双碳背景下能源自供给装配式智能公共卫生间的设计与应用研究.pdf

公共卫生间作为绿色文明城市的形象窗口之一，研究其美观性、实用性、环保性的平衡点具有重要的美学与经济意义。介绍一种能源自供给装配式智能公共卫生间的设计方案、主要设计过程及设计特点，其建筑外观新颖独特，可较好地与旅游城市环境相适应，为市民与游客提供公共服务的同时美化人居环境。响应国家“双碳”战略目标，该设计采用低碳建筑材料与装配式建造方式，将节能减排的理念融入到公共建筑的整个生命周期，有助于推进建筑业绿色低碳可持续发展。关键词：装配式；公共卫生间；智能设计；能源自供给；低碳排放中图分类号：TU242.9D0l:10.3969/j.issn.1672-1047.2023.03.282020年9 月2 2 日，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2 0 3 0 年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”建筑业是碳排放大户，面对双碳战略目标，建筑业应该积极推广使用新材料、新建造方式，节能降耗，在建筑的全生命周期中降低碳排放，才能在新形势下谋求长远发展。公共卫生间是关系到城乡居民生活的重要公共设施，数量庞大，但目前城市和乡村公共卫生间建设还存在资源浪费、碳排量大等问题。为了响应国家的双碳战略目标，建筑行业需要主动作为。本文以公共卫生间为出发点，积极寻求新方法新思路，设计了一个造型独特美观且在运行过程中可实现能源自供给的装配式智能卫生间，实现了建筑“零能耗”的低碳目标，为建筑业响应国家“双碳”战略目标做出了积极尝试。1当前公共卫生间存在的问题公共卫生间是城乡必不可少的公共设施，关系到居民及游客出行便利性和体验感，但其建筑外观、内部功能及环境与城市环境特别是景区、公园等场所的适应性一直是公共卫生间设计的痛点。当前，公共卫生间普遍存在以下几个痛点。1.1市民“有厕所不敢上”“有厕所找不到”一厕难求、臭气熏天、污水横流，此类场景不只是在农村普遍存在，很多城市公厕的建设步伐也远远落后于城市化建设，厕所环境差，位置偏僻，难以快速定位等问题普遍存在。收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 3基金项目：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目“双碳背景下能源自供给装配式智能公厕的研发与应用研究”（B2022533）。作者简介：熊熙，男，湖北黄冈人，硕士，讲师。研究方向：软土地基处理。120文献标志码：A文章编号：16 7 2-10 47（2 0 2 3）0 3-0 12 0-0 41.2公共卫生间的资源消耗量大部分城市卫生间缺乏有效的管理手段，相当部分市民环保意识薄弱，导致卫生间内长明灯、长流水情况普遍存在，造成巨大的资源浪费。公共卫生间大部分建筑材料不可循环利用，能耗较大，且服务周期短，建设周期长，建筑耐久性差，产生大量碳排放。1.3公共卫生间功能性与美观性难以平衡城市化建设的步伐越来越快，但是公共卫生间的建设方法、规划布局依旧比较落后，不能很好地满足发展需求，建设内部环境舒适、符合城市整体布局规划、外观精美大气的新一代公共卫生间势在必行，不仅可以为市民提供更为优质的公共服务，也可以为城市的整体形象提分。2设计方案建筑模块荷兰风车扇叶卫生间锥形屋面二层设备间装配式钢架+珐琅板建筑内部设施装配式智能卫生间以传统荷兰风车为设计灵感，融合了光伏发电、雨水收集利用、装配式建筑、建筑智能化四个要素，实现了新能源、新材料与公共建筑子系统太阳能光伏发电系统雨水收集系统水电管理系统装配式结构主体物联网智慧系统图1功能结构图主要功能自供给建筑用电需求收储雨水供给卫生间智能调控水、电供给简易拆装、美观环保便捷市民、便捷管理第3 期的有机融合。其主要结构及功能如图1所示，主要由太阳能光伏发电系统、雨水收集系统、水电管理系统、物联网智慧管理系统、装配式卫生间主体五个部分组成，其外观设计效果如图2 所示。双碳背景下能源自供给装配式智能公共卫生间的设计与应用研究第2 5卷2.2建筑主体2.2.1建筑部分公共卫生间一层为功能区域，二层为设备间。在满足基本的使用需求外，通过合理分区，设计了化妆台和休息区，满足游客多样化需求。一层门厅入口装饰设计图、休闲区与卫生间内部装饰设计如图4所示。为了加快建筑围护部分的安装效率，促进绿色低碳可持续发展，本设计使用了一种新型建筑装饰材料一珐琅钢板，该材料具有使用寿命长、易清洁、易安装、耐高温等特点，方便了后期运营维护且增加使用期限。