我国西部寒冷气候区模块化建筑围护结构优化设计

山如黛 汤煜 马福生

本文总结分析了我国西部严寒、寒冷气候区两个典型城市的气候特征，以降低能耗和成本优化为目标，通过对装配式模块化建筑的设计建模、模拟计算、优化分析，对不同的围护结构材料和做法进行了分析，并总结出了我国西部寒冷气候区的装配式模块化建筑的围护结构优化设计方法和建议，为我国西部寒冷气候区进行模块化建筑项目的设计和建造提供了参考。

一、研究背景

模块化建筑是以每个房间作为一个模块单元，均在工厂中进行预制生产,完成后运输至现场并通过可靠的连接方式组装成为建筑整体。模块化建筑具有建造效率高、运输方便、预制度好等优点，适用于闪建防疫医院、学校、宿舍、营房、科考营地等以单元功能为主的中小型建筑。模块化建筑技术体系构成简洁，集成度高，成本可控，上世纪起在德国、美国、新加坡、香港等发达国家地区已得到较为广泛的应用，近些年来在我国的生产和应用也开始兴起。

我国西部地区幅员辽阔，很多地区地形复杂且交通不便，经济发展较为落后，基础设施薄弱。发展模块化建筑，一方面可以帮助这些地区解决在全期内低成本地快速搭建医疗、教育、住宿等基础设施的需求，另一方面，结合被动式超低能耗技术，打造偏远地区模块化建筑产品，可以满足一些边防营地和野外科考的特殊需求，减缓广大边防部队和科考工作者的劳顿之苦。

二、我国西部寒冷气候区

1.我国西部寒冷气候区典型特征

我国幅员辽阔，由于纬度、地势等条件的不同，各地气候相差悬殊。为了使建筑设计因地制宜，充分地利用和适应我国不同的气候条件，现行《民用建筑设计统一标准》GB50352-2019中进行了建筑气候区的划分，共包括7个主气候区，20个子气候区，并对各气候区的建筑设计提出了不同的要求（图1）。

在我国的建筑气候区划中，严寒和寒冷地区主要覆盖了东北、华北和广大西部地区，占我国国土面积的70%。其中西藏、新疆维吾尔两个自治区大部分被划分在严寒和寒冷两个气候区中。这两个地区幅员辽阔，地势复杂，形成了同一气候区内不同地域的气候多样性。青藏高原多样的地形地貌以及天气系统形成了复杂多样的独特气候，除西北严寒干燥、东南温暖湿润的总趋势外，还有多种多样的区域气候以及明显的垂直气候带。在喜马拉雅山南坡高山峡谷地区，气温随着纬度升高自下而上逐渐下降，气候发生从热带或亚热带气候到温带、寒温带和寒带气候的垂直变化。从温差角度看，西藏气温年较差小、日较差大的特点十分明显（图 2、图 3）。在阿里地区等海拔5000米以上的地方，夏季八月白天气温可达10摄氏度以上，而夜间气温骤降至零摄氏度以下。

图1 中国建筑气候区划图

新疆地处北半球中纬度地区，属于北温带，地势特点是山脉与盆地相间排列，天山横亘于新疆中部，把新疆分为南北两半。由于深居内陆距海遥远且地形封闭，海洋水汽难以到达，终年降水量极为稀少，气候干旱是新疆最突出的自然特征。新疆冬冷夏热，气温日较差和年较差大，局部地区日间温度极高，远高于我国南方沿海地区（图 2、图 3）。在对这两个地区进行超低能耗设计时，需考虑对项目所在地城市进行全年气候分析，进行地域化设计。

图2 中国积温分布图

图3 中国年气温日较差图

2.我国西部寒冷气候区典型城市及气象数据分析

本文选取了西藏的帕里和新疆的吐鲁番两个典型城市进行分析和计算。帕里位于西藏亚东县的中部，被群山环绕，海拔约4300米，有“世界第一高城”之称。吐鲁番位于新疆维吾尔自治区中部，属于典型的大陆性暖温带荒漠气候，全年日照时数为3000～3200小时左右，比中国东部同纬度地区多1000小时左右，有“火洲”“风库”之称。在我国气候划分上，帕里属于严寒气候A区，吐鲁番则属于寒冷气候B区。

