段33凝结放热，把热量从室外带至室内；晚上，调节倾斜管使蒸发段31高于冷凝段33，由于室内温度高于室外，热二极管3处于反向截止状态，起到热阻隔作用，防止室内温度散失，从而降低室内昼夜温差。

所述保温隔热层2为阻燃发泡聚合物层，具体为阻燃聚氨酯泡沫板。

所述外墙主体1为钢筋混凝土结构。

太阳能电池为对光有响应并能将光能转换成电力的器件，含有能产生光伏效应的材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜中的至少一种。各材料发电原理基本相同。在单晶硅太阳电池中，p型晶体硅经过掺杂磷可得n型硅，形成p-n结；当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在p-n结两侧集聚形成了电位差；当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。因此，太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，相对于普通电池和可循环充电电池来说太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。

将太阳能电池板布放于房顶，既能通过光照获取能源又能阻挡阳光对建筑物的直射降低建筑物温度，一举两得。由工作原理可以知道，单一太阳能电池受光照条件的影响较大，阴天或者光照不佳时发电效率低。为了解决这个问题需要风力发电机相配合，作为辅助能源来源，并通过蓄电池储存电能。当光照好时太阳能电池富余的电能储存在蓄电池内，有风的天气风力发电机工作进行发电，只有当光照不佳同时没有风的时间才利用蓄电池电量供电。本发明具体可采用常规的商业化风力发电机以及蓄电池来进行实施。

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机由风轮、发电机、尾翼调向器、塔架、限速安全机构和储能装置各构件组成。风力发电机的工作原理为，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。广义地说，风能也是太阳能的二次能源，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能发电机。

蓄电池是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常是指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出，比如生活中常用的手机电池等。

所述通风换热模组还包括废气管道和换热器，所述废气管道通过换热器与进风管道相缠绕，将废气管道中待排放废气热量转移至进风空气。所述废气管道包括厨房排烟管道、卫生间排气管道和餐厅排气管道。

所述烟囱效应就是利用建筑内部空气的热压差来实现建筑的自然通风，具体利用热空气上升的原理，在建筑上部所设的排风口将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部的进风口被吸入。换热器是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的工业应用。

所述导光照明模组是一套采集天然光，并经管道传输到室内，进行天然光照明的采光系统，作为一种无电照明系统，采用这种系统的本发明建筑白天可以利用太阳光进行室内照明；从黎明到黄昏，甚至阴天，经导光管导入室内的日光照明光线仍然很充足。。

进一步，其还包括雨水回收组件，雨水回收组件包括回收槽、地下蓄水池和供水泵，回收槽设置于屋檐除，并通过管道与地下蓄水池连通，地下蓄水池通过供水泵向建筑内供水。本发明的房檐处参考南方民居天井的结构设计回收槽收集雨雪，将房顶和天井落雨通过管道收集起来经过去杂进行回收处理，通过泵送过滤用做平时的日常非饮用水，降低对自来水的消耗。

进一步，其还包括ar建模组件，所述ar建模组件包括ar显示模块和ar存储模块，在建筑设计初期同期建模制作并引入，将整个建筑的管道、线路、结构和部件信息导入ar存储模块；在建筑使用过程中通过ar显示模块能够看到房屋各部位的内部隐藏结构和安装部件的详细信息，展现出各个部位内的管线连接状态。

所述ar建模组件能够便于后期房屋的维护和保养。例如，在墙壁上想要打入一个钉子，通过ar眼镜可以清楚地来了解在这一区域有没有管道、线路等设施，防止对房屋的部件造成损坏。再例如，通过ar眼镜能够发现管道内的密封圈是否到了使用寿命年限，并进行相应更换，避免围护的遗漏造成的不必要损失。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。