三、品牌专业、特色专业建设点的管理 - haedugovcn.doc

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1、河南省高等学校大学生创新训练计划项目申报表推荐学校：华北水利水电大学（盖章）项目名称：具有光伏板的双层呼吸幕墙结构和热力学参数的实验研究项目编号：202010078004项目层次： 重点项目 一般项目所属一级学科名称：能源科学技术项目负责人：吴召昱联系电话：15690865581指导教师：康张阳联系电话：13017689899申报日期：2020.06.28河南省教育厅 制项目名称具有光伏板的双层呼吸幕墙结构和热力学参数的实验研究项目关键词双层呼吸幕墙 光伏板项目所属一级学科能源科学技术项目层次（ P ）重点项目 （ ）一般项目 项目实施时间起始时间： 2020 年 6 月 完成时间： 2021

2、 年 6 月项目简介(200字以内）本项目通过采用实验测量与数值计算的方法，优化了安装有光伏板的双侧呼吸幕墙结构和热力学参数。研究不同季节的昼夜温差、空气间层厚度以及流速之间的运行机理，分析光伏板工作角度对呼吸幕墙空气间层之间空气流动的影响，通过CFD计算确定最佳的空气间层厚度、光伏板大小及工作角度，从而达到最佳的建筑节能和采光效果。申请人或申请团队姓名年级学号所在院系/专业联系电话E-mail主持人吴召昱20172017140008环境与市政工程学院建筑环境与能源应用成员芦拓2017201714426环境与市政工程学院环境工程孔纯盛2017201714001环境与市政工程学院建筑环境与能源应

3、用康云飞2017201713929环境与市政工程学院建筑环境与能源应用杜祥飞2017201714016环境与市政工程学院建筑环境与能源应用指 导 教 师第一指导教师姓名康张阳单位华北水利水电大学环境与市政工程学院年龄37专业技术职务讲师主要成果1.指导项目参加河南省“互联网+”大学生创新创业大赛，获得一等奖；2.目前已发表科研论文23篇，其中SCI收录5篇，国际会议论文3篇，EI收录论文8篇，已授权发明专利3项，已申请尚未授权发明专利5项；3.2010年获得工程热物理年会青年优秀论文二等奖；4.2014年参与大型燃煤锅炉炉膛流动传热燃烧控制技术与应用项目并获得上海市科技进步奖二等奖；5.201

4、6年获得西安交通大学陶文铨奖学金；6.2017年指导的大学生创新创业训练项目结项评价是优；7.2017-2019连续三年指导全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛大赛并获得国家级三等奖；8.2019年指导第七届“绿源杯”大学生节能减排社会实践与科技竞赛并获得校级三等奖；9.指导第四届、第五届“华彩杯”大学生创新创业大赛并获得校级三等奖。一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）1.自身具备的知识条件、特长团队的成员在平时的学习中成绩优秀，有着扎实的专业基础，拥有一定的研究和分析应用能力，能够熟练应用CAD、SOILDWORKS、SNAGIT等软件；2.已有的实

5、践创新成果2018年参加第四届“华彩杯”创业大赛并获得院级二等奖；2019年参加第五届“华彩杯”创业大赛并获得院级优秀奖；2019年参加第五届“互联网+”创新创业大赛并获得省级三等奖；2019年参加第七届“绿源杯”大学生节能减排大赛并获得校级三等奖；2019年参加首钢京唐杯全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛并获得国家级三等奖。二、项目方案具体内容包括：1、项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）（1）国内外研究现状及研究意义能源是发展国民经济、提高人民生活质量的重要的物质基础。为适应人类可持续发展,世

6、界各国大力开发可再生能源,力图摆脱依赖常规能源的现状。光伏双层幕墙正是利用太阳能等可再生能源与现代建筑的完美结合。基于本课题，该部分将就此进行阐述:在1991年慕尼黑最大的建筑行业展览会上，德国的旭格公司首先展出了光电幕墙1，这是一个发展项目，也是将光能应用于建筑装饰业的开始，引起了专业人士的关注。XRY 节能装饰板幕墙系统：XRY 节能装饰板是新日月集团联合武汉理工大学共同研究开发出用于建筑外墙保温装饰的一种新型节能装饰材料2。XRY 节能装饰板是由绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料为芯材，面材有各种石材、纤陶板、铝板、铝塑板及表面喷氟碳金 属漆等。背面材料有各类金属板或用特制的玻璃纤维水泥石英砂浆

