某高海拔駐外項目部住宿單元能耗預測及優化

藺旭宏，張澍良，馮浩棟，秦 歡

(中國人民解放軍63926部隊，北京 100089)

2020年，中國碳排放總量達99億t，占全球碳排放總量31%。為減少碳排放導致的日益嚴峻的氣候問題，我國提出“30·60”碳目標規劃：2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，彰顯國家應對國際氣候問題的決心和擔當[1]。其中，建筑行業是我國碳排放主要行業之一[2]，研究機構Carbon Brief最新統計數據顯示：建筑碳排量占我國碳排量總量40%。因此減少建筑行業的能源消耗是降低碳排量，實現碳中和的有力舉措[3-4]。

某地高海拔地區氣候嚴峻：夏季炎熱，冬季寒冷，為人員提供舒適的工作生活環境，要常年滿足采暖制冷需求。某項目部在此執行特殊任務，駐地遠離市區，解決用電問題長期依賴柴油發電機，勢必消耗大量的能源并造成大量碳排放。本課題通過數字建模與計算機模擬，對該項目部住宿單元能耗及碳排放量進行預測，并基于“碳中和”考量，對生活區布局進行節能優化，通過對比試驗，為高海拔地區駐外項目部“節能減碳”綠色設計提供理論指導。

1 研究方法

1.1 模型構建

研究依據高海拔某項目部生活區實際住宿單元布局還原構建“現場數字模型”，并以“安全、便捷、可持續”為指導，對用地現狀采取不同程度的“集中化”科學構想，建立與之對應的數字模型，對比計算“3類”不同集中程度下生活區住宿單元運營需要的能源消耗與碳排放量，結果以期為“實現高海拔地區生活區住宿單元節能減碳設計”響應國家新一輪“碳中和”戰略目標提供理論指導。

1.1.1 model 1：分散式布局

某項目部生活區住宿單元為長寬高“6 m×3 m×2.8 m”的獨立箱體建筑，以“南-北”為朝向分列2排，第1排布置5個住宿單元，第二排布置7個住宿單元，12個住 宿單元之間四周預留2 m間距作為步行通道，布局形式為分散式(如圖1(a)所示)。

圖1(b)為生活區場地布局現狀按1∶1建立的數字模型model 1，該模式下可視熱區域(All Visible Thermal Zones)基本信息如下：總建筑表面積(Total Surface Area)為1 303.020 m2，總暴露面積(Total Exposed Area)為622.020 m2，總南向開窗面積(Total South Window)為8.4 m2；總開窗面積(Total Window Area)為18.12 m2。

1.1.2 model 2：半集中式

圖1(c)為根據優化后的“半集中式”生活區場地布局構想建立的數字模型model 2，基本信息如下：總建筑表面積為1 294.500 m2，總暴露面積為469.500 m2，南向開窗面積、總開窗面積與model 1數據一致。

1.1.3 model 3：集中式

圖1(d)為根據優化后的“集中式”生活區場地布局構想建立的數字模型model 3，基本信息如下：總建筑表面積為1 289.700 m2，總暴露面積為281.100 m2，南向開窗面積、總開窗面積與model 1數據一致。

1.2 模型設置

1.2.1 材料模塊設置

在軟件中進行住宿單元建模時，對圍護結構材料層次及其熱屬性進行設置，如圖2所示：每個住宿單元獨立箱體的圍護結構內外兩側均為0.5 cm厚鋁合金(Aluminum Alloy)中間夾5 cm厚保溫石棉板(Rock Wool)，兩種材料的密度(Density)、比熱(Sp.Heat)、導熱系數(Conduct)等基本物理參數采用軟件默認的給定數據。

1.2.2 運營模塊設置

本研究模型基本設定，每個住宿單元采用混合模式系統維持舒適的室內微氣候條件：溫度18 ℃～26 ℃，相對濕度60%，風速0.1 m/s，室內照明300 lux，HVAC工作效率為95%，具體細節見圖3(a)。

人員設定以每5人一個住宿單元進行分配，室內個人活動度為150 W,即輕微運動模式。每日07:00～17:00 操課期間40%人員室內留守，60%人員戶外作業；17:00至次日07:00非操課期間所有人員均待在室內(100%)，具體細節見圖3(b)。

