居民楼的能源再利用系统申报材料.doc

编号：_2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称：居民楼的能源再利用系统申报学院：国防生学院项目申报成员：戴雷、卢志超、覃武将、杨宁琳 二一四年十一月桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛重点项目申报书、申报者认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。、申报者必须填写申报者情况表和作品情况表。、申报者在填写申报作品情况时只须根据作品类别（自然科学类学术论文、社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写。、表内项目一律用钢笔（或签字笔）填写或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。、序号、编码由“挑战杯”大学生课外学术作品竞赛审查组填写。、作品申报书字体统一使用宋体小四，标题加粗；作品说明书、学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文，请根据模板统一字体格式（包括一级标题、二级标题、正文、图标、参考文献等）。、作品申报书须按要求由各参赛者认真填写。、有关参赛事宜请向承办单位咨询。、该申请书打印稿交与组委会，另需向承办单位指定邮箱发送一份电子档。A、申报者情况申 报 者 情 况姓名戴雷性别男出生年月1995年10月现学历 A A大学本科 B硕士研究生申报单位桂林电子科技大学国防生学院专业机械设计制造及其自动化学号1303210101学制四年作品全称居民楼的能源再利用系统合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注杨宁琳女140021020715296008392桂林电子科技大学信息与通信学院有无合作者请在此说明： 有 无卢志超男110011031815296008392桂林电子科技大学机电工程学院覃武将男110022092315296008392桂林电子科技大学信息与通信学院说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称居民楼的能源再利用系统作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标设计目的：在居民单元楼里面进行合理利用可利用或可再用的能源，降低单元楼楼的能耗，达到绿色环保的房屋设计理念。基本思路： 1、雨水收集，利用地势有效地收集雨水，经过简单过滤后进入蓄水箱进行沉淀，蓄积一定水量后释放进入马桶蓄水箱和专用蓄水池；2、浴室、厨房、洗衣机的废水经简单处理回收到马桶、专用蓄水池或用于花圃灌溉； 3、过滤采用双重过滤，先利用回旋结构通过过滤网进行过滤，再将水通入蓄水箱进行蓄水沉淀；4、经过蓄水后释放回收水具有一定的势能，需降压，本系统采用在降压的同时利用势能发电；5、同时在人们不想太阳直射房内时收集太阳能转化为电能充进蓄电池，实现多方面收集可回收的能源。创新点：（1）整个个系统不需要施加外部大功率装置便可实现能源再利用。（2）从多个方向解决降低房屋的能耗。（3）根据污水的来源情况，过滤装置简单实用。（4）市场上没有类似的太阳能窗户，将太阳能电池置于玻璃夹层中,有效的延长了太阳能电池使用寿命，同时在不影响采光性的同时更有效的收集了太阳能，同时可根据个人喜好人工可调遮阳与否。（5）整个系统为建筑的附加系统，只需在原有建筑上改装安装即可，同时整个系统损耗可能性较低，部分装置带有智能清洁。（6）当层用户只能控制本层这部分的系统，有效的解决了层与层之间用户人际交往问题。技术关键：（1）废水处理回收再利用技术。（2）电压判断技术。（3）整体水管布局设计。