某高海拔驻外项目部住宿单元能耗预测及优化

蔺旭宏，张澍良，冯浩栋，秦 欢

(中国人民解放军63926部队，北京 100089)

2020年，中国碳排放总量达99亿t，占全球碳排放总量31%。为减少碳排放导致的日益严峻的气候问题，我国提出“30·60”碳目标规划：2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，彰显国家应对国际气候问题的决心和担当[1]。其中，建筑行业是我国碳排放主要行业之一[2]，研究机构Carbon Brief最新统计数据显示：建筑碳排量占我国碳排量总量40%。因此减少建筑行业的能源消耗是降低碳排量，实现碳中和的有力举措[3-4]。

某地高海拔地区气候严峻：夏季炎热，冬季寒冷，为人员提供舒适的工作生活环境，要常年满足采暖制冷需求。某项目部在此执行特殊任务，驻地远离市区，解决用电问题长期依赖柴油发电机，势必消耗大量的能源并造成大量碳排放。本课题通过数字建模与计算机模拟，对该项目部住宿单元能耗及碳排放量进行预测，并基于“碳中和”考量，对生活区布局进行节能优化，通过对比试验，为高海拔地区驻外项目部“节能减碳”绿色设计提供理论指导。

1 研究方法

1.1 模型构建

研究依据高海拔某项目部生活区实际住宿单元布局还原构建“现场数字模型”，并以“安全、便捷、可持续”为指导，对用地现状采取不同程度的“集中化”科学构想，建立与之对应的数字模型，对比计算“3类”不同集中程度下生活区住宿单元运营需要的能源消耗与碳排放量，结果以期为“实现高海拔地区生活区住宿单元节能减碳设计”响应国家新一轮“碳中和”战略目标提供理论指导。

1.1.1 model 1：分散式布局

某项目部生活区住宿单元为长宽高“6 m×3 m×2.8 m”的独立箱体建筑，以“南-北”为朝向分列2排，第1排布置5个住宿单元，第二排布置7个住宿单元，12个住 宿单元之间四周预留2 m间距作为步行通道，布局形式为分散式(如图1(a)所示)。

图1(b)为生活区场地布局现状按1∶1建立的数字模型model 1，该模式下可视热区域(All Visible Thermal Zones)基本信息如下：总建筑表面积(Total Surface Area)为1 303.020 m2，总暴露面积(Total Exposed Area)为622.020 m2，总南向开窗面积(Total South Window)为8.4 m2；总开窗面积(Total Window Area)为18.12 m2。

1.1.2 model 2：半集中式

图1(c)为根据优化后的“半集中式”生活区场地布局构想建立的数字模型model 2，基本信息如下：总建筑表面积为1 294.500 m2，总暴露面积为469.500 m2，南向开窗面积、总开窗面积与model 1数据一致。

1.1.3 model 3：集中式

图1(d)为根据优化后的“集中式”生活区场地布局构想建立的数字模型model 3，基本信息如下：总建筑表面积为1 289.700 m2，总暴露面积为281.100 m2，南向开窗面积、总开窗面积与model 1数据一致。

1.2 模型设置

1.2.1 材料模块设置

在软件中进行住宿单元建模时，对围护结构材料层次及其热属性进行设置，如图2所示：每个住宿单元独立箱体的围护结构内外两侧均为0.5 cm厚铝合金(Aluminum Alloy)中间夹5 cm厚保温石棉板(Rock Wool)，两种材料的密度(Density)、比热(Sp.Heat)、导热系数(Conduct)等基本物理参数采用软件默认的给定数据。

1.2.2 运营模块设置

本研究模型基本设定，每个住宿单元采用混合模式系统维持舒适的室内微气候条件：温度18 ℃～26 ℃，相对湿度60%，风速0.1 m/s，室内照明300 lux，HVAC工作效率为95%，具体细节见图3(a)。

