极端热湿气候区超低能耗建筑关键技术与应用_刘加平.pdf

20 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（特等奖）极端热湿气候区超低能耗建筑关键技术与应用DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.001中国南海海域与岛屿面积约350万平方千米，自古属于我国领海（九段线内）约210万平方千米。台风频发，“四季如夏”、“高温、高湿、高盐、强辐射”是南海气候的别称。依据我国建筑气候区划原则，南海大部分区域全年日平均气温25的天数远大于200天，故被称为“极端热湿气候区”。由于历史原因，南海部分岛礁被他国侵占，油气和渔业资源被吞食。所以，建刘加平1 谢静超2 王莹莹1 刘艳峰1 何知衡1 张晓静2 王登甲1 刘大龙1 杨雯1 薛鹏2 罗西1 成辉1 胡亮1 徐鑫2 郑智淼2（1.西安建筑科技大学，西安 7 1 0 0 5 5；2.北京工业大学，北京 1 0 0 1 2 4）摘要 在南海建设大型人工岛基地是维护我国海洋国土安全的重大战略需求。在国家自然科学基金重大项目“极端热湿气候区超低能耗建筑研究”支持下，项目组在南海岛礁建筑室内外设计参数体系、围护结构热物性参数与构造、热工设计原理与方法、模块化光伏空调系统、超低能耗建筑方案创作和工程示范等方面取得系列创新成果。研究成果引领了南海岛礁超低能耗建筑发展，提升了驻岛边防官兵和岛礁居民的宜居水平，为服务南海领土安全和国防建设作出了重要贡献。关键词 极端热湿气候区；超低能耗建筑；建筑热工；太阳能空调Key Technologies and Applications of Ultra-low Energy Buildings in Extremely Hot and Humid Climate ZonesLiu Jiaping1,Xie Jingchao2,Wang Yingying1,Liu Yanfeng1,He Zhiheng1,Zhang Xiaojing2,Wang Dengjia1,Liu Dalong1,Yang Wen1,Xue Peng2,Luo Xi1,Cheng Hui1,Hu Liang1,Xu Xin2,Zheng Zhimiao2(1.Xian University of Architecture and Technology,Xian，710055；2.Beijing University of Technology,Beijing,100124）Abstract:Building large-scale artificial island bases in the South China Sea is a major strategic requirement for maintaining Chinas marine homeland security.With the support of major projects of the National Natural Science Foundation of China-”Research on Ultra-low Energy Buildings in Extremely Hot and Humid Climate Zones”,the project team has achieved a series of innovative results in indoor and outdoor design parameter system,thermal physical parameters and construction of envelope structure,thermal design principles and methods,modular photovoltaic air conditioning system,scheme creation and engineering demonstration of ultra-low energy building of the South China Sea islands.The research results have ushered the development of ultra-low energy buildings on the islands of the South China Sea,improved the livability of border guards and residents on the islands,and made important contributions to serving the territorial security and national defense construction of the South China Sea.Keywords:extremely hot and humid climate zone,ultra-low energy building,building thermal engineering,solar air conditioning设大型人工岛基地，收回南海疆土，是我国国防安全的重大需求。南海岛礁特殊的气候条件与地理位置，导致照搬内地的建筑隔热、遮阳、自然通风等被动技术难以满足当地人体热舒适需求，室内热湿环境营造全年依赖降温、除湿设备系统。然而南海岛礁远离大陆，常规空调依赖的电力和热力在此均属稀缺资源，从大陆长途转运成本建设科技 21特 等 奖高昂，尽管周边海域已探明石油资源丰富，但远未进入采炼阶段，但当地太阳能资源极其丰富，年日照时间超3000小时，年均太阳辐射总量超过6500MJ/m2，且太阳辐射强度与建筑冷负荷波动规律正向同步。因此，研发以利用太阳能为主的极端热湿气候区超低能耗建筑，创建绿色宜居的岛礁人居环境，对南海国防建设具有极其重要的战略与现实意义。