魏秋晨

(天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院，天津 300000)

1 研發(fā)新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房的意義

我國幅員遼闊，氣象和地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，加之當今全球氣候變化，極端天氣頻發(fā)，我國已處于自然災(zāi)害多發(fā)期。災(zāi)害種類多，分布地域廣，發(fā)生頻率高，造成損失重，這是我國的基本國情。依據(jù)每年民政部、國家減災(zāi)委員會辦公室會同有關(guān)部門例行發(fā)布的全國自然災(zāi)害基本情況分析，表1統(tǒng)計了近年我國自然災(zāi)害的基本數(shù)據(jù)。從中可以看到，每年自然災(zāi)害都會造成我國大量房屋倒塌或損壞，導(dǎo)致大量災(zāi)區(qū)居民需要緊急轉(zhuǎn)移安置。

表1 近年全國自然災(zāi)害基本情況統(tǒng)計

數(shù)據(jù)來源:民政部網(wǎng)站

在災(zāi)后初期緊急搶險救援之后，災(zāi)區(qū)重建正式完成之前，最重要的工作是為災(zāi)害中緊急轉(zhuǎn)移無家可歸的災(zāi)民提供臨時過渡居住的場所，使其免于露宿，減少進一步的因災(zāi)人員傷亡。目前常見的應(yīng)急救災(zāi)房屋類型有帳篷，裝配式輕鋼活動板房，集裝箱房等。如2008年舉世震驚的汶川特大地震后，我國政府迅速組織大量人力、物力在最短的時間內(nèi)援建了大量的裝配式輕鋼活動板房作為應(yīng)急救災(zāi)房，給災(zāi)民提供了相對良好的生活空間。然而，現(xiàn)有各類型應(yīng)急救災(zāi)房屋均存在一定不足之處，如帳篷內(nèi)生活條件較為艱苦，熱舒適度差(例如夏季篷內(nèi)溫度升高會很快)；裝配式輕鋼活動板房各構(gòu)件現(xiàn)場裝配施工期較長，需有一定專業(yè)技能的施工人員和相關(guān)施工設(shè)備；集裝箱房運輸至現(xiàn)場可以免拼裝，直接入住，但其外形較龐大，無法折疊收攏，運輸效率較低，一般每臺普通運輸車輛僅能運輸一個標準箱體。

此外，重大災(zāi)害常導(dǎo)致災(zāi)區(qū)能源基礎(chǔ)設(shè)施全面癱瘓，電力供應(yīng)中斷，搶修期較長。目前常用解決方法為應(yīng)急發(fā)電車/發(fā)電機(組)，使用傳統(tǒng)化石燃料(如燃油)。但各地儲備的應(yīng)急發(fā)電車/機組數(shù)量有限，其所使用的大量化石燃料常需外運進入災(zāi)區(qū)，受損的交通基礎(chǔ)設(shè)施又會導(dǎo)致其運輸難度和成本巨大，因而重大災(zāi)害災(zāi)區(qū)常出現(xiàn)電力、能源供應(yīng)緊張的局面，這對處于災(zāi)后過渡安置期的災(zāi)民生活狀況帶來了嚴重影響，對其心理重建走出災(zāi)后陰影以及積極參與到災(zāi)區(qū)重建進程產(chǎn)生不利影響。但事實是，任何災(zāi)區(qū)都存在一種現(xiàn)場易得的可再生清潔能源:太陽能。

本文在總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上提出了一種新的太陽能應(yīng)急救災(zāi)房屋實現(xiàn)方案，并介紹了圍繞該房屋承載與能量特性開展科學(xué)研究的方案。該新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房本質(zhì)為鋁合金折疊式活動房屋技術(shù)與太陽能電熱冷多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)一體化(即太陽能建筑一體化)，與現(xiàn)有各類型應(yīng)急救災(zāi)房相比，其優(yōu)點如表2所示。

表2 新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房與現(xiàn)有各類型應(yīng)急救災(zāi)房比較

2 太陽能應(yīng)急救災(zāi)房研究現(xiàn)狀

將太陽能與應(yīng)急救災(zāi)房一體化是近些年新出現(xiàn)的趨勢。以下是文獻檢索到的近年3個太陽能應(yīng)急救災(zāi)房范例。

2005年8月超級颶風卡特琳娜 (Hurricane Katrina) 在美國墨西哥灣地區(qū) (尤其是新奧爾良市) 造成了極大破壞。美國奧本大學(xué)Auburn University研究團隊[1]在災(zāi)區(qū)當?shù)亓餍械膽?yīng)急救災(zāi)房“卡特琳娜小木屋”(Katrina Cottage)上集成了2kW光伏發(fā)電系統(tǒng)和32平方英尺的太陽能熱水供暖系統(tǒng)，并通過軟件PV Design Pro-S & -G及DoE Energy 10模擬證明了該系統(tǒng)的技術(shù)及經(jīng)濟可行性。

美國Higier等[2]研發(fā)了使用可再生能源供電的移動醫(yī)療帳篷。該帳篷室內(nèi)面積為46.5 m2，其集成的可再生能源系統(tǒng)包括混合風電和光伏系統(tǒng)，磷酸鐵鋰(LiFePO4)儲能電池。其中光伏系統(tǒng)為集成到帳篷外表面的4.8kW功率的薄膜光伏電池板。該移動醫(yī)療帳篷系統(tǒng)已被部署到多米尼加共和國。