人员设定以每5人一个住宿单元进行分配，室内个人活动度为150 W,即轻微运动模式。每日07:00～17:00 操课期间40%人员室内留守，60%人员户外作业；17:00至次日07:00非操课期间所有人员均待在室内(100%)，具体细节见图3(b)。

2 研究结果

2.1 围护结构得热

围护结构总得热(Fabric Gains)为太阳辐射得热(Solar)与对流散热(Convection)的总和，即Qs-Qc，反映建筑表皮受自然环境影响的程度。图4分别显示了不同生活区场地布局形式下，各月住宿单元围护结构的日均得热情况。

整体而言，3种不同生活区场地布局形式，围护结构日均得热在全年各月的趋势较为一致，其中1月～4月及11月～12月(低温季节)围护结构的热量为负值，表现为失热，5月～10月(高温季节)为正值，表现为得热。

具体数值显示：3种不同生活区场地布局形式下各月日均得热在数值上差异较为明显。model 1分散式布局围护结构在1月失热量最高达537 049 W，在7月得热量最高达127 238 W；model 2半集中式布局围护结构在1月失热量最高达405 052 W，在7月得热量最高达101 150 W；model 3半集中式布局围护结构在1月失热量最高达242 879 W，在7月得热量最高达66 215 W。

对比可知：model 1分散式布局受环境影响最大，在高温季节得热量最多，在低温季节失热量最多，model 2半集中式次之，model 3集中式受环境影响最小。model 3在1月份的失热量仅为model 1失热量的45.2%，在7月份的得热量仅为model 1得热量的52.0%。

2.2 建筑能耗

表1显示了3种不同生活区场地布局形式为维持住宿单元舒适的室内微气候条件，HVAC系统运行所消耗的能源。数据显示：3种模式下的住宿单元能耗峰值在全年分布上表现一致，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；但在具体数值上，差异性较为明显：model 1分散式1月份能耗13 422 kW·h用电量，7月份能耗为1 664 kW·h用电量；model 2半集中式1月份能耗为12 544 kW·h用电量，7月份能耗为1 504 kW·h用电量；model 3集中式1月份能耗为11 333 kW·h用电量，7月份能耗为1 365 kW·h用电量。

表1 月能耗 kW·h

由全年用电总能耗可知，model 1分散式能耗最高，年耗电量达48 044 kW·h，model 2半集中式能耗一般，年耗电量为44 560 kW·h，model 3集中式能耗最低，年耗电量为39 670 kW·h，model 3布局较现状model 1可节约8 374 kW·h耗电量。

2.3 碳排放量

表2显示了3种不同生活区场地布局形式下，住宿单元能源消耗所产生的碳排放量。与2.2结果保持一致，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，数据显示：model 1分散式当月碳排放量为428.8 t，model 2半集中式当月碳排放量达为400.7 t，model 3集中式当月碳排放量为362.1 t。

表2 月碳排放量 t

全年碳排放量以model 1分散式最多达1 534.7 t，model 2半集中式次之为1 423.6 t，model 3集中式最少仅为1 267.3 t，model 3布局较现状model 1可减少约267.4 t碳排放量。

3 研究结论

不同形式的建筑布局差异性具有不同程度的“碳中和”效益——建筑布局集中程度越高，越容易获得较高的“碳中和”效益(集中式>半集中式>分散式)。以“高海拔某项目部”为例，在当前项目部生活区场地布局形式下，住宿单元受环境应力影响较大，导致冬季取暖和夏季制冷能源消耗略高，优化“分散式”布局为“集中式”，模拟结果显示：1)冬季最冷月1月环境应力降低54.8%，夏季最热月7月环境应力降低48%；2)年均能源消耗电量降低8 374 kW·h；3)年均碳排放量减少267.4 t。根据以上研究结论，高海拔驻外项目部生活区场地布局应尽可能以“集中式”为目标进行规划,以减少能源消耗以及碳排放量，在一定程度上推进“碳中和”的实现。