我國西部寒冷氣候區模塊化建筑圍護結構優化設計

山如黛 湯煜 馬福生

本文總結分析了我國西部嚴寒、寒冷氣候區兩個典型城市的氣候特征，以降低能耗和成本優化為目標，通過對裝配式模塊化建筑的設計建模、模擬計算、優化分析，對不同的圍護結構材料和做法進行了分析，并總結出了我國西部寒冷氣候區的裝配式模塊化建筑的圍護結構優化設計方法和建議，為我國西部寒冷氣候區進行模塊化建筑項目的設計和建造提供了參考。

一、研究背景

模塊化建筑是以每個房間作為一個模塊單元，均在工廠中進行預制生產,完成后運輸至現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、運輸方便、預制度好等優點，適用于閃建防疫醫院、學校、宿舍、營房、科考營地等以單元功能為主的中小型建筑。模塊化建筑技術體系構成簡潔，集成度高，成本可控，上世紀起在德國、美國、新加坡、香港等發達國家地區已得到較為廣泛的應用，近些年來在我國的生產和應用也開始興起。

我國西部地區幅員遼闊，很多地區地形復雜且交通不便，經濟發展較為落后，基礎設施薄弱。發展模塊化建筑，一方面可以幫助這些地區解決在全期內低成本地快速搭建醫療、教育、住宿等基礎設施的需求，另一方面，結合被動式超低能耗技術，打造偏遠地區模塊化建筑產品，可以滿足一些邊防營地和野外科考的特殊需求，減緩廣大邊防部隊和科考工作者的勞頓之苦。

二、我國西部寒冷氣候區

1.我國西部寒冷氣候區典型特征

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。為了使建筑設計因地制宜，充分地利用和適應我國不同的氣候條件，現行《民用建筑設計統一標準》GB50352-2019中進行了建筑氣候區的劃分，共包括7個主氣候區，20個子氣候區，并對各氣候區的建筑設計提出了不同的要求（圖1）。

在我國的建筑氣候區劃中，嚴寒和寒冷地區主要覆蓋了東北、華北和廣大西部地區，占我國國土面積的70%。其中西藏、新疆維吾爾兩個自治區大部分被劃分在嚴寒和寒冷兩個氣候區中。這兩個地區幅員遼闊，地勢復雜，形成了同一氣候區內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形成了復雜多樣的獨特氣候，除西北嚴寒干燥、東南溫暖濕潤的總趨勢外，還有多種多樣的區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，氣溫隨著緯度升高自下而上逐漸下降，氣候發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、日較差大的特點十分明顯（圖 2、圖 3）。在阿里地區等海拔5000米以上的地方，夏季八月白天氣溫可達10攝氏度以上，而夜間氣溫驟降至零攝氏度以下。

圖1 中國建筑氣候區劃圖

新疆地處北半球中緯度地區，屬于北溫帶，地勢特點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。由于深居內陸距海遙遠且地形封閉，海洋水汽難以到達，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，局部地區日間溫度極高，遠高于我國南方沿海地區（圖 2、圖 3）。在對這兩個地區進行超低能耗設計時，需考慮對項目所在地城市進行全年氣候分析，進行地域化設計。

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典型城市及氣象數據分析

本文選取了西藏的帕里和新疆的吐魯番兩個典型城市進行分析和計算。帕里位于西藏亞東縣的中部，被群山環繞，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中部，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候，全年日照時數為3000～3200小時左右，比中國東部同緯度地區多1000小時左右，有“火洲”“風庫”之稱。在我國氣候劃分上，帕里屬于嚴寒氣候A區，吐魯番則屬于寒冷氣候B區。

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，是進行超低能耗建筑設計時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行研究，選取3m×6m×3m的模塊6個，每個模塊在南側開門窗作為采光和交通用途。模型軸測圖如圖 8所示，參數設置如表格 1所示。通過替換不同的圍護結構材料及其厚度，對全年采暖和制冷能耗，以及全年單月分項能耗進行分析。除此之外，首先對氣密性進行分析，對比氣密性為0.0001和氣密性0.0003情況下室內溫度變化情況，以此來判斷當地是否需要進行氣密性處理。

表1 參數設置

圖8 軸測圖

四、結果和分析

如圖 9所示，對比在帕里當地的室外溫度條件下，在采暖空調系統關閉情況下，氣密性為0.0001和氣密性0.0003情況下的室內溫度變化情況。可以看出，在氣密性為0.0003 時，全年室內溫度最高值發生在7月，為19.6℃，可以達到室內舒適要求，全年室內溫度最低值發生在1月，為8.5℃。而在氣密性為0.0001時，全年室內溫度最高值發生在7月，為21.4℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了1.8℃，且達到了室內舒適標準，全年室內溫度最低值發生在1月，為11.9℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了3.4℃，雖未達到室內舒適標準，然而在原來8.5℃的基礎上提高了40%。因此，在模塊式建筑的設計中，采用高氣密性的做法可以減少熱量散失，提高室內的舒適性。

