我國西部寒冷氣候區(qū)模塊化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

山如黛 湯煜 馬福生

本文總結(jié)分析了我國西部嚴(yán)寒、寒冷氣候區(qū)兩個(gè)典型城市的氣候特征，以降低能耗和成本優(yōu)化為目標(biāo)，通過對裝配式模塊化建筑的設(shè)計(jì)建模、模擬計(jì)算、優(yōu)化分析，對不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料和做法進(jìn)行了分析，并總結(jié)出了我國西部寒冷氣候區(qū)的裝配式模塊化建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和建議，為我國西部寒冷氣候區(qū)進(jìn)行模塊化建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造提供了參考。

一、研究背景

模塊化建筑是以每個(gè)房間作為一個(gè)模塊單元，均在工廠中進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn),完成后運(yùn)輸至現(xiàn)場并通過可靠的連接方式組裝成為建筑整體。模塊化建筑具有建造效率高、運(yùn)輸方便、預(yù)制度好等優(yōu)點(diǎn)，適用于閃建防疫醫(yī)院、學(xué)校、宿舍、營房、科考營地等以單元功能為主的中小型建筑。模塊化建筑技術(shù)體系構(gòu)成簡潔，集成度高，成本可控，上世紀(jì)起在德國、美國、新加坡、香港等發(fā)達(dá)國家地區(qū)已得到較為廣泛的應(yīng)用，近些年來在我國的生產(chǎn)和應(yīng)用也開始興起。

我國西部地區(qū)幅員遼闊，很多地區(qū)地形復(fù)雜且交通不便，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，基礎(chǔ)設(shè)施薄弱。發(fā)展模塊化建筑，一方面可以幫助這些地區(qū)解決在全期內(nèi)低成本地快速搭建醫(yī)療、教育、住宿等基礎(chǔ)設(shè)施的需求，另一方面，結(jié)合被動(dòng)式超低能耗技術(shù)，打造偏遠(yuǎn)地區(qū)模塊化建筑產(chǎn)品，可以滿足一些邊防營地和野外科考的特殊需求，減緩廣大邊防部隊(duì)和科考工作者的勞頓之苦。

二、我國西部寒冷氣候區(qū)

1.我國西部寒冷氣候區(qū)典型特征

我國幅員遼闊，由于緯度、地勢等條件的不同，各地氣候相差懸殊。為了使建筑設(shè)計(jì)因地制宜，充分地利用和適應(yīng)我國不同的氣候條件，現(xiàn)行《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50352-2019中進(jìn)行了建筑氣候區(qū)的劃分，共包括7個(gè)主氣候區(qū)，20個(gè)子氣候區(qū)，并對各氣候區(qū)的建筑設(shè)計(jì)提出了不同的要求（圖1）。

在我國的建筑氣候區(qū)劃中，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)主要覆蓋了東北、華北和廣大西部地區(qū)，占我國國土面積的70%。其中西藏、新疆維吾爾兩個(gè)自治區(qū)大部分被劃分在嚴(yán)寒和寒冷兩個(gè)氣候區(qū)中。這兩個(gè)地區(qū)幅員遼闊，地勢復(fù)雜，形成了同一氣候區(qū)內(nèi)不同地域的氣候多樣性。青藏高原多樣的地形地貌以及天氣系統(tǒng)形成了復(fù)雜多樣的獨(dú)特氣候，除西北嚴(yán)寒干燥、東南溫暖濕潤的總趨勢外，還有多種多樣的區(qū)域氣候以及明顯的垂直氣候帶。在喜馬拉雅山南坡高山峽谷地區(qū)，氣溫隨著緯度升高自下而上逐漸下降，氣候發(fā)生從熱帶或亞熱帶氣候到溫帶、寒溫帶和寒帶氣候的垂直變化。從溫差角度看，西藏氣溫年較差小、日較差大的特點(diǎn)十分明顯（圖 2、圖 3）。在阿里地區(qū)等海拔5000米以上的地方，夏季八月白天氣溫可達(dá)10攝氏度以上，而夜間氣溫驟降至零攝氏度以下。

圖1 中國建筑氣候區(qū)劃圖

新疆地處北半球中緯度地區(qū)，屬于北溫帶，地勢特點(diǎn)是山脈與盆地相間排列，天山橫亙于新疆中部，把新疆分為南北兩半。由于深居內(nèi)陸距海遙遠(yuǎn)且地形封閉，海洋水汽難以到達(dá)，終年降水量極為稀少，氣候干旱是新疆最突出的自然特征。新疆冬冷夏熱，氣溫日較差和年較差大，局部地區(qū)日間溫度極高，遠(yuǎn)高于我國南方沿海地區(qū)（圖 2、圖 3）。在對這兩個(gè)地區(qū)進(jìn)行超低能耗設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮對項(xiàng)目所在地城市進(jìn)行全年氣候分析，進(jìn)行地域化設(shè)計(jì)。