图2 外观效果图太阳能光伏发电系统是卫生间工作运行的能量来源，满足建筑内部电气系统的用电需求；卫生间主体结构受力部分采用装配式钢框架结构，施工速度快，构件标准化，便于推广应用；雨水收集系统利用建筑的锥形屋面和内排水管道实现自然雨水的收集与储存，供给卫生间部分用水，节约水资源；水电管理系统均采用双通道设计，确保卫生间用水用电稳定；建筑内部设施采用物联网智慧管理系统实现智能化管理，运用科技手段为用户提供更加便捷舒适安全的服务。2.1太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统位于结构上部，利用荷兰风车宽大平整的矩形叶片安装太阳能光伏发电板，实现太阳能到电能的转化，通过控制器转换成直流负载和交流负载。为了提高太阳能发电系统的能量利用效率，采用太阳能追踪系统，通过风车主轴处的机械装置自动调整风车叶片的角度，实现常态下的对日跟踪和恶劣气候条件下的自我保护；风车叶片可在电机的带动下低速率转动，保留了荷兰风车原有的特点，风车主轴处的机械装置如图3 所示。图4装饰效果图2.2.2 结构设计卫生间的主体结构采用装配式钢框架结构，通过8根方形钢管柱和3 层圈梁形成完整的结构受力体系。风车的主轴和整个叶片受力均采用钢材制作，保证叶片运行的稳定性与安全性。装配式钢框架结构如图5所示，装配式结构具有安全稳定、施工快捷、可循环利用、节能降耗50%等优点。图5装配式钢框架结构2.3雨水收集系统雨水收集系统以卫生间锥形屋面的排水系统为基础，利用屋面的檐沟汇集自然雨水，通过内排水管道将雨水汇集到在卫生间内部的集水箱内。雨水收集系统的位置如图6 所示。图3 风车主轴图121第3 期3厚镀锌钢板表面刷白色漆0100UPVC落水管可柠开清污口图6 雨水收集系统光伏发电系统市政供电系统雨水收集系统市政供电系统图7 智能电气系统工作原理示意图为了避免雨水中的残渣进入集水管道，集水管的入水口稍高于檐沟底面1 2 cm，同时在檐沟的转角处设计一个存水弯，方便清理管道积存的污物，避免残渣直接进入雨水收集系统内部造成污染。雨水收集系统收集的雨水仅用于马桶冲水，卫生间内直饮水系统与洗手池用水均采用市政供水。2.4水电管理系统水电管理系统由供电系统、用电系统、供水系统和用水系统四部分组成。供电系统采用光伏发电与国家电网供电双通道接入，确保系统运行的稳定性，避免因连续阴雨，发电系统供电不足导致建筑内部断电。耗电系统控制建筑内用电系统总功耗，避免超出光伏发电系统的负荷，用电系统的主要用电器的平均功耗见表1，系统内各部分的工作原理如图7 所示。表1耗电系统各部分平均功耗单位：W用电照明通风饮水供应风车驱备用器系统系统平均50功率2.5物联网智慧管理系统为了让使用者得到较好的体验感，本文设计的公共卫生间提供了更加舒适便捷安全的公共服务，内部采用物联网智慧管理系统，具有以下功能和特点：（1）安全性好。使用者进入后，红外线晕倒122双碳背景下能源自供给装配式智能公共卫生间的设计与应用研究托板落水管接头L1接储水器照明系统供电控制器管线供水控制器系统100600第2 5卷摔倒检测系统即开启，并配备了一键呼救系统，当遇到突发情况，可以一键寻求帮助，景区或社区管理人员可迅速到位施救。（2）节能降耗，低碳环保。根据内部光线亮度控制LED照明灯，节约用电；通过臭味传感器感知并通过控制系统调整换气扇的开启与运行功率，保证内部空气质量；感应水龙头，避免长流水情况，节约水资源。（3）设施完善，贴心服务。无接触式冲水、自动消毒液、地面风干机等现代化设施一应俱全。在卫生间内部休息区增设多项便民设施及安全设施，包括手机充电台、共享充电宝、化妆台和休息座椅等。（4）便捷易用，一键导航。高德地图软件可在空气循环系统地图上看到显眼标志，一键导航，避免“有厕所找不到”的尴尬，同时地图上还可实时查询当前情况下该热水供应系统卫生间的使用情况，查询等待人次，避免长时间排队。风车驱动系统3主要设计过程及设计特点水电备用接口3.1建筑内部用电自供给公共卫生间通过控制太阳能光伏发电系统与内部耗电系统的平衡实现建筑内部用电自供给。（1）光伏发电系统发电量计算光伏发电系统是该卫生间主要的能量来源，其发电功率直接影响系统的运行。光伏发电系统的年发电量可采用下式计算：L=Q S n1 n式中：L为光伏系统年发电量（KW）；Q 为倾斜面年总辐射量（kWh/m）；S为光伏组件的面积（m）；为光伏组件的转化效率；n1为光伏电站系统总效率。以坐落于湖北省武汉市的建筑为例，估算装配式智能卫生间光伏发电系统的年发电量L。经过查询湖北省气象局网站相关资料2，武汉市的多年平均水平面年总辐射量为19 0 0 2 10 0 kWh/m，取平均值2 0 0 0kWh/m。