（4）太阳能电池应用技术。（5）机械制造技术主要技术指标：（1）太阳能发电部分：太阳能薄膜电池光电转换效率进实验高达13.47%，其余的能量转化为内能的形式。（2）水的再利用部分节能性：雨水蓄水箱容量约为20L，其余部分的蓄水箱容量约40L，超过21L时水面达到一定高度，回收水自动流向蓄水池。蓄水池大小视具体情况而定。蓄水箱长约50CM，宽约40CM，高约10CM。如三视图1。三视图1（3）日常用水势能转换为电能部分：水轮发电机功率为500W，最小发电流速为0.008m3/s，蓄水箱容量大约40L,每次蓄水箱的蓄水从约2.8米处冲击水轮发电机（4）雨水收集部分：我国每年平均降水量大约0.6t/m3，据调查分析，若在人口密集的居民区采用本系统雨水回收装置回收率高达60%。作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)目前，市场上有相同目的的节能系统，如节能节水建筑1改动较大，无法实现在原有建筑上进行改装且系统运行成本较高，处理污水的成本较高，本系统对于污水的处理简单有效，且在原有单元楼上改装即可，成本较低，对于降压这一部分采用发电降压，有效且经济；目前市场上还没有类似的太阳能窗户，市场上的太阳能窗户如太阳能窗户2对窗户改装较大，且成本较高，利用效率不高，太阳能电池、易损耗，且不方便使用，一旦使用遮阳层对室内采光性影响很大，本系统的太阳能窗户太阳能电池处于玻璃夹层中不宜被酸雨腐蚀，也一般不会因为外界因素缩短太阳能电池的寿命，更能产生更大的经济效益，且在使用遮阳层时对室内采光性的影响较小，本系统所用的太阳能窗户不仅稳定性好，改装幅度小，同时人工可控，直接将太阳能转化为电能进行存储利用，采用非晶硅太阳电池，在阴雨天气也可稳定发电，可持续发电性较强。 1专利申请号：CN2011201411062专利申请号：CN201320052258技术性说明工作原理：首先雨水采集，在采集器外设有过滤网可有效地阻挡大杂质，然后经过蓄水沉淀处理可得到较为纯净的水，释放蓄水后进行减压发电处理并把电能储存起来；再利用水流入马桶水箱，马桶水箱满后再留流入蓄水池供给洗车和拖地专用水龙头使用；本系统采用的太阳能窗户做到了在不影响遮阳和采光性又保证了光能转换的稳定性，本系统采用的太阳能窗户采用百叶窗似的结构，既保证了在遮阳层放下后的采光性又保证了光电转换的效率；日常生活废水经简单过滤再利用，用于冲厕所和花圃灌溉或者储存在专用蓄水池。性能分析：本系统在原有建筑上改动即可，结构简单，性能可靠，由于太阳能窗户的遮阳层在玻璃的夹层中，有效地延长了太阳能薄膜电池的寿命，使得产品更加经济性，节能减排效果明显，普及性好，成本低，推广使用价值高。设计整体流程图如下图；能量转换模块发电机部分设计如图1，发电机内采用水轮叶片，水的流动带动叶片的转动，再利用水和雨天收集的水在蓄积后都有一定的势能需要降压处理，在降压同时将水的势能转换为电能存储在蓄电池中。水轮发电机允许温限值可见组成图1。发电机部分设计图1组成图1太阳能窗户设计如图2，将太阳能将光能转换为电能储存在蓄电池中。采用约10块太阳能薄膜电池板与10块半透性薄膜相间隔放置。在遮阳利用太阳能的同时又不影响室内采光性。输出电压和应变量参数可见参数图1。太阳能窗户设计图2参数图1电器控制电源部分实物如图3，原理图如图4，这部分采用自动切换电路比较容易实现，当蓄电池有足够的电供给节能灯时就用蓄电池供电，当蓄电池电量不足时自动切换到家庭电路给节能灯供电。辨别方式采用电压测控技术，电压过低时自动切换供电模式。电源部分实物图3原理图图4机械部分雨水过滤与收集器部分设计如图5所示，将装置所处位置的地势变低，利于势能使得更多的雨水自动流向过滤与收集器，在装置上方装一层过滤网，起到过滤杂质的作用。过滤与收集器分为两个部分组成，一个是雨水过滤器，上方设有过滤网，一个是蓄水箱，不过本部分的蓄水箱容量减小为20L，如图7。