藺旭宏，張澍良，馮浩棟，秦 歡

(中國(guó)人民解放軍63926部隊(duì)，北京 100089)

2020年，中國(guó)碳排放總量達(dá)99億t，占全球碳排放總量31%。為減少碳排放導(dǎo)致的日益嚴(yán)峻的氣候問題，我國(guó)提出“30·60”碳目標(biāo)規(guī)劃：2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，彰顯國(guó)家應(yīng)對(duì)國(guó)際氣候問題的決心和擔(dān)當(dāng)[1]。其中，建筑行業(yè)是我國(guó)碳排放主要行業(yè)之一[2]，研究機(jī)構(gòu)Carbon Brief最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：建筑碳排量占我國(guó)碳排量總量40%。因此減少建筑行業(yè)的能源消耗是降低碳排量，實(shí)現(xiàn)碳中和的有力舉措[3-4]。

某地高海拔地區(qū)氣候嚴(yán)峻：夏季炎熱，冬季寒冷，為人員提供舒適的工作生活環(huán)境，要常年滿足采暖制冷需求。某項(xiàng)目部在此執(zhí)行特殊任務(wù)，駐地遠(yuǎn)離市區(qū)，解決用電問題長(zhǎng)期依賴柴油發(fā)電機(jī)，勢(shì)必消耗大量的能源并造成大量碳排放。本課題通過數(shù)字建模與計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)該項(xiàng)目部住宿單元能耗及碳排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并基于“碳中和”考量，對(duì)生活區(qū)布局進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，通過對(duì)比試驗(yàn)，為高海拔地區(qū)駐外項(xiàng)目部“節(jié)能減碳”綠色設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

研究依據(jù)高海拔某項(xiàng)目部生活區(qū)實(shí)際住宿單元布局還原構(gòu)建“現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字模型”，并以“安全、便捷、可持續(xù)”為指導(dǎo)，對(duì)用地現(xiàn)狀采取不同程度的“集中化”科學(xué)構(gòu)想，建立與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型，對(duì)比計(jì)算“3類”不同集中程度下生活區(qū)住宿單元運(yùn)營(yíng)需要的能源消耗與碳排放量，結(jié)果以期為“實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)生活區(qū)住宿單元節(jié)能減碳設(shè)計(jì)”響應(yīng)國(guó)家新一輪“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)提供理論指導(dǎo)。

1.1.1 model 1：分散式布局

某項(xiàng)目部生活區(qū)住宿單元為長(zhǎng)寬高“6 m×3 m×2.8 m”的獨(dú)立箱體建筑，以“南-北”為朝向分列2排，第1排布置5個(gè)住宿單元，第二排布置7個(gè)住宿單元，12個(gè)住 宿單元之間四周預(yù)留2 m間距作為步行通道，布局形式為分散式(如圖1(a)所示)。

圖1(b)為生活區(qū)場(chǎng)地布局現(xiàn)狀按1∶1建立的數(shù)字模型model 1，該模式下可視熱區(qū)域(All Visible Thermal Zones)基本信息如下：總建筑表面積(Total Surface Area)為1 303.020 m2，總暴露面積(Total Exposed Area)為622.020 m2，總南向開窗面積(Total South Window)為8.4 m2；總開窗面積(Total Window Area)為18.12 m2。

1.1.2 model 2：半集中式

圖1(c)為根據(jù)優(yōu)化后的“半集中式”生活區(qū)場(chǎng)地布局構(gòu)想建立的數(shù)字模型model 2，基本信息如下：總建筑表面積為1 294.500 m2，總暴露面積為469.500 m2，南向開窗面積、總開窗面積與model 1數(shù)據(jù)一致。

1.1.3 model 3：集中式

圖1(d)為根據(jù)優(yōu)化后的“集中式”生活區(qū)場(chǎng)地布局構(gòu)想建立的數(shù)字模型model 3，基本信息如下：總建筑表面積為1 289.700 m2，總暴露面積為281.100 m2，南向開窗面積、總開窗面積與model 1數(shù)據(jù)一致。

1.2 模型設(shè)置

1.2.1 材料模塊設(shè)置

在軟件中進(jìn)行住宿單元建模時(shí)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料層次及其熱屬性進(jìn)行設(shè)置，如圖2所示：每個(gè)住宿單元獨(dú)立箱體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩側(cè)均為0.5 cm厚鋁合金(Aluminum Alloy)中間夾5 cm厚保溫石棉板(Rock Wool)，兩種材料的密度(Density)、比熱(Sp.Heat)、導(dǎo)熱系數(shù)(Conduct)等基本物理參數(shù)采用軟件默認(rèn)的給定數(shù)據(jù)。

1.2.2 運(yùn)營(yíng)模塊設(shè)置

本研究模型基本設(shè)定，每個(gè)住宿單元采用混合模式系統(tǒng)維持舒適的室內(nèi)微氣候條件：溫度18 ℃～26 ℃，相對(duì)濕度60%，風(fēng)速0.1 m/s，室內(nèi)照明300 lux，HVAC工作效率為95%，具體細(xì)節(jié)見圖3(a)。

