應(yīng)用于冬奧會(huì)嚴(yán)寒環(huán)境的超低能耗箱式臨建房的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

文_王方舟 陳國(guó)偉 梅東升 北京京能能源技術(shù)研究有限責(zé)任公司

與永久性建筑相比，臨時(shí)建筑具有靈活構(gòu)建、運(yùn)輸方便、搭建工期短等特點(diǎn)，在工程營(yíng)地、旅游、物流倉(cāng)儲(chǔ)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。除此之外，臨時(shí)建筑在重大體育賽事中的應(yīng)用比重也在逐漸增加。北京2022年冬奧會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)“北京冬奧會(huì)”）也建設(shè)了大量的臨時(shí)建筑。北京冬奧會(huì)延慶、張家口賽區(qū)賽場(chǎng)設(shè)置在山區(qū)坡地，氣候寒冷、大風(fēng)凜冽，臨時(shí)建筑設(shè)施應(yīng)具有可循環(huán)、高可靠、抗嚴(yán)寒等特性，但臨時(shí)建筑簡(jiǎn)易的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造導(dǎo)致房屋本身的熱工性能較差。特別當(dāng)在嚴(yán)寒條件下進(jìn)行使用時(shí)，進(jìn)一步放大了臨時(shí)建筑運(yùn)行階段的采暖能耗，使其難以滿(mǎn)足室內(nèi)熱舒適需求，開(kāi)發(fā)一種符合超低能耗建筑特性的箱式臨建房屋成為一種踐行綠色奧運(yùn)理念的新需求。

1 臨建建筑建筑節(jié)能發(fā)展

由于臨時(shí)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多采用拼裝方法，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)面板連接處及開(kāi)口邊緣處的空氣易泄漏，導(dǎo)致氣密性差，出現(xiàn)熱橋問(wèn)題等。因此，針對(duì)箱式模塊化臨建房屋，如何利用高效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)，開(kāi)展被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)改造，實(shí)現(xiàn)房屋超高效節(jié)能、降低冷熱消耗成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)箱式臨建建筑應(yīng)用特點(diǎn)，我們開(kāi)展了超低能耗建筑技術(shù)在臨建房屋設(shè)計(jì)建造中的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以期進(jìn)一步提升臨時(shí)建筑室內(nèi)環(huán)境舒適性。

2 超低能耗箱式臨建房屋設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

超低能耗式建筑評(píng)判基礎(chǔ)條件為建筑所處氣候分區(qū)，本次設(shè)計(jì)以北京冬奧會(huì)高山滑雪延慶賽區(qū)作為應(yīng)用地點(diǎn)，由于賽區(qū)地處高海拔山區(qū)地段，天氣寒冷且時(shí)常伴有6級(jí)以上大風(fēng)環(huán)境，賽區(qū)全年氣象參數(shù)符合嚴(yán)寒地區(qū)要求，故設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

尺寸以6m打包箱式房為基準(zhǔn)，為保障人員舒適度，臨建房屋內(nèi)尺寸定為5.5m×3m×2.7m，外尺寸根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度靈活調(diào)整，高度不高于3.5m。根據(jù)近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑年供暖需求≦18kWh/m3·a，氣密性換氣次數(shù)N50≦0.6。通過(guò)PHPP軟件進(jìn)行建模測(cè)算，當(dāng)年供暖需求滿(mǎn)足要求時(shí)，臨建房屋外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不得高于0.114W/(m2·K)，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不得高于 0.101W/(m2·K)。同時(shí)，為了方便移動(dòng)拆卸，臨建房地板部分不與溫度相對(duì)穩(wěn)定的地面直接接觸，使得地板的傳熱耗熱量進(jìn)一步增大，地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相對(duì)外墻和屋面更為嚴(yán)格。

冬奧會(huì)賽事特殊，臨建房屋在賽時(shí)使用，室內(nèi)外溫差較大，房屋表面易凝結(jié)水珠，巖棉及玻璃棉保溫材料易吸水，且吸水后傳熱系數(shù)大幅增加，嚴(yán)重影響房屋保溫性能，因此本方案中選用真空絕熱板和氣凝膠兩種新型保溫材料相搭配的方式，組成保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)。外墻及屋頂結(jié)構(gòu)從外向內(nèi)依次為鋁扣板、豎向龍骨、鋼板、墻體龍骨、水泥纖維板、真空絕熱板、氣凝膠、輕鋼龍骨、鋁扣板，主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.102W/(m2·K)。地面結(jié)構(gòu)從上至下依次為防火木地板、架空板、架空墊塊（白色柱體）、真空絕熱板、氣凝膠、鋼板、方鋼框架梁，主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.096W/(m2·K)。保溫層采用內(nèi)保溫形式，采取斷熱橋設(shè)計(jì)，有效杜絕熱橋的產(chǎn)生。房屋外窗、外門(mén)選用鋁包木三玻惰性氣體填充被動(dòng)式門(mén)窗，高透型雙層Low-e玻璃，傳熱系數(shù)0.8W/(m2·K)。