2 研究結果

2.1 圍護結構得熱

圍護結構總得熱(Fabric Gains)為太陽輻射得熱(Solar)與對流散熱(Convection)的總和，即Qs-Qc，反映建筑表皮受自然環境影響的程度。圖4分別顯示了不同生活區場地布局形式下，各月住宿單元圍護結構的日均得熱情況。

整體而言，3種不同生活區場地布局形式，圍護結構日均得熱在全年各月的趨勢較為一致，其中1月～4月及11月～12月(低溫季節)圍護結構的熱量為負值，表現為失熱，5月～10月(高溫季節)為正值，表現為得熱。

具體數值顯示：3種不同生活區場地布局形式下各月日均得熱在數值上差異較為明顯。model 1分散式布局圍護結構在1月失熱量最高達537 049 W，在7月得熱量最高達127 238 W；model 2半集中式布局圍護結構在1月失熱量最高達405 052 W，在7月得熱量最高達101 150 W；model 3半集中式布局圍護結構在1月失熱量最高達242 879 W，在7月得熱量最高達66 215 W。

對比可知：model 1分散式布局受環境影響最大，在高溫季節得熱量最多，在低溫季節失熱量最多，model 2半集中式次之，model 3集中式受環境影響最小。model 3在1月份的失熱量僅為model 1失熱量的45.2%，在7月份的得熱量僅為model 1得熱量的52.0%。

2.2 建筑能耗

表1顯示了3種不同生活區場地布局形式為維持住宿單元舒適的室內微氣候條件，HVAC系統運行所消耗的能源。數據顯示：3種模式下的住宿單元能耗峰值在全年分布上表現一致，即冬季1月份所需的采暖能耗最高，夏季7月份所需的制冷能耗最高；但在具體數值上，差異性較為明顯：model 1分散式1月份能耗13 422 kW·h用電量，7月份能耗為1 664 kW·h用電量；model 2半集中式1月份能耗為12 544 kW·h用電量，7月份能耗為1 504 kW·h用電量；model 3集中式1月份能耗為11 333 kW·h用電量，7月份能耗為1 365 kW·h用電量。

表1 月能耗 kW·h

由全年用電總能耗可知，model 1分散式能耗最高，年耗電量達48 044 kW·h，model 2半集中式能耗一般，年耗電量為44 560 kW·h，model 3集中式能耗最低，年耗電量為39 670 kW·h，model 3布局較現狀model 1可節約8 374 kW·h耗電量。

2.3 碳排放量

表2顯示了3種不同生活區場地布局形式下，住宿單元能源消耗所產生的碳排放量。與2.2結果保持一致，在能源消耗最多的月份，碳排放量最高——全年碳排放量峰值集中在冬季取暖期1月份，數據顯示：model 1分散式當月碳排放量為428.8 t，model 2半集中式當月碳排放量達為400.7 t，model 3集中式當月碳排放量為362.1 t。

表2 月碳排放量 t

全年碳排放量以model 1分散式最多達1 534.7 t，model 2半集中式次之為1 423.6 t，model 3集中式最少僅為1 267.3 t，model 3布局較現狀model 1可減少約267.4 t碳排放量。

3 研究結論

不同形式的建筑布局差異性具有不同程度的“碳中和”效益——建筑布局集中程度越高，越容易獲得較高的“碳中和”效益(集中式>半集中式>分散式)。以“高海拔某項目部”為例，在當前項目部生活區場地布局形式下，住宿單元受環境應力影響較大，導致冬季取暖和夏季制冷能源消耗略高，優化“分散式”布局為“集中式”，模擬結果顯示：1)冬季最冷月1月環境應力降低54.8%，夏季最熱月7月環境應力降低48%；2)年均能源消耗電量降低8 374 kW·h；3)年均碳排放量減少267.4 t。根據以上研究結論，高海拔駐外項目部生活區場地布局應盡可能以“集中式”為目標進行規劃,以減少能源消耗以及碳排放量，在一定程度上推進“碳中和”的實現。