本装置采用双重过滤的方式，先上方流通水道出设立格栅过滤网进行简单的初步过滤，过滤大的杂质，雨水收集器上方设有过滤网，再一次进行过滤，保证回收的雨水只含有小部分杂质。雨水过滤与收集器部分设计图5蓄水箱分设计如图6所示，通过水的高度来改变浮球的高度，浮球另一端连接开关，浮球上升到一定高度则阀门开，下降到一定高度则阀门闭，从而控制水箱中下部下水口开关与否。箱底部设计一个阀门，关上可使蓄水箱起到再利用水杂质沉淀的作用，过一段时间打开可自动清洁箱底杂质，起到自动清洁的作用，如果马桶水箱满了，马桶水箱会自动堵住下来水源，这时蓄水箱水上升至一定高度后可从斜上方出水口处流入蓄水池蓄水箱分设计图6过滤部分设计如图7所示，在水池下水口已经安装了可过滤大杂质的过滤器，所以废弃水的杂质多为小杂质，在关闭阀门后，产生一个回旋的结构，在回旋结构上方入水口装一层过滤网，可以有力的把杂质挡在过滤网前，在打开阀门后，可起到自动清理过滤网前的杂质。在降低系统运行成本的同时做到智能化过滤杂质。过滤部分设计图7太阳能窗户部分如图8，窗户采用双层玻璃窗户，将遮阳层放置于双层玻璃夹层中，在窗户的上方做一个滚轴，可自由选择将遮阳层放下与否。如果不想使太阳直射进房内可选择将遮阳层放下。 太阳能窗户图8参考文献1 电工电路设计与制作(电子书)作者：季顺宁 出版社：电子工业出版社 2 建筑：形式、空间和秩序（第二版）作者：程大锦 出版社：天津大学出版社3 室内装饰材料应用与施工作 者： 张峰，陈雪杰 主编 出 版 社： 中国电力出版社4 机械设计（第八版）作者：濮良贵 纪名刚主编 出版社：高等教育出版社作品所处阶段A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测技术特点（1）在布局上合理布局解决了人际交往可能存在的问题（2）系统在保证正常生活正常的情况优先使用再利用的能源。（3）系统在保证不影响正常生活的情况下可进行托管式运作。（4）将太阳能薄膜首次应用于普通居民住房的窗户上。（5）充分利用了机械构造使得装置简单实用。优势（1）整个个系统不需要施加外部大功率装置便可实现能源再利用。（2）整个系统为建筑的附加系统，只需在原有建筑上改装安装即可，同时整个系统损耗可能性较低，部分装置带有智能清洁。（3）使用本装置不存在人际上交往问题。（4）整个系统可人为控制又可自动回收且运行成本近乎于零。（5）整个系统成本较低。适应范围分析该系统为建筑的附加系统，只需在原有单元楼上改装即可，基本适用于所有居民楼，进行改装后也可适用于独栋楼建筑推广前景分析该系统在原有单元楼上改装即可，改装成本较低，且系统运行成本近乎于零，整个系统采用智能化运作，即可全自动，也可人为微调，适用单元楼和独栋建筑，应用前景广阔。市场分析目前人们所居住的基本都是单元楼或者是独栋的楼层，很少人居住平房，该系统适用于大多数单元楼已经独栋的建筑，而且安装简单，不需要在建筑前就安装好，可在原有的建筑上安装，且成本较低，具有较好的市场。经济效益分析：太阳能发电部分：太阳能发电，一平米100w，一天4小时计算，有四平米发电板，一个家庭一年可发电约：KWh若在全国推行则可发电约：水的再利用部分节能性：一个家庭一年用水量大约60吨，若采用本系统则全国一年大约可节约日常用水势能转换为电能部分：水轮发电机功率为500W，最小发电流速为0.008m3/s，蓄水箱容量大约40L,每次蓄水箱从约3米处，大约全国一年可产生23302200000吨生活用水，我国平均每年降水量为0.6t/m3，若采用此系统全国每年可回收水：若在全国推行此系统每年可产生电:h雨水收集部分： 我国每年平均降水量大约0.6t/m3，经调查若该地区所有单元楼都采用本系统雨水回收率达到60%，所以若在全国推行本系统大约可节水:专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。