意大利Cornaro等[3]對一光伏救災(zāi)帳篷的熱環(huán)境進行了動態(tài)模擬及優(yōu)化。通過使用建筑能量模擬軟件IDA Indoor Climate and Energy 4.5，基于在某地收集的實驗數(shù)據(jù) 建立了帳篷的熱環(huán)境仿真模型，并通過比較實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行了模型校準。接著該模型被用來模擬并制定不同地域氣候條件下該太陽能帳篷的熱環(huán)境改進方案。建議的優(yōu)化方案被證明有助于改善室內(nèi)氣候環(huán)境及能耗。

3 新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房的實現(xiàn)

本文旨在研從結(jié)構(gòu)性能與能量性能兩方面對救災(zāi)房展開優(yōu)化研究，形成建筑與太陽能(即結(jié)構(gòu)與能量)一體化，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全(即在風，雪設(shè)計荷載作用下房屋應(yīng)力與變形不超過允許狀態(tài))以及建筑低/零能耗(即在典型災(zāi)害高發(fā)區(qū)域氣候條件下房屋能夠在較大程度上或完全實現(xiàn)電熱冷的自供能并營造良好的室內(nèi)熱環(huán)境，從而減少對應(yīng)急發(fā)電設(shè)備及其所用化石燃料供應(yīng)的依賴與壓力)。

3.1 建筑與太陽能(即結(jié)構(gòu)與能量)一體化方案

3.1.1 快速折疊方案

折疊展開無需拼接裝配，10 min內(nèi)完全展開為房屋形態(tài)，迅速折疊展開后，為剛性整體式房屋，可折疊收攏，運輸效率高(每標準40英尺集裝箱可運輸6間收攏的房屋)。

3.1.2 結(jié)構(gòu)框架方案

采用鋁合金材料，耐候性強，相對于鋼材而言鋁合金抗銹蝕，可以反復(fù)使用。

3.1.3 耦合能量屬性的圍護結(jié)構(gòu)方案

各個圍護結(jié)構(gòu)均采用含輕質(zhì)隔熱A級防火的鋁合金面酚醛泡沫夾芯板：屋頂耦合電熱冷三聯(lián)產(chǎn)光伏輻射板；墻體內(nèi)耦合相變材料儲能構(gòu)件，墻外附有獨立電器柜；地板耦合輻射采暖/制冷構(gòu)件，具體如圖1所示。

3.1.4 框架內(nèi)及框架-圍護結(jié)構(gòu)間所用連接件方案

采用鉸鏈及螺栓等。

3.2 研究內(nèi)容

3.2.1 房屋結(jié)構(gòu)體系的有限元分析

通過計算流體動力學(xué)CFD及小比例尺剛性模型風洞試驗準確確定在不同風攻角下該具備新穎氣動外形(小體量平屋頂耦合傾斜的大型一前一后式雙光伏板)建筑的風荷載特性(主要設(shè)計荷載)，然后通過對耦合相變儲能材料后的新材料夾層墻面板(圍護結(jié)構(gòu)一部分)進行力學(xué)性能分析，建立房屋整體(框架+圍護結(jié)構(gòu))的有限元模型。通過非線性有限元分析考察該新型房屋在設(shè)計荷載風荷載與雪荷載(后者可直接用豎向重力模擬)作用下的應(yīng)力與變形。這部分可概括為“荷載”→ “本構(gòu)”→ “響應(yīng)”。

僅3、5閥門開通，直接供能；僅2、5閥門開通，儲能供能同步進行；僅2、4閥門開通，僅儲能；僅1、2、5閥門開通，依靠已儲存能量供能

圖1新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房的太陽能供暖/冷系統(tǒng)示意圖

3.2.2 房屋能量體系的軟件模擬

通過理論分析及實測確定屋頂電熱冷三聯(lián)產(chǎn)光伏輻射板能量生產(chǎn)特性參數(shù)，耦合相變儲能材料后新型夾層墻面板等效熱工參數(shù)(熱阻、蓄熱系數(shù)等)及房屋其它各種能量負荷參數(shù)，然后基于主流的建筑動態(tài)(逐時)能耗模擬軟件EnergyPlus平臺進行房屋在典型災(zāi)區(qū)氣候條件下的動態(tài)能耗模擬。這部分可概括為“產(chǎn)能” → “負荷”→ “能耗”。

3.2.3 結(jié)構(gòu)-能量體系的足尺試驗檢測

以所制原型房屋為平臺，在若干典型災(zāi)區(qū)氣候條件下進行房屋能耗和熱環(huán)境實測，然后進行房屋整體承載力試驗(施加雪荷載，等效靜力風荷載)，測量房屋各構(gòu)件內(nèi)力及變形，確定房屋極限承載力及破壞機理。

4 結(jié)論

我國是世界上自然災(zāi)害最為嚴重的國家之一，研發(fā)新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房具有重要的現(xiàn)實意義。本文在總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上提出了一種新的太陽能應(yīng)急救災(zāi)房屋實現(xiàn)方案，并介紹了圍繞該房屋承載與能量特性開展科學(xué)研究的方案。該新型太陽能應(yīng)急救災(zāi)房屋方案具有整體剛性、可折疊、可反復(fù)使用、便于運輸安裝、自供能、熱環(huán)境良好、易于建筑工業(yè)化制造等優(yōu)點，突出了“新結(jié)構(gòu)+新能源”的特色，可為提高我國科技救災(zāi)能力做出一份貢獻。