7、抹面，各层材料之间由特殊粘合技术进行复合。该幕墙系统采用了保温功能很好的 XRY 节能装饰板，经测试可满 足节能65% 的要求。这一幕墙系统由于将保温和装饰在工厂进行了机械化合成，减少 了工人现场作业工序和时间，从而降低了造价。中国电谷锦江国际酒店的光伏幕墙发电量可达0.3MW，相当于1个小型发电站，发出来的电直接并入电网。3在外围护结构方面，大厦屋顶采用了5cm厚挤塑聚苯板保温，外墙采用5cm厚挤塑聚苯板抹灰系统，外窗则采用低能耗中空玻璃铝合金窗。在太阳能并网发电技术应用上，大厦主楼南立面5-24层采用的是呼吸式太阳能玻璃幕墙。世博会阿尔萨斯馆提供一种水幕太阳能呼吸式幕墙系统4,可以充分利用

8、太阳光并具有有效隔热效果,从而降低了能源的消耗。杭州市滨江区的公司南立面安装了薄膜电池光电幕墙，幕墙总安装面积2400m2，安装功率约为 180kW。项目共安装双结薄膜电池1600块，其中不透光组件有1200块，透光组件有 400块。5根据光电幕墙的结构、组件规格与布置，将整个光电幕墙分成两部分，一部分通过7台汇流箱汇集到一台100kW逆变器，另一部分通过4台汇流箱汇集到 一台 30kW 逆变器，经过逆变器逆变后并入电网。 组件选用正泰太阳能的双结薄膜电池组件，根据安装位置的不同分为透光和不透光两种，在楼层采光的部位安装透光组件，在不需要采光的部位(两层楼之间)安装不透光组件。薄膜组件完全满足

9、建筑玻璃要求，分为夹层玻璃和中空玻璃。有一种新的光伏建筑一体化概念产品及其设计通风换气式光伏幕墙(VPVCW)6。该幕墙采用薄膜光伏组件做发电系统,通风换气式幕墙做结构主体,融合了热通道技术和光伏发电技术,具有明显的隔热、隔声、充分利用阳光、节能、装饰等功能,还能将太阳能转化成电能,与环境有很好的相容性。Green yes多功能光伏幕墙，光伏组件以45倾斜于立面接受更多的阳光，凭借CFD技术，分析光伏组件背部空腔的空气流动规律，对铝板穿孔位置和穿孔率进行优化，实现对自然风的有效利用7。在夏季形成外通道，上下穿孔铝板形成的烟囱效应将光伏组件产生的热量排至室外，提高组件发电效率的同时防止热量传入到

10、室内;在冬季形成的内通道，光伏组件加热的空气被引向室内，在发电的同时，为室内提供采暖和一定的新风量;春秋过渡季节以及夜晚，根据需要自助调节，让建筑自然通风、自由呼吸。同时深挑檐能有效遮挡3月至9月的正午太阳光进入室内，同时，也不影响10月至次年2月的正午阳光进入室内。多克斯福德国际办公楼：建筑从平面上呈 “V”字型（图2），南立面是66m长的倾斜幕墙，与地面倾角为60，倾斜光伏幕墙的布置方式 使太阳能电池获得最大的太阳辐射，光电转化率最高。同时这样的建筑布局也使得中庭好比“热缓冲间”，成为室内微气候的调 节器，在冬季减少室内采暖负荷，在夏季利用自然通风将多余的热量带走8。在建筑细部设计上，光伏

11、幕墙把不透明的多晶体硅太阳能电池集成于透明的玻璃，幕墙上将光伏模块与透明玻璃模块间隔布置，950m2的幕墙有650m2是光伏模块，其余是透明玻璃模块。这样设计产生了奇妙的视觉艺术效果，阳光透过光伏幕墙在室内中庭形成了斑驳的光影。为避免中庭过热，中午前后太阳辐射较强时幕墙后的垂帘可以放下来。幕墙底部的进风口开启时，气流会沿着光伏幕墙的背面上升，有助于光伏组件降温。汉能控股集团有限公司光伏连廊：采用硅基薄膜光伏组件9，为满足分格尺寸要求和热工性能要求，先将不同尺寸的池芯片进行拼接，然后将其制作成中空结构。如立面幕墙光伏构件，采用两种不同尺寸的 6片电池芯片进行拼接并制成中空结构，整个光伏构件共采用