年总辐射量为本地区能接收到的太阳能的总和，但是由于光伏发电系统的自身因素的影响，倾斜面年总辐射量小于水平面年总辐射量，其主要影响因动系统电源100150素有水平面年总辐射量、光伏板安装方式和项目地址经纬度。在本设计中，风车叶片可根据阳光入射角度进行调整，尽可能的接收阳光直射，提高了倾斜面年总辐射量的损失。按照行业经验取年均水平面辐射量到年均倾斜面总辐射量的折算系数为 0.8，即0-16 0 0 kmh/mg光伏组件的转化效率n1，根据市面上太阳能光伏发电板的效率数据，可取值为2 4%1。光伏系统因天气、第3 期内部电路、充放电和直流交流转换导致的折减系数n取值0.7。本设计中光伏发电板为3.7 m1.2m的矩形板，因此光伏组件的总面积为：S=3.7mX 1.2mX 4=17.76 m综上所述，风车光伏发电系统的年总发电量估算为：L=1600X17.760.240.7=4773.8kWh，平均每天的发电量约为13.0 kWh。尺寸为3.7 mX1.2m的矩形单面光伏发电板的功率约为7 0 0 w5，如果按照平均每天6 小时的日照时间计算，日均发电量L=0.7kW46h=16.8kWh，即使考虑其他因素（如天气）影响按照8 0%折减，每日发电量仍达13.44kWh。综上所述，将智能卫生间光伏发电系统日均发电量取值为13 kWh。（2）耗电系统用电量计算智能卫生间的电气系统用电器的设计平均功率见表1。按照日均使用时间10 h计算时，其总耗电量为10 kWh，在光伏发电系统的能力范围内，并有较大的余量。综上，正常日照条件下，光伏发电系统可实现建筑内部用电自供给，实现零能耗目标。3.2成本回收周期短安装光伏发电系统的附加成本包括太阳能发电板和配套供电设施两部分。单块3.7 m1.2m的单晶硅太阳能光伏发电板的价格在9 50 140 0 元，保质期超过10 年，且十年内的发电效率线性衰减小于5%，具有良好的耐久性。蓄电池、发电机、逆变器和配电箱在内的辅助设备价格在6 0 0 0 元左右。当按照总装机容量2 8 0 0 W进行设计时，光伏发电系统需要的总装机成本见表2，按照日均发电量13 kWh计算，预计4年即可收回附加成本。表2 光伏发电系统的总成本供应商英利能源报价95003.3雨水资源化利用本文设计的公共卫生间通过雨水收集系统达到节约水资源的目的。通过查询湖北省气象资料，湖北省武汉市近3 0 年来的年均降雨量为12 6 9 mm，卫生间的屋顶水平投影为直径为4m的圆面，则年均集雨总量为：双碳背景下能源自供给装配式智能公共卫生间的设计与应用研究节水率工期工费40%30%4结语针对当下城乡公共卫生间所面临的内部环境差、建筑外观适应性不足、资源消耗大、内部功能与现代化城市建设还存在一定差距等问题，本文以荷兰风车为设计灵感，融合太阳能光伏发电、雨水收集利用、装配式建筑、建筑智能化四个要素，设计了一个在运行过程中可能源自供给的装配式智能卫生间，利用荷兰风车宽大平整的矩形叶片安装太阳能光伏发电板，系统化设计，智能化调控，实现建筑内部用电自供给；多措并举力求低碳环保，运用光伏发电、收集利用自然雨水和装配式建筑等多种环保手段，响应国家节能减排的号召。本文设计的公共卫生间造型美观，美化人居环境，可根据不同的应用场景装配成不同建筑造型，应用场景广泛，在城市市政公厕、自然景区等场所以及美丽乡村建设中均可使用。参考文献：1虞中尧,董,肖亚明.荷兰圩田景观与排水风车的营建与启示.建筑创作,2 0 2 1(5):18 2-18 9.单位：元2程梓筠.新能源光伏发电技术应用研究.光源与自航浦江夏阳102009900第2 5卷W=HXS=1.269X3.14X2X2=15.9m式中：W为年收集雨水量（m）；H 为多年年均降雨量（m)；S为集雨面积（m）。3.4绿色可持续发展卫生间主体为装配式钢框架结构，维护结构采用新型建筑装饰材料一珐琅钢板，施工快捷，现场湿作业少，且均为可循环利用建材。保证研究对象的一致性条件下，本设计同现浇式结构相比，节能效益见表3。表3 建筑节能指标节省节约平均值照明,2 0 2 1(2):13 2-13 3.98003王志刚,祝秀娟.太阳能光伏发电技术在绿色建筑中的应用及其节能研究J.建设科技,2 0 2 0(2 3):9 8-10 2+10 6.4谷春山.公共厕所智能化技术分析J.山西建筑,2 0 2 0,46(13):193-194.5斯蒂芬奈豪斯,韩冰.圩田景观：荷兰低地的风景园林.风景园林,2 0 16(8):3 8-57.工厂装修精节能化率度提升降耗40%95%责任编辑:刘良瑞60%50%123