从图 4和图 6的全年室外温度曲线上看，帕里年平均气温0.5℃，夏季极端高温为15.8℃，冬季极端低温-24℃；年温差较差小、日温差较差大，是进行超低能耗建筑设计时需要考虑的重要因素。吐鲁番年平均气温15.1℃，夏季极端高温为44.4℃，冬季极端低温-14℃；日温差和年温差均大，全年10℃以上有效积温5300℃以上，无霜期长期达210天左右。从太阳辐射上看，帕里的太阳年辐射量为177.4千卡/平方厘米，而吐鲁番的太阳年辐射量为154.3千卡/平方厘米，比同纬度的华北、东北地区多15-20千卡/平方厘米，仅次于青藏高原。

图4 全年室外温度曲线（°C）：西藏帕里

图5 全年室外湿度（%）：西藏帕里

图6 全年室外温度（°C）：新疆吐鲁番

图7 全年室外湿度（%）：新疆吐鲁番

三、方法

选取典型的模块房建筑作为参照模型进行研究，选取3m×6m×3m的模块6个，每个模块在南侧开门窗作为采光和交通用途。模型轴测图如图 8所示，参数设置如表格 1所示。通过替换不同的围护结构材料及其厚度，对全年采暖和制冷能耗，以及全年单月分项能耗进行分析。除此之外，首先对气密性进行分析，对比气密性为0.0001和气密性0.0003情况下室内温度变化情况，以此来判断当地是否需要进行气密性处理。

表1 参数设置

图8 轴测图

四、结果和分析

如图 9所示，对比在帕里当地的室外温度条件下，在采暖空调系统关闭情况下，气密性为0.0001和气密性0.0003情况下的室内温度变化情况。可以看出，在气密性为0.0003 时，全年室内温度最高值发生在7月，为19.6℃，可以达到室内舒适要求，全年室内温度最低值发生在1月，为8.5℃。而在气密性为0.0001时，全年室内温度最高值发生在7月，为21.4℃，比气密性为0.0003的情况下提升了1.8℃，且达到了室内舒适标准，全年室内温度最低值发生在1月，为11.9℃，比气密性为0.0003的情况下提升了3.4℃，虽未达到室内舒适标准，然而在原来8.5℃的基础上提高了40%。因此，在模块式建筑的设计中，采用高气密性的做法可以减少热量散失，提高室内的舒适性。

图9 不同气密性条件下月室内平均温度变化曲线（帕里）

帕里全年采暖能耗随着围护结构厚度增加而下降，例如采用岩棉为保温层的全年采暖能耗，在厚度从50mm增加到400mm的过程中，从153.7千瓦时/m2降低到了10.3千瓦时/m2，同时，在围护结构厚度为200mm时，开始下降趋势减慢。当保温材料换成PU时，在厚度从50mm增加到400mm的过程中，从90.3千瓦时/m2降低到了6千瓦时/m2。同样的，在围护结构厚度为200mm时，开始下降趋势减慢，此时的全年采暖能耗为13.4千瓦时/m2，已经达到了被动式超低能耗建筑的要求。

帕里全年制冷能耗随着围护结构厚度增加而不断升高，以PU为例，在厚度从50mm增加到400mm的过程中，制冷能耗从0.1千瓦时/m2增加到0.5千瓦时/m2。但是，可以清晰地看到，与采暖能耗相比，制冷能耗的变化几乎可忽略不计。因此，在帕里要降低全年能耗的最直接方法仍然是增加围护结构厚度，如果不追求零能耗而追求成本和节能的最优化，围护结构厚度可以选择200mm为宜。帕里的全年单月分项能耗柱状图如图 11所示。