12、4层玻璃， 其中有 3 层尺寸为3376 mm1438 mm8 mm 的大片钢化玻璃，第二层为 6 片 3.2 mm 厚的电池芯片。光伏构件上共有 6 个玻璃支承孔，室内侧孔直径为 45 mm，室外侧孔直径为 40 mm，为保证支承孔处的电气安全，对其进行双道绝缘。光伏连廊立面幕墙采用点支承幕墙安装方式，光伏连廊采光顶采用隐框幕墙安装方式。节能环保型单元式光伏幕墙:太阳能光伏组件安装在本工程南侧伏幕墙电池组件10在立面上安装倾角为77。光伏电池组件采用288块224Wp的多晶硅BIPV组件，玻璃配置为6mm低铁超白钢化玻璃1.14PVB多晶硅电池片1.14 PVB8mm钢化玻璃,光伏电池组件总

13、安装面积约6302，预计光伏容量为64.512KW,预计年发电量为5.6万度。综上所述，国内外的研究推动了光电幕墙的发展，国内外学者的研发思路多是从改变太阳能光伏板的材料和玻璃的材质等，然而光伏板的工作角度和光伏板和内呼吸幕墙的降温方式以及空气间层宽度往往会被忽略。因而本课题以确定光伏板的工作角度和空气间层最佳宽度以及降温为主，从而使光伏板蓄热效率增加且增加与室内的通风换气，最终到达建筑节能。参考文献：1 曾莹莹，李书琴，薄膜光伏技术在双层幕墙中的应用，建筑科学,2011,272 贺劼,光电幕墙：真正的“绿色幕墙”,建设科技2005(13)1671-39153 曾莹莹，李书琴，薄膜光伏技术在双

14、层幕墙中的应用，建筑科学,2011,27 (6) :49-524 李钊明，光伏系统利用:世博会阿尔萨斯馆，城市住宅 , 2011 (9) :56-565 周承军罗易仇展炜,薄膜太阳能光电幕墙的应用分析,太阳能,2011(9)1003-04176 黄小民，曾莹莹，通风换气式薄膜光伏幕墙的研究，新型建筑材料 , 2011 , 38 (6) :92-947 珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，主、被动式技术的巧妙结合之“Green Yes Building ”多功能光伏幕墙的设计分析，建设科技，2015, 128 徐燊，袁红宇，英国光伏建筑从多克斯福德国际办公楼说起，

15、华中建筑 Huazhong Architecture 2016(10)1003-739X9 孙杰 刘广斌 张远南 陈大英 陈文华，薄膜硅点支承光伏幕墙和光伏采光顶实际案例分析,上海节能2016(03)2095-705X10 刘树鹏,单元式光伏幕墙的应用介绍,门窗2015(05)1673-8780（2）项目已有的基础与本项目有关的研究积累和已取得的成绩研究积累：成立了创新研究小组，每个成员对此项目涉及的相关理论都进行了深入的学习，拥有扎实的基础，而且有一定的英语阅读功底，能够读懂英文文献；已基本掌握了SOILDWORKS、CAD、MATLAB等相关软件，能够满足上机和实验要求；另外，我校拥有多种

16、中外文网络数据库和大量的图书资料及电子期刊，能够满足项目研究对文献资料的需要。已取得成绩：项目负责人及其项目组成员共同学习了呼吸幕墙和光伏板相关的知识，共同探讨并学习了市面和研究领域相当一部分光伏呼吸幕墙的特点，查阅了相关现行规范和大量国内外关于建筑节能，呼吸幕墙等方面的文献资料，系统掌握了国内外在该研究领域的研究历史、现状、存在问题和发展趋势，并对项目的研究方案和技术路线进行了较充分的可行性研究，研究思路基本清晰。已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法已具备的条件：创新研究小组成员有专门的研究和学习自习室，且每人配有一台电脑，共享打印机一台，具有SOILDWORKS、CAD、MATLAB应用软