2.2 采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

臨時(shí)建筑中通常使用電能供暖，人體舒適度較高，但COP值均小于1，耗能較大，不利于房屋節(jié)能，因此本方案采用超低溫空氣源熱泵供暖方式進(jìn)行設(shè)計(jì)?？諝庠礋岜贸鲲L(fēng)口安裝在入門(mén)位置，有效阻擋冷空氣進(jìn)入室內(nèi)?？諝庠礋岜貌捎枚嗦?lián)機(jī)一拖一系統(tǒng)，室外機(jī)壓縮機(jī)為超低溫型設(shè)備，制冷劑采用R410A，運(yùn)行工況為-25～48℃，機(jī)組額定制冷量5.0kW，EER1.81，額定制熱量6.0kW，COP3.3。在室外-20℃時(shí)，制熱量還可達(dá)4kW，保證極端天氣情況下室內(nèi)的供熱需求。室內(nèi)機(jī)送回風(fēng)形式采用側(cè)送后回形式，空氣源熱泵穿孔位置需要使用保溫棉及發(fā)泡膠進(jìn)行有效斷橋，阻止冷空氣進(jìn)入。

2.3 余熱回收新風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑內(nèi)新風(fēng)需求量不小于30m3/h每人。臨時(shí)建筑房屋在賽區(qū)主要用作觀(guān)賽房、值班室、轉(zhuǎn)播室等用途，按照可容納10人設(shè)計(jì)，新風(fēng)機(jī)組額定風(fēng)量不應(yīng)小于300m3/h。

新風(fēng)機(jī)組布置在房?jī)?nèi)單獨(dú)設(shè)備間，落地放置，機(jī)組設(shè)置消音及減震裝置。新風(fēng)機(jī)組額定風(fēng)量350m3/h，采用轉(zhuǎn)輪熱回收形式，最高熱交換效率88%，機(jī)組無(wú)冷熱源，新風(fēng)送風(fēng)口與多聯(lián)機(jī)送風(fēng)口并排設(shè)置，采用側(cè)送上回形式，減少冬季室內(nèi)人員的冷吹風(fēng)感，增加人員冬季熱舒適性。新風(fēng)機(jī)新排風(fēng)管設(shè)置密閉型風(fēng)閥，保證在機(jī)組不運(yùn)行時(shí)無(wú)室外風(fēng)進(jìn)入機(jī)組，影響機(jī)組性能及室內(nèi)舒適性。機(jī)組室外取排風(fēng)口設(shè)置在不同方向，新排風(fēng)管處設(shè)置50mm橡塑保溫，減少穿墻管道的熱橋影響；風(fēng)管穿外墻處設(shè)置氣密性措施，保證室內(nèi)氣密性要求。

2.4 離網(wǎng)型光儲(chǔ)能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離網(wǎng)供能系統(tǒng)的容量與房屋的整體供暖能耗息息相關(guān)，在完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)后，我們運(yùn)用Phpp軟件對(duì)臨建房屋整體進(jìn)行建模，采用延慶賽區(qū)海坨山2000m海拔的氣象環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算。在非采暖制冷季節(jié)（3～6月，9～11月），平均每天耗電約為3.41kWh。供暖季中單日耗能峰值為8.4kWh（室內(nèi)氣溫維持18℃），供冷季中耗能峰值為3.7kWh（室內(nèi)氣溫維持26℃），考慮照明智能化等其他設(shè)備的能耗每天約為3kWh，供暖季單日總電耗峰值約為11.4kWh，供冷季單日總電耗峰值6.7kWh。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，在經(jīng)濟(jì)性與可靠性平衡下，儲(chǔ)能設(shè)備最佳容量設(shè)定為20kWh。

本方案選用輕量化光伏組件，安裝在房屋頂面、東面以及西面，總計(jì)裝機(jī)量約為7.5kW。輕量化組件重量?jī)H為常規(guī)單晶硅組件和薄膜發(fā)電玻璃的1/8，不會(huì)為建筑箱體增加過(guò)多重量，同時(shí)可以快速粘貼，施工方便，強(qiáng)度高，可抗10級(jí)以上大風(fēng)。供能系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備選定磷酸鐵鋰電池，配置容量20kWh。

3 超低能耗箱式臨建房屋測(cè)試分析

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，我們建造臨建樣板房屋，并進(jìn)行了紅外線(xiàn)成像測(cè)試、靜態(tài)溫度測(cè)試以及供暖能耗測(cè)試。紅外線(xiàn)成像測(cè)試用于室內(nèi)外明顯熱橋甄別，房屋內(nèi)部除門(mén)窗處外，其余部分不存在明顯熱橋，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫較為理想。圖1為靜態(tài)溫度測(cè)試結(jié)果，在無(wú)供熱設(shè)備開(kāi)啟情況下，室內(nèi)外溫度對(duì)比可見(jiàn)，室內(nèi)溫差均高于室外溫差10℃以上，證明房屋有較好的節(jié)能保溫效果，但因臨建房屋蓄熱性較差，熱延遲現(xiàn)象不明顯。供暖能耗測(cè)試內(nèi)容為，在2021年12月23日～25日連續(xù)三日使用空氣源熱泵為臨建房供暖，維持室內(nèi)氣溫18℃。經(jīng)三日測(cè)試，供暖系統(tǒng)總耗電量為12.52kWh，平均耗電量為4.17kWh，室外平均氣溫為-5℃，符合軟件模擬結(jié)果。

圖1 室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究針對(duì)應(yīng)用于北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)高山滑雪項(xiàng)目中大風(fēng)嚴(yán)寒環(huán)境下，超低能耗箱式臨建房的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，提出了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)及離網(wǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案，且根據(jù)方案建造出樣板房并進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)方案可行，保溫性能好，節(jié)能效果顯著，供熱能耗較低。該類(lèi)型房屋還可作為高原、高寒地區(qū)保障房建設(shè)應(yīng)用，提升居民的生活居住質(zhì)量，具有良好應(yīng)用前景。