圖9 不同氣密性條件下月室內平均溫度變化曲線（帕里）

帕里全年采暖能耗隨著圍護結構厚度增加而下降，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/m2降低到了10.3千瓦時/m2，同時，在圍護結構厚度為200mm時，開始下降趨勢減慢。當保溫材料換成PU時，在厚度從50mm增加到400mm的過程中，從90.3千瓦時/m2降低到了6千瓦時/m2。同樣的，在圍護結構厚度為200mm時，開始下降趨勢減慢，此時的全年采暖能耗為13.4千瓦時/m2，已經達到了被動式超低能耗建筑的要求。

帕里全年制冷能耗隨著圍護結構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/m2增加到0.5千瓦時/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。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結構厚度，如果不追求零能耗而追求成本和節能的最優化，圍護結構厚度可以選擇200mm為宜。帕里的全年單月分項能耗柱狀圖如圖 11所示。

吐魯番全年采暖能耗隨著圍護結構厚度增加而下降，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/m2降低到23.7千瓦時/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，全年單位采暖能耗從109.1千瓦時/m2降低到22.5千瓦時/m2，采用XPS作為保溫材料時，全年單位采暖能耗從97.9千瓦時/m2降低到20.8千瓦時/m2，采用PU作為保溫材料時，全年單位采暖能耗從81.7千瓦時/m2降低到18.5千瓦時/m2。以上幾種保溫材料都是在圍護結構厚度為200mm時開始下降趨勢減慢。與帕里不同，吐魯番全年制冷能耗同樣隨著圍護結構厚度增加而不斷降低，以巖棉為例，制冷能耗從176.6千瓦時/m2降低到143.0千瓦時/m2。因此，增加圍護結構厚度可以在吐魯番同時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能的最優化，圍護結構厚度可以選擇200mm為宜。吐魯番夏季的制冷能耗遠遠超過冬季采暖能耗，且不能通過單純增加圍護結構厚度來有效解決，在設計時需要采用遮陽和提升外窗的遮陽系數等技術手段。吐魯番的全年單月分項能耗柱狀圖如圖14所示。

圖10 全年采暖能耗圍護結構厚度影響趨勢：西藏帕里（1A）

圖11 全年顯冷能耗圍護結構厚度影響趨勢：西藏帕里（1A）

圖12 全年單月分項能耗柱狀圖：西藏帕里

圖13 全年采暖能耗圍護結構厚度影響趨勢：新疆吐魯番

圖14 全年顯冷能耗圍護結構厚度影響趨勢：新疆吐魯番

圖15 全年單月分項能耗柱狀圖：新疆吐魯番

五、結論

本文對我國西部寒冷氣候區的氣候特征進行了分析，闡述了模塊化建筑在我國西部寒冷氣候區的應用前景，提出了我國西部寒冷氣候區模塊化建筑設計的技術路線，并通過對不同圍護材料的模擬計算以及全年能耗與太陽能發電量對比分析，論證了模塊化建筑技術路線在我國西部寒冷氣候區應用的科學性和可行性。

在氣密性為0.0001 時，全年室內溫度最高值發生在7月，為21.4℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了1.8℃，且達到了室內舒適標準，全年室內溫度最低值發生在1月，為11.9℃，比氣密性為0.0003的情況下提升了3.4℃，雖未達到室內舒適標準，然而在原來8.5℃的基礎上提高了40%。在西藏帕里地區進行模塊式建筑的設計時，采用高氣密性的做法可以減少熱量散失，提高室內的舒適性。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的形式散熱，而夜間氣溫降低時可以緊閉門窗保證室內溫度維持人體生存的舒適度。

西藏帕里地區全年采暖能耗隨著圍護結構厚度增加而下降，制冷能耗隨著圍護結構厚度增加而不斷升高但數值很小幾乎可以忽略不計，因此，在帕里要降低全年能耗的最直接方法是增加圍護結構厚度，如果不追求零能耗而追求成本和節能的最優化，圍護結構厚度可以選擇200mm為宜。在新疆吐魯番地區全年采暖能耗和制冷能耗都隨著圍護結構厚度增加而下降，同樣的，如果不追求零能耗而追求成本和節能的最優化，圍護結構厚度可以選擇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等技術措施來解決。

本案例說明在廣大的西部地區進行模塊式建筑的設計時，需要因地制宜地進行氣候分析，采用有效的被動式設計措施，并盡量結合當地可以就地取用的自然清潔能源，以達到最優化的設計效果。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行分析，并考慮遮陽、提升圍護結構熱惰性等更多的技術措施，以期取得更好地域性的設計。