應用于冬奧會嚴寒環境的超低能耗箱式臨建房的設計開發

文_王方舟 陳國偉 梅東升 北京京能能源技術研究有限責任公司

與永久性建筑相比，臨時建筑具有靈活構建、運輸方便、搭建工期短等特點，在工程營地、旅游、物流倉儲等各個領域得到了廣泛應用。除此之外，臨時建筑在重大體育賽事中的應用比重也在逐漸增加。北京2022年冬奧會（簡稱“北京冬奧會”）也建設了大量的臨時建筑。北京冬奧會延慶、張家口賽區賽場設置在山區坡地，氣候寒冷、大風凜冽，臨時建筑設施應具有可循環、高可靠、抗嚴寒等特性，但臨時建筑簡易的圍護結構構造導致房屋本身的熱工性能較差。特別當在嚴寒條件下進行使用時，進一步放大了臨時建筑運行階段的采暖能耗，使其難以滿足室內熱舒適需求，開發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理念的新需求。

1 臨建建筑建筑節能發展

由于臨時建筑圍護結構大多采用拼裝方法，在圍護結構面板連接處及開口邊緣處的空氣易泄漏，導致氣密性差，出現熱橋問題等。因此，針對箱式模塊化臨建房屋，如何利用高效的圍護結構保溫技術，開展被動式節能設計改造，實現房屋超高效節能、降低冷熱消耗成為當前的研究熱點問題。針對箱式臨建建筑應用特點，我們開展了超低能耗建筑技術在臨建房屋設計建造中的設計開發應用，以期進一步提升臨時建筑室內環境舒適性。

2 超低能耗箱式臨建房屋設計開發

超低能耗式建筑評判基礎條件為建筑所處氣候分區，本次設計以北京冬奧會高山滑雪延慶賽區作為應用地點，由于賽區地處高海拔山區地段，天氣寒冷且時常伴有6級以上大風環境，賽區全年氣象參數符合嚴寒地區要求，故設計標準對標嚴寒地區超低能耗建筑設計標準。

2.1 圍護結構設計方案

尺寸以6m打包箱式房為基準，為保障人員舒適度，臨建房屋內尺寸定為5.5m×3m×2.7m，外尺寸根據圍護結構厚度靈活調整，高度不高于3.5m。根據近零能耗建筑技術標準要求，建筑年供暖需求≦18kWh/m3·a，氣密性換氣次數N50≦0.6。通過PHPP軟件進行建模測算，當年供暖需求滿足要求時，臨建房屋外墻及屋面傳熱系數不得高于0.114W/(m2·K)，地面傳熱系數不得高于 0.101W/(m2·K)。同時，為了方便移動拆卸，臨建房地板部分不與溫度相對穩定的地面直接接觸，使得地板的傳熱耗熱量進一步增大，地面傳熱系數相對外墻和屋面更為嚴格。

冬奧會賽事特殊，臨建房屋在賽時使用，室內外溫差較大，房屋表面易凝結水珠，巖棉及玻璃棉保溫材料易吸水，且吸水后傳熱系數大幅增加，嚴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，組成保溫圍護結構。外墻及屋頂結構從外向內依次為鋁扣板、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，主斷面傳熱系數0.102W/(m2·K)。地面結構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，主斷面傳熱系數0.096W/(m2·K)。保溫層采用內保溫形式，采取斷熱橋設計，有效杜絕熱橋的產生。房屋外窗、外門選用鋁包木三玻惰性氣體填充被動式門窗，高透型雙層Low-e玻璃，傳熱系數0.8W/(m2·K)。

2.2 采暖系統設計方案

臨時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，不利于房屋節能，因此本方案采用超低溫空氣源熱泵供暖方式進行設計。空氣源熱泵出風口安裝在入門位置，有效阻擋冷空氣進入室內。空氣源熱泵采用多聯機一拖一系統，室外機壓縮機為超低溫型設備，制冷劑采用R410A，運行工況為-25～48℃，機組額定制冷量5.0kW，EER1.81，額定制熱量6.0kW，COP3.3。在室外-20℃時，制熱量還可達4kW，保證極端天氣情況下室內的供熱需求。室內機送回風形式采用側送后回形式，空氣源熱泵穿孔位置需要使用保溫棉及發泡膠進行有效斷橋，阻止冷空氣進入。

2.3 余熱回收新風系統

根據近零能耗建筑技術標準要求，建筑內新風需求量不小于30m3/h每人。臨時建筑房屋在賽區主要用作觀賽房、值班室、轉播室等用途，按照可容納10人設計，新風機組額定風量不應小于300m3/h。

新風機組布置在房內單獨設備間，落地放置，機組設置消音及減震裝置。新風機組額定風量350m3/h，采用轉輪熱回收形式，最高熱交換效率88%，機組無冷熱源，新風送風口與多聯機送風口并排設置，采用側送上回形式，減少冬季室內人員的冷吹風感，增加人員冬季熱舒適性。新風機新排風管設置密閉型風閥，保證在機組不運行時無室外風進入機組，影響機組性能及室內舒適性。機組室外取排風口設置在不同方向，新排風管處設置50mm橡塑保溫，減少穿墻管道的熱橋影響；風管穿外墻處設置氣密性措施，保證室內氣密性要求。

2.4 離網型光儲能源系統設計

離網供能系統的容量與房屋的整體供暖能耗息息相關，在完成圍護結構方案設計后，我們運用Phpp軟件對臨建房屋整體進行建模，采用延慶賽區海坨山2000m海拔的氣象環境參數進行了模擬計算。在非采暖制冷季節（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（室內氣溫維持18℃），供冷季中耗能峰值為3.7kWh（室內氣溫維持26℃），考慮照明智能化等其他設備的能耗每天約為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。根據模擬計算結果，在經濟性與可靠性平衡下，儲能設備最佳容量設定為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，總計裝機量約為7.5kW。輕量化組件重量僅為常規單晶硅組件和薄膜發電玻璃的1/8，不會為建筑箱體增加過多重量，同時可以快速粘貼，施工方便，強度高，可抗10級以上大風。供能系統儲能設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試分析

根據方案設計，我們建造臨建樣板房屋，并進行了紅外線成像測試、靜態溫度測試以及供暖能耗測試。紅外線成像測試用于室內外明顯熱橋甄別，房屋內部除門窗處外，其余部分不存在明顯熱橋，圍護結構保溫較為理想。圖1為靜態溫度測試結果，在無供熱設備開啟情況下，室內外溫度對比可見，室內溫差均高于室外溫差10℃以上，證明房屋有較好的節能保溫效果，但因臨建房屋蓄熱性較差，熱延遲現象不明顯。供暖能耗測試內容為，在2021年12月23日～25日連續三日使用空氣源熱泵為臨建房供暖，維持室內氣溫18℃。經三日測試，供暖系統總耗電量為12.52kWh，平均耗電量為4.17kWh，室外平均氣溫為-5℃，符合軟件模擬結果。

圖1 室內外熱環境參數

4 結語

本次研究針對應用于北京冬奧會延慶賽區高山滑雪項目中大風嚴寒環境下，超低能耗箱式臨建房的設計開發，提出了建筑圍護結構、采暖系統、新風系統及離網光儲系統的具體設計方案，且根據方案建造出樣板房并進行測試。測試結果顯示，設計方案可行，保溫性能好，節能效果顯著，供熱能耗較低。該類型房屋還可作為高原、高寒地區保障房建設應用，提升居民的生活居住質量，具有良好應用前景。