17、件。尚缺少的条件及解决办法：目前缺少实验耗材。缺少部分实验仪器和设备，例如光伏板，low-e玻璃等，还有部分管材与测试仪表。解决办法：目前正在我校积极申报实验器材，或尽量利用身边现有资源。若两者都不能满足，将自费购买或其他办法解决。2、项目研究目标及主要内容（1）研究目标随着国家“节能减排”要求的提出以及“绿色建筑”理论深入人心，发展新型节能围护结构已成为绿色建筑与节能减排的重大需求，采用低碳、生态、环保建筑材料时可持续发展的战略需求。呼吸式幕墙作为一种节能幕墙可以改善室内的热舒适性并且可以减少能源的利用，但在实际应用中不同季节及昼夜变化对其节能效果仍存在较大的影响。目前呼吸式幕墙仍存在以下缺

18、点：空气间层和墙体过热、结露、室内串声、消防排烟、光伏板过热导致效率低下等问题。本课题旨在通过理论分析、数值计算、分类模拟等方法来解决这些问题，使建筑可以充分节省能源、降低能耗。（2）主要内容本项目通过采用理论分析，建立模型、数值计算和分类模拟等研究方法对双层呼吸式幕墙及太阳能光伏板、风机盘管的结合进行分析计算。通过测量不同季节下太阳能光伏板发电量、效率曲线、内外呼吸幕墙温度变化曲线。探究季节、昼夜变化、温度、湿度、风速及墙体结构等变化对呼吸幕墙结构性能、工作方式的影响。通过分类模拟及数据计算，研究在不同季节及昼夜温差变化时空气间层大小对呼吸幕墙内空气流动的流量及其流速的影响，同时考虑光伏板的

19、加入对呼吸幕墙空气间层之间空气流动的影响，需通过数据计算确定最佳空气间层的厚度和光伏板大小及工作角度。通过数据计算，依据光伏板的工作温度和发电效率来设计出合理的光伏板散热方式避免光伏板过热损坏，目前可想到的一种为光伏板工作时会产生局部高温通过双层呼吸幕墙形成自然对流带走热量。并可以在光伏板背面安装毛细水管对余热进行再一次回收利用，使得光伏板始终保持在一个合理高效的工作温度提高发电效率。需要通过实验测试确定毛细管中水流速度及温度，达到节能的效果。通过实验研究内呼吸幕墙的降温问题，确定最佳降温方式，目前可想到的方式已有通过有效遮阳措施、合理通风量以及在内层幕墙内侧布设通风口形成气幕达到降温效果。通

20、过对建筑物的实地考察并结合光照情况和地理条件确定呼吸幕墙的朝向与透光非透光部分的设置方式，从而达到最佳的节能和采光效果。3、项目创新特色概述（1）利用呼吸幕墙的烟囱效应对光伏板表面进行降温，提高光电转换效率。室外设计的光伏板自带清洁功能和降温装置（解决了人工难以清洗的问题，辅助呼吸幕墙对光伏板的降温）。（2）双层幕墙空气腔的蓄热和光伏板余热储存这两种蓄热技术的结合使用有效降低建筑物的冷暖负荷。利用所储存的冷热量，结合机械通风，减少建筑物在夏季和冬季的制冷和产热时的能源消耗。（3）根据不同季节和一天不同时间太阳高度的不同，通过寻找光伏板的最佳工作角度，可以使得光伏板蓄热效果达到最佳，从而提高广电

21、转换效率。4、项目研究技术路线（1）光伏板最佳工作角度技术路线：本部分内容的设计主要是为了探究如何更好地使光伏板发挥效能的同时在不影响主要流体的流速的情况下，又能在光伏板表面产生更多的局部紊流，以提高光电转换效率。图一，图二和图三为三种不同的摆放角度，图一为全部光伏板且无角度调整；图二为光伏板呈一定角度放置；图三为光伏板垂直放置。对这三种光伏板不同摆放方式下的光照面积分别进行试验收集数据，并设计长期实验（一年四季）测量得出各个时间段的进出口流速、热量与同时间变化的发电效率。 在后期将所有模型数据进行测验比较，得到不同季节光伏板最佳工作角度。拟解决的问题：结合前期计算数据与模型选择得出光伏板的最