圖2 中國積溫分布圖

圖3 中國年氣溫日較差圖

2.我國西部寒冷氣候區(qū)典型城市及氣象數(shù)據(jù)分析

本文選取了西藏的帕里和新疆的吐魯番兩個(gè)典型城市進(jìn)行分析和計(jì)算。帕里位于西藏亞東縣的中部，被群山環(huán)繞，海拔約4300米，有“世界第一高城”之稱。吐魯番位于新疆維吾爾自治區(qū)中部，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，全年日照時(shí)數(shù)為3000～3200小時(shí)左右，比中國東部同緯度地區(qū)多1000小時(shí)左右，有“火洲”“風(fēng)庫”之稱。在我國氣候劃分上，帕里屬于嚴(yán)寒氣候A區(qū)，吐魯番則屬于寒冷氣候B區(qū)。

從圖 4和圖 6的全年室外溫度曲線上看，帕里年平均氣溫0.5℃，夏季極端高溫為15.8℃，冬季極端低溫-24℃；年溫差較差小、日溫差較差大，是進(jìn)行超低能耗建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。吐魯番年平均氣溫15.1℃，夏季極端高溫為44.4℃，冬季極端低溫-14℃；日溫差和年溫差均大，全年10℃以上有效積溫5300℃以上，無霜期長期達(dá)210天左右。從太陽輻射上看，帕里的太陽年輻射量為177.4千卡/平方厘米，而吐魯番的太陽年輻射量為154.3千卡/平方厘米，比同緯度的華北、東北地區(qū)多15-20千卡/平方厘米，僅次于青藏高原。

圖4 全年室外溫度曲線（°C）：西藏帕里

圖5 全年室外濕度（%）：西藏帕里

圖6 全年室外溫度（°C）：新疆吐魯番

圖7 全年室外濕度（%）：新疆吐魯番

三、方法

選取典型的模塊房建筑作為參照模型進(jìn)行研究，選取3m×6m×3m的模塊6個(gè)，每個(gè)模塊在南側(cè)開門窗作為采光和交通用途。模型軸測圖如圖 8所示，參數(shù)設(shè)置如表格 1所示。通過替換不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及其厚度，對全年采暖和制冷能耗，以及全年單月分項(xiàng)能耗進(jìn)行分析。除此之外，首先對氣密性進(jìn)行分析，對比氣密性為0.0001和氣密性0.0003情況下室內(nèi)溫度變化情況，以此來判斷當(dāng)?shù)厥欠裥枰M(jìn)行氣密性處理。

表1 參數(shù)設(shè)置

圖8 軸測圖

四、結(jié)果和分析

如圖 9所示，對比在帕里當(dāng)?shù)氐氖彝鉁囟葪l件下，在采暖空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉情況下，氣密性為0.0001和氣密性0.0003情況下的室內(nèi)溫度變化情況?？梢钥闯?，在氣密性為0.0003 時(shí)，全年室內(nèi)溫度最高值發(fā)生在7月，為19.6℃，可以達(dá)到室內(nèi)舒適要求，全年室內(nèi)溫度最低值發(fā)生在1月，為8.5℃。而在氣密性為0.0001時(shí)，全年室內(nèi)溫度最高值發(fā)生在7月，為21.4℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了1.8℃，且達(dá)到了室內(nèi)舒適標(biāo)準(zhǔn)，全年室內(nèi)溫度最低值發(fā)生在1月，為11.9℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了3.4℃，雖未達(dá)到室內(nèi)舒適標(biāo)準(zhǔn)，然而在原來8.5℃的基礎(chǔ)上提高了40%。因此，在模塊式建筑的設(shè)計(jì)中，采用高氣密性的做法可以減少熱量散失，提高室內(nèi)的舒適性。

圖9 不同氣密性條件下月室內(nèi)平均溫度變化曲線（帕里）

帕里全年采暖能耗隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而下降，例如采用巖棉為保溫層的全年采暖能耗，在厚度從50mm增加到400mm的過程中，從153.7千瓦時(shí)/m2降低到了10.3千瓦時(shí)/m2，同時(shí)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為200mm時(shí)，開始下降趨勢減慢。當(dāng)保溫材料換成PU時(shí)，在厚度從50mm增加到400mm的過程中，從90.3千瓦時(shí)/m2降低到了6千瓦時(shí)/m2。同樣的，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為200mm時(shí)，開始下降趨勢減慢，此時(shí)的全年采暖能耗為13.4千瓦時(shí)/m2，已經(jīng)達(dá)到了被動(dòng)式超低能耗建筑的要求。

帕里全年制冷能耗隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而不斷升高，以PU為例，在厚度從50mm增加到400mm的過程中，制冷能耗從0.1千瓦時(shí)/m2增加到0.5千瓦時(shí)/m2。但是，可以清晰地看到，與采暖能耗相比，制冷能耗的變化幾乎可忽略不計(jì)。因此，在帕里要降低全年能耗的最直接方法仍然是增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，如果不追求零能耗而追求成本和節(jié)能的最優(yōu)化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度可以選擇200mm為宜。帕里的全年單月分項(xiàng)能耗柱狀圖如圖 11所示。