人員設(shè)定以每5人一個(gè)住宿單元進(jìn)行分配，室內(nèi)個(gè)人活動(dòng)度為150 W,即輕微運(yùn)動(dòng)模式。每日07:00～17:00 操課期間40%人員室內(nèi)留守，60%人員戶外作業(yè)；17:00至次日07:00非操課期間所有人員均待在室內(nèi)(100%)，具體細(xì)節(jié)見圖3(b)。

2 研究結(jié)果

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱

圍護(hù)結(jié)構(gòu)總得熱(Fabric Gains)為太陽(yáng)輻射得熱(Solar)與對(duì)流散熱(Convection)的總和，即Qs-Qc，反映建筑表皮受自然環(huán)境影響的程度。圖4分別顯示了不同生活區(qū)場(chǎng)地布局形式下，各月住宿單元圍護(hù)結(jié)構(gòu)的日均得熱情況。

整體而言，3種不同生活區(qū)場(chǎng)地布局形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)日均得熱在全年各月的趨勢(shì)較為一致，其中1月～4月及11月～12月(低溫季節(jié))圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量為負(fù)值，表現(xiàn)為失熱，5月～10月(高溫季節(jié))為正值，表現(xiàn)為得熱。

具體數(shù)值顯示：3種不同生活區(qū)場(chǎng)地布局形式下各月日均得熱在數(shù)值上差異較為明顯。model 1分散式布局圍護(hù)結(jié)構(gòu)在1月失熱量最高達(dá)537 049 W，在7月得熱量最高達(dá)127 238 W；model 2半集中式布局圍護(hù)結(jié)構(gòu)在1月失熱量最高達(dá)405 052 W，在7月得熱量最高達(dá)101 150 W；model 3半集中式布局圍護(hù)結(jié)構(gòu)在1月失熱量最高達(dá)242 879 W，在7月得熱量最高達(dá)66 215 W。

對(duì)比可知：model 1分散式布局受環(huán)境影響最大，在高溫季節(jié)得熱量最多，在低溫季節(jié)失熱量最多，model 2半集中式次之，model 3集中式受環(huán)境影響最小。model 3在1月份的失熱量?jī)H為model 1失熱量的45.2%，在7月份的得熱量?jī)H為model 1得熱量的52.0%。

2.2 建筑能耗

表1顯示了3種不同生活區(qū)場(chǎng)地布局形式為維持住宿單元舒適的室內(nèi)微氣候條件，HVAC系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的能源。數(shù)據(jù)顯示：3種模式下的住宿單元能耗峰值在全年分布上表現(xiàn)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；但在具體數(shù)值上，差異性較為明顯：model 1分散式1月份能耗13 422 kW·h用電量，7月份能耗為1 664 kW·h用電量；model 2半集中式1月份能耗為12 544 kW·h用電量，7月份能耗為1 504 kW·h用電量；model 3集中式1月份能耗為11 333 kW·h用電量，7月份能耗為1 365 kW·h用電量。

表1 月能耗 kW·h

由全年用電總能耗可知，model 1分散式能耗最高，年耗電量達(dá)48 044 kW·h，model 2半集中式能耗一般，年耗電量為44 560 kW·h，model 3集中式能耗最低，年耗電量為39 670 kW·h，model 3布局較現(xiàn)狀model 1可節(jié)約8 374 kW·h耗電量。

2.3 碳排放量

表2顯示了3種不同生活區(qū)場(chǎng)地布局形式下，住宿單元能源消耗所產(chǎn)生的碳排放量。與2.2結(jié)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，數(shù)據(jù)顯示：model 1分散式當(dāng)月碳排放量為428.8 t，model 2半集中式當(dāng)月碳排放量達(dá)為400.7 t，model 3集中式當(dāng)月碳排放量為362.1 t。

表2 月碳排放量 t

全年碳排放量以model 1分散式最多達(dá)1 534.7 t，model 2半集中式次之為1 423.6 t，model 3集中式最少僅為1 267.3 t，model 3布局較現(xiàn)狀model 1可減少約267.4 t碳排放量。

3 研究結(jié)論

不同形式的建筑布局差異性具有不同程度的“碳中和”效益——建筑布局集中程度越高，越容易獲得較高的“碳中和”效益(集中式>半集中式>分散式)。以“高海拔某項(xiàng)目部”為例，在當(dāng)前項(xiàng)目部生活區(qū)場(chǎng)地布局形式下，住宿單元受環(huán)境應(yīng)力影響較大，導(dǎo)致冬季取暖和夏季制冷能源消耗略高，優(yōu)化“分散式”布局為“集中式”，模擬結(jié)果顯示：1)冬季最冷月1月環(huán)境應(yīng)力降低54.8%，夏季最熱月7月環(huán)境應(yīng)力降低48%；2)年均能源消耗電量降低8 374 kW·h；3)年均碳排放量減少267.4 t。根據(jù)以上研究結(jié)論，高海拔駐外項(xiàng)目部生活區(qū)場(chǎng)地布局應(yīng)盡可能以“集中式”為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃,以減少能源消耗以及碳排放量，在一定程度上推進(jìn)“碳中和”的實(shí)現(xiàn)。