作品说明书1.1研究背景目前能源匮乏，中国的能源消费巨增如图1，但是人均能源消费很低如图4，说明日常生活中人们对能源利用的不合理，致使能源利用率低的现状，研制一款能在日常生活中有效地对能源回收再利用的系统显得非常重要。在各种能源消费构成中，太阳能发电占有了很大比例如图12，说明太阳能的利用乃是大势所趋，如何高效低廉的利用太阳能是目前的研究方向，同时在人们日常生活中有许多进行简单处理便可再利用的废水，往往污染程度不是很高的废水流进下水道后统一处理成本变高了很多倍。1.2国内外相关技术的发展现在，我国一年建成的房屋建筑面积，比所有发达国家一年建成的房屋建筑面积的总和还要多。预计到2020年底，全国房屋建筑面积将达686亿m2 ，其中城市为261亿m2 。在既有的建筑中99%为高耗能建筑，新建的数量巨大的建筑，也只有很少一部分按建筑节能设计标准建造，95%以上还是高能耗建筑。国外在节能建筑中采取的技术措施主要有三个方面：一是采用构造措施，提高墙体、屋面及门窗的保温性能；二是利用太阳能；三是改进供热系统。目前英国推广的被动式太阳房，不需外界机械作用，以建筑吸热保温材料为媒介，利用冷热空气的自然交换，达到对太阳能的利用。在被动式太阳能住宅中，太阳能供给的能源占总耗能量的30%。为推动可持续发展战略的实施，英国建筑研究部门于2004年9月1日宣布英国政府实施百万“绿色住宅”建筑计划，主要通过税收优惠政策鼓励居民在今后10年内建设100万栋“绿色住宅”。该计划鼓励居民采用环保技术建造或装修房屋，建设有益于环保的新型住宅。这种新型住宅将采用太阳能电池板、洗澡水循环处理装置和无污染涂料等。凡采用这些方法建造的绿色住宅将享受减免印花税等优惠政策，新建传统住宅则不享受这些优惠政策。在欧洲国家中，德国节能的研究与应用处于领先地位。主要研究方向有建筑材料的制造能耗、建筑物围护结构各部位热工指标的制订和CO2浓度排放量的指标，取得了良好的成效。1.3研究意义本系统可智能化对能源进行回收再利用，整个系统成本不高，系统运作成本近几乎为零，但每年再利用能源的价值十分可观。系统占用空间不大，在原有建筑上进行改装即可。本系统的稳定性较高，人工可控，可根据个人喜好进行调节。本系统能有效实现能源的充分利用，对于降低能源浪费具有显著的效果，对促进环保绿色健康生活十分有利，是一款推广价值很高的能源再利用系统。1.4系统内容简介通过实验设计了一套单元楼能源再利用系统，整个系统成本不高，属于单元楼建筑的附加系统，在原有建筑安装即可，系统分为两个部分，太阳能利用部分，废水再使用部分；将再利用水采集后由于蓄积沉淀后释放具有很大的动能，采用在降压的同时发电再使用；雨水收集过滤后，降压同时发电进入马桶蓄水箱，若马桶蓄水箱满则进入再利用水水池，待需要时使用；浴室、厨房废水和洗衣机废水经简单处理送入下一层用户的蓄水箱，供给下一层用户使用；在人们不想太阳直射房内时放下太阳能窗户遮挡层，做到在遮挡太阳的同时收集太阳能，太阳能窗户部分做成类似于百叶窗结构，做到放下遮阳层仍不影响室内采光性，太阳能窗户将太阳能转化为电能充进蓄电池内，本层的蓄电池可供路灯和当层本系统内耗使用，实现保证在方便生活习惯上多方面回收能源。而且本层系统只由本层用户控制，上层楼用户无法控制，解决了层与层可能存在关系复杂的问题，整个系统的运作成本几乎为零，在安装后除了必要的清洗和维护外基本不耗费多余的财力，在无人监管的情况下系统仍可智能化再利用可回收的能源。2 设计方案2.1能量转换模块发电机部分设计如图1，发电机内采用水轮叶片，水的流动带动叶片的转动，再利用水和雨天收集的水在蓄积后都有一定的势能需要降压处理，在降压同时将水的势能转换为电能存储在蓄电池中。水轮发电机允许温限值可见参考图1发电机部分设计图1 参考图1太阳能窗户设计如图2，将太阳能将光能转换为电能储存在蓄电池中。采用1块太阳能薄膜电池板与10块半透性薄膜相间隔放置。在遮阳利用太阳能的同又不影响室内采光性。