22、佳工作角度和光照面积。图一 竖面剖面图（左）及俯视图（右）（光伏板竖直放置）图二 竖面剖面图（左）及俯视图（右）（光伏板以某一角度放置）图三 竖面剖面图（左）及俯视图（右）（光伏板垂直放置）（2）光伏板的降温技术路线：本部分内容的创意关键和技术关键在于光伏板的降温策略的选择。图四表示为光伏板背面水管排布方式，降温的设计最直观的将影响光伏板的光电转换效率，在降温的同时避免影响空气腔中的热工环境。为了达到快速持久的降温目的，我们将采取毛细槽式和在光伏板中放置铜管利用水流降温两种方式。本环节将通过计算和搭建实物模型的方式计算和收集对光伏板不同温度时刻降温的效率找到光伏板最优的降温方案。拟解决的问题：

23、光伏板的降温方案图4 光伏板背面水管排布方式（3）空气腔中冷热量的转移方式及过程技术路线：本部分内容的设计主要是为了探究如何转移空气腔和光伏板中的热量。空气腔中的通过转移和储存，再通过控制释放冷热量辅助减轻室内的冷暖负荷。本项目将研究在双层幕墙中进、出气结构的设计方式，设计室内连接的通风管道。在后期将计算，各个时间段内空气腔的换气量，转移热量的数值，从而优化整个系统的运行过程。拟解决的问题：进出气的设计方式；室内连接的通风管道的设计图5 系统能量转化示意图（4）空气间层的最佳温度技术路线：本部分内容主要研究在不同季节及昼夜温差变化时空气间层的宽度，空气间层宽度会影响呼吸幕墙内空气流动的流量及其

24、流速，进而直接影响呼吸幕墙的节能效果，为了更好地达到节能效果，我们计划在不同温度下，通过改变空气间层宽度，测量呼吸幕墙内空气流动的流量和流速，通过数据计算确定最佳空气间层的厚度。拟解决的问题：不同季节下，空气流动的流量和流速；确定空气间层的最佳宽度。5、研究进度安排第一阶段：理论探究完善（2020年6月至7月）进一步完善研究内容，完成前期文献资料的系统收集、整理和归纳，确定每个环节的详细研究步骤和方法，查阅文献，学习新知识，弥补不足。根据小组成员的特长进行合理分工合作。 第二阶段：构建模型（2020年8月至11月）根据前期的理论研究，用SOILDWORKS软件画出三维模型图并购买搭建实际模型所

25、需各种部件和材料搭建实际模型。第三阶段：试验测试（2020年12月至2021年2月）后期根据搭建的模型将进行为期一年的模型试验，利用相关仪表进行实验测试，具体测试内容包括：呼吸幕墙内光伏板发电量、计算在安装光伏板后双层幕墙的热辐射、对流传热、导热和通风换热数以此来决定更好的光伏板工作角度以及幕墙安装在不同朝向墙面后的相关传热数据。计算四季空气间层通风量，以及通风系统转移的热量，估算出节能效率。从而更好地优化完善本研究项目。第四阶段：探索应用（2021年3月至6月）整合数据，进一步探究应用领域，完善研究内容，书写研究报告，提交研究成果。6、项目组成员分工三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实

26、训情况、配套经费、相关扶持政策等）项目立项后，项目研究周期为一年，给予2000-5000元的经费资助。实验室对参与项目的学生也是开放的，并提供必要的指导和帮助。四、预期成果完成项目成果的专利申请，书写每项实验报告，发表论文1-2篇，书写研究报告一份。五、经费预算具体包括：1、调研、差旅费0.8万元；2、用于项目研发的元器件、软硬件测试、小型硬件购置费等4.1万元；3、资料购置、打印、复印、印刷等费用0.6万元；4、学生撰写与项目有关的论文版面费、申请专利费等0.6万元；总计6.1万元。6、 导师推荐意见本项目使学生综合利用CAD、SOILDWORKS、SNAGIT等软件解决实际问题的极好锻炼，研究该项目是本科阶段专业知识的一次升华，对学生具有适度的挑战。本项目既有实际意义，又可以锻炼和提升学生创新能力。综上，推荐本项目申报省级创新项目立项。 签名： 年 月 日7、 院系推荐意见该作品功能完善、性能良好，符合绿色建筑理念该作品功能完善、性能良好，符合绿色建筑理念。推荐本项目申报省级创新项目立项。院系负责人签名： 学院盖章： 年 月 日8、 学校推荐意见该项目定位准确，符合国家创新战略指导，具有很高的理论研究价值和应用价值。推荐本项目申报省级创新项目立项。 学校负责人签名： 学校公章 年 月 日注：表格栏高不够可增加。13