吐魯番全年采暖能耗隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而下降，以采用巖棉為保溫層為例，在厚度從50mm增加到400mm的過程中，從116.6千瓦時(shí)/m2降低到23.7千瓦時(shí)/m2。采用EPS、XPS或PU為保溫層的全年采暖能耗變化更為明顯，例如采用EPS作為保溫材料時(shí)，全年單位采暖能耗從109.1千瓦時(shí)/m2降低到22.5千瓦時(shí)/m2，采用XPS作為保溫材料時(shí)，全年單位采暖能耗從97.9千瓦時(shí)/m2降低到20.8千瓦時(shí)/m2，采用PU作為保溫材料時(shí)，全年單位采暖能耗從81.7千瓦時(shí)/m2降低到18.5千瓦時(shí)/m2。以上幾種保溫材料都是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為200mm時(shí)開始下降趨勢減慢。與帕里不同，吐魯番全年制冷能耗同樣隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而不斷降低，以巖棉為例，制冷能耗從176.6千瓦時(shí)/m2降低到143.0千瓦時(shí)/m2。因此，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度可以在吐魯番同時(shí)降低全年采暖和制冷的總能耗，如果不追求零能耗而追求成本和節(jié)能的最優(yōu)化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度可以選擇200mm為宜。吐魯番夏季的制冷能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過冬季采暖能耗，且不能通過單純增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度來有效解決，在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用遮陽和提升外窗的遮陽系數(shù)等技術(shù)手段。吐魯番的全年單月分項(xiàng)能耗柱狀圖如圖14所示。

圖10 全年采暖能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度影響趨勢：西藏帕里（1A）

圖11 全年顯冷能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度影響趨勢：西藏帕里（1A）

圖12 全年單月分項(xiàng)能耗柱狀圖：西藏帕里

圖13 全年采暖能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度影響趨勢：新疆吐魯番

圖14 全年顯冷能耗圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度影響趨勢：新疆吐魯番

圖15 全年單月分項(xiàng)能耗柱狀圖：新疆吐魯番

五、結(jié)論

本文對我國西部寒冷氣候區(qū)的氣候特征進(jìn)行了分析，闡述了模塊化建筑在我國西部寒冷氣候區(qū)的應(yīng)用前景，提出了我國西部寒冷氣候區(qū)模塊化建筑設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，并通過對不同圍護(hù)材料的模擬計(jì)算以及全年能耗與太陽能發(fā)電量對比分析，論證了模塊化建筑技術(shù)路線在我國西部寒冷氣候區(qū)應(yīng)用的科學(xué)性和可行性。

在氣密性為0.0001 時(shí)，全年室內(nèi)溫度最高值發(fā)生在7月，為21.4℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了1.8℃，且達(dá)到了室內(nèi)舒適標(biāo)準(zhǔn)，全年室內(nèi)溫度最低值發(fā)生在1月，為11.9℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了3.4℃，雖未達(dá)到室內(nèi)舒適標(biāo)準(zhǔn)，然而在原來8.5℃的基礎(chǔ)上提高了40%。在西藏帕里地區(qū)進(jìn)行模塊式建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，采用高氣密性的做法可以減少熱量散失，提高室內(nèi)的舒適性。在室外溫度較高的夏季可以滿足零能耗的需求，白天可以選用自然通風(fēng)的形式散熱，而夜間氣溫降低時(shí)可以緊閉門窗保證室內(nèi)溫度維持人體生存的舒適度。

西藏帕里地區(qū)全年采暖能耗隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而下降，制冷能耗隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而不斷升高但數(shù)值很小幾乎可以忽略不計(jì)，因此，在帕里要降低全年能耗的最直接方法是增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，如果不追求零能耗而追求成本和節(jié)能的最優(yōu)化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度可以選擇200mm為宜。在新疆吐魯番地區(qū)全年采暖能耗和制冷能耗都隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加而下降，同樣的，如果不追求零能耗而追求成本和節(jié)能的最優(yōu)化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度可以選擇200mm為宜。但是吐魯番的主要能耗在于夏季的制冷能耗，除了增加外保溫厚度之外，還需通過遮陽以及提高外窗的遮陽系數(shù)等技術(shù)措施來解決。

本案例說明在廣大的西部地區(qū)進(jìn)行模塊式建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，需要因地制宜地進(jìn)行氣候分析，采用有效的被動(dòng)式設(shè)計(jì)措施，并盡量結(jié)合當(dāng)?shù)乜梢跃偷厝∮玫淖匀磺鍧嵞茉?，以達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)效果。并且，在未來的研究中，需選擇更多的西藏和新疆其他典型城市進(jìn)行分析，并考慮遮陽、提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性等更多的技術(shù)措施，以期取得更好地域性的設(shè)計(jì)。