薄膜材料采用染料敏化太阳电池(DSC)其原料来源丰富、生产工艺简便、生产过程能耗低,其小面积(0.2cm2)DSC的光电转换效率已高达到现在的13%以上。输出电压与应变参数可见参数图1。.参数图1太阳能窗户设计图22.2 电器控制电源部分实物如图3，原理图如图4，这部分采用自动切换电路比较容易实现，当蓄电池有足够的电供给节能灯时就用蓄电池供电，当蓄电池电量不足时自动切换到家庭电路给节能灯供电。辨别方式采用电压测控技术，电压过低时自动切换供电模式。电源部分实物图3原理图图42.3 机械部分雨水过滤与收集器部分设计如图5所示，将装置所处位置的地势变低，利于势能使得更多的雨水自动流向过滤与收集器，在装置上方装一层过滤网，起到过滤杂质的作用。过滤与收集器分为两个部分组成，一个是雨水过滤器，上方设有过滤网，一个是蓄水箱，不过本部分的蓄水箱容量减小为20L，如图7。本装置采用双重过滤的方式，先上方通水道处过滤大杂质，而后雨水收集器上方进行二次过滤，过滤细小的杂质。雨水过滤与收集器部分设计图5蓄水箱分设计如图6所示，三视图如图7，通过水的高度来改变浮球的高度，浮球另一端连接开关，浮球上升到一定高度则阀门开，下降到一定高度则阀门闭，从而控制水箱中下部下水口开关与否。箱底部设计一个阀门，关上可使蓄水箱起到再利用水杂质沉淀的作用，过一段时间打开可自动清洁箱底杂质，起到自动清洁的作用，如果马桶水箱满了，马桶水箱会自动堵住下来水源，这时蓄水箱水上升至一定高度后可从斜上方出水口处流入蓄水池蓄水箱设计图6蓄水箱三视图7过滤部分设计如图8所示，在水池下水口已经安装了可过滤大杂质的过滤器，所以废弃水的杂质多为小杂质，在关闭阀门后，产生一个回旋的结构，在回旋结构上方入水口装一层过滤网，可以有力的把杂质挡在过滤网前，在打开阀门后，可起到自动清理过滤网前的杂质。在降低系统运行成本的同时做到智能化过滤杂质。过滤部分设计图8太阳能窗户部分如图9，窗户采用双层玻璃窗户，将遮阳层放置于双层玻璃夹层中，在窗户的上方做一个滚轴，可自由选择将遮阳层放下与否。如果不想使太阳直射进房内可选择将遮阳层放下。太阳能薄膜的柔韧性可参考测试图1。 测试图1太阳能窗户图9设计时考虑的主要问题：处理废弃水中的杂质难题。水压影响发电机正常运转的难题。二次利用的水无法充满马桶蓄水箱的解决办法。判断蓄电池提供的电压是否满足路灯和系统内的正常运作电压的技术难题。蓄电池内电压不够如何解决。杂质在过滤中的快捷清理技术。系统优先使用再利用水的控制。太阳能窗户在不影响采光的情况下完成收集以及其人性化设计。蓄水马桶水量饱和时再利用水的流向设计。层与层之间的用户可能存在矛盾的难题。3 理论设计计算太阳能发电部分：太阳能发电，一平米100w，一天4小时计算，有四平米发电板，一个家庭一年可发电约：KWh若在全国推行则可发电约：水的再利用部分节能性： 一个家庭一年用水量大约60吨，若采用本系统则全国一年大约可节约 日常用水势能转换为电能部分： 水轮发电机功率为500W，最小发电流速为0.008m3/s，蓄水箱容量大约40L,每次蓄水箱从约3米处，大约全国一年可产生23302200000吨生活用水，我国平均每年降水量为0.6t/m3，若采用此系统全国每年可回收水：若在全国推行此系统每年可产生电 雨水收集部分： 我国每年平均降水量大约0.6t/m3，经调查若该地区所有单元楼都采用本系统雨水回收率达到60%，所以若在全国推行本系统大约可节水 以北京某小区为例，进行了小区雨水收集利用系统的方案设计。小区建筑主要为独栋单元楼,总占地29.320m2。其中道路、停车场面积3.995m2,约为13.63%;绿地面积5.345m2,约为18.23%;建筑占地19.924m2,约为68.03%。北京市降水量趋势如调查图1。据调查分析，若在人口密集的居民区采用本系统雨水回收装置回收率高达60%。计算图1调查图14 工作原理及性能分析工作原理：首先雨水采集，在采集器外设有过滤网可有效地阻挡大杂质，然后经过蓄水沉淀处理可得到较为纯净的水，释放蓄水后进行减压