吐鲁番全年采暖能耗随着围护结构厚度增加而下降，以采用岩棉为保温层为例，在厚度从50mm增加到400mm的过程中，从116.6千瓦时/m2降低到23.7千瓦时/m2。采用EPS、XPS或PU为保温层的全年采暖能耗变化更为明显，例如采用EPS作为保温材料时，全年单位采暖能耗从109.1千瓦时/m2降低到22.5千瓦时/m2，采用XPS作为保温材料时，全年单位采暖能耗从97.9千瓦时/m2降低到20.8千瓦时/m2，采用PU作为保温材料时，全年单位采暖能耗从81.7千瓦时/m2降低到18.5千瓦时/m2。以上几种保温材料都是在围护结构厚度为200mm时开始下降趋势减慢。与帕里不同，吐鲁番全年制冷能耗同样随着围护结构厚度增加而不断降低，以岩棉为例，制冷能耗从176.6千瓦时/m2降低到143.0千瓦时/m2。因此，增加围护结构厚度可以在吐鲁番同时降低全年采暖和制冷的总能耗，如果不追求零能耗而追求成本和节能的最优化，围护结构厚度可以选择200mm为宜。吐鲁番夏季的制冷能耗远远超过冬季采暖能耗，且不能通过单纯增加围护结构厚度来有效解决，在设计时需要采用遮阳和提升外窗的遮阳系数等技术手段。吐鲁番的全年单月分项能耗柱状图如图14所示。

图10 全年采暖能耗围护结构厚度影响趋势：西藏帕里（1A）

图11 全年显冷能耗围护结构厚度影响趋势：西藏帕里（1A）

图12 全年单月分项能耗柱状图：西藏帕里

图13 全年采暖能耗围护结构厚度影响趋势：新疆吐鲁番

图14 全年显冷能耗围护结构厚度影响趋势：新疆吐鲁番

图15 全年单月分项能耗柱状图：新疆吐鲁番

五、结论

本文对我国西部寒冷气候区的气候特征进行了分析，阐述了模块化建筑在我国西部寒冷气候区的应用前景，提出了我国西部寒冷气候区模块化建筑设计的技术路线，并通过对不同围护材料的模拟计算以及全年能耗与太阳能发电量对比分析，论证了模块化建筑技术路线在我国西部寒冷气候区应用的科学性和可行性。

在气密性为0.0001 时，全年室内温度最高值发生在7月，为21.4℃，比气密性为0.0003的情况下提升了1.8℃，且达到了室内舒适标准，全年室内温度最低值发生在1月，为11.9℃，比气密性为0.0003的情况下提升了3.4℃，虽未达到室内舒适标准，然而在原来8.5℃的基础上提高了40%。在西藏帕里地区进行模块式建筑的设计时，采用高气密性的做法可以减少热量散失，提高室内的舒适性。在室外温度较高的夏季可以满足零能耗的需求，白天可以选用自然通风的形式散热，而夜间气温降低时可以紧闭门窗保证室内温度维持人体生存的舒适度。

西藏帕里地区全年采暖能耗随着围护结构厚度增加而下降，制冷能耗随着围护结构厚度增加而不断升高但数值很小几乎可以忽略不计，因此，在帕里要降低全年能耗的最直接方法是增加围护结构厚度，如果不追求零能耗而追求成本和节能的最优化，围护结构厚度可以选择200mm为宜。在新疆吐鲁番地区全年采暖能耗和制冷能耗都随着围护结构厚度增加而下降，同样的，如果不追求零能耗而追求成本和节能的最优化，围护结构厚度可以选择200mm为宜。但是吐鲁番的主要能耗在于夏季的制冷能耗，除了增加外保温厚度之外，还需通过遮阳以及提高外窗的遮阳系数等技术措施来解决。

本案例说明在广大的西部地区进行模块式建筑的设计时，需要因地制宜地进行气候分析，采用有效的被动式设计措施，并尽量结合当地可以就地取用的自然清洁能源，以达到最优化的设计效果。并且，在未来的研究中，需选择更多的西藏和新疆其他典型城市进行分析，并考虑遮阳、提升围护结构热惰性等更多的技术措施，以期取得更好地域性的设计。