1 项目总体思路极端热湿气候区的特殊地理位置与自然条件对超低能耗建筑研发提出了严格要求：（1）无常规供电系统，要求建筑空调负荷必须足够小，且每栋超低能耗建筑必须能够“自持运行”。（2）在夜间以及阴雨天等极端天气，蓄能系统能够保障空调系统正常运行，且空调设备系统应具备快速搭建、灵活更换的特点。因此，项目组解决了以下关键问题：（1）确定了准确可靠的建筑室内外设计参数。（2）提出了热性能适宜的围护结构构造。（3）建立了与极端热湿气候相对应的建筑热工设计方法。（4）研发出能够连续运行的太阳能光伏空调系统。（5）研究成果进行了工程试验与示范。图1为南海岛礁超低能耗建筑的总体研发思路。图1 研发南海岛礁超低能耗建筑的总体思路2 南海岛礁建筑室内外设计计算条件针对南海岛礁建筑室内外设计参数缺失的问题，项目组研究揭示了极端热湿气候条件下人体热适应机理和南海岛礁气象与太阳辐射参数分布规律，建立了室内外热环境设计计算参数和太阳辐射参数确定方法。（1）南海岛礁室内设计计算参数。现场完成了南海岛礁建筑环境实测和人员主观反映问卷调查，发现：影响南海岛礁人体热感觉的关键要素是室内相对湿度，调节湿度比调节温度更能显著提升人员热舒适水平。研究揭示了岛礁居民的热环境适应机理，提出了区别于内陆、以“迁移人群热适应、军事战备训练”为导向的室内设计参数科学取值原则。（2）南海岛礁室外设计计算参数。首次获得室外气象参数逐时原始数据，运用建筑气候参数统计整编原理和方法，首先得到累年南海岛礁室外空气温度和相对湿度的日平均分布，进而通过现场实测得到日较差分布，最后确定了用于动态模拟分析的极端热湿气候区典型气象年（TMY）数据，图2为南海某岛室外气象参数现场测试。图2 南海某岛室外气象参数现场测试（3）南海岛礁太阳辐射计算参数。首次实测获得了南海岛礁太阳总辐射、逐时平均有效总辐射强度等参数，发现：全年日照时间和总辐射强度分布均衡，当太阳辐射强度大于18W/m时，光伏发电板才开始产生电流，因此仅统计大于等于18W/m的辐射数据称为有效总辐射，图3为南海岛礁太阳总辐照月变化规律。图3 南海岛礁太阳总辐照月变化规律3 岛礁建筑围护结构热物性参数与构造南海岛礁最易获得的建筑材料是珊瑚砂，将其用作围护结构材料会大幅度节约建造成本。项目组通过实验揭示了高温、高湿条件下珊瑚砂混凝土的热湿迁移特性，22 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊建立了极端热湿气候条件下珊瑚砂混凝土热湿物性参数确定方法，在南海岛礁建筑围护结构热工设计中得到规模应用。（1）珊瑚砂混凝土热湿物性参数演变规律。研究揭示了珊瑚砂混凝土微观结构特征和吸水机制。首次通过实验证明：南海高湿度对珊瑚砂混凝土导热系数影响很大，最大增加值可达20%，而温度变化则对珊瑚砂混凝土导热系数的影响甚微。图4 珊瑚砂混凝土导热系数随湿度变化（2）超低能耗建筑围护结构构造。在实验室完成了珊瑚砂混凝土屋面和不同外墙构造在岛礁建筑上的适宜性试验，通过不同构件热工性能参数测试，确定了适宜南海极端热湿气候特点的构造选型方法。图5为南海岛礁新型珊瑚砂混凝土砌块。图5 岛礁新型珊瑚砂混凝土砌块4 超低能耗建筑热工设计原理与方法南海岛礁高温、高湿、强辐射的气候条件造成内地的建筑热工设计方法难以照搬。项目组首次提出了适应南海极端热湿气候的“全遮阳”建筑创作原则和设计方法，创立了以太阳能光伏空调系统制冷量为基准的超低能耗建筑围护结构“逆向”热工设计方法，引领了南海岛礁超低能耗建筑模式的发展。（1）建筑“全遮阳”设计原则与方法。实验研究发现：当南海岛礁建筑外墙等围护结构不接受太阳直射时，可大大降低空调负荷和能耗。项目组首次提出了适应南海岛礁极端热湿气候的“全遮阳”建筑创作原则和设计方法（见图6），即在建筑外形和立面设计中，巧妙设计连廊、过道、阳台等辅助空间，实现建筑屋顶和各朝向外墙、门窗均不受到太阳直接照射，以隔绝太阳直射辐射对围护结构全部外表面的直接热作用，可减少空调负荷和运行能耗30%以上。图6 建筑“全遮阳”设计原理（2）围护结构“逆向”热工设计原理与方法。创新性地提出围护结构热工性能应“服从”光伏空调系统性能的超低能耗建筑“逆向”热工设计原理（见图7）。在给定光伏供冷系统性能、建筑功能的前提下，依据特定气候和太阳辐射参数，遵循建筑物冷负荷必须小于建筑物能够获得供冷量的原则，依次确定超低能耗建筑围护结构传热系数和构造。图7 围护结构“逆向”热工设计原理建设科技 23特 等 奖了光伏空调系统的可靠性。6 超低能耗建筑方案创作与工程示范研究创作了数十种适应极端热湿气候的超低能耗建筑方案，集成运用了“全遮阳”设计原理、“逆向”热工设计方法和模块化光伏空调等专项技术，与海军研究院合作完成施工图设计和工程示范，于2018年底全部建成投入运行，运行后现场实测结果证明达到了预期目标。研究建立的超低能耗建筑模式、热工设计方法和技术体系，在三沙市的多个岛屿建设中得到大面积推广应用（见图10、图11）。图10 南海某岛超低能耗建筑实景图11 南海某岛超低能耗建筑群7 结语本项目成果为我国南海极端热湿气候区岛礁建设超低能耗建筑发展提供了全新的思路、坚实的理论基础和技术储备，引领了南海岛礁超低能耗建筑发展，对维护我国南海海洋国土安全具有重大贡献。5 研发适宜南海岛礁的光伏空调系统揭示了南海岛礁建筑空调负荷特征，构建了太阳能光伏驱动的空调系统形式及优化设计方法，提出了蓄冷蓄电两级蓄调、模块化光伏空调机组等关键技术，为岛礁建筑实现空调系统化石能源近零消耗提供技术保障，太阳辐射与空调负荷正向同步规律见图8。图8 太阳辐射与空调负荷正向同步规律示意图（1）空调负荷特征与系统形式。全遮阳设计后的建筑空调负荷以除湿负荷为主、温差传热负荷为辅，并且波动较小。创新性提出了与负荷特征匹配的太阳能光热除湿、光伏发电制冷的岛礁建筑特有的空调系统形式。构建了光热光伏系统、制冷机组和空调末端等设备之间的优化匹配设计方案。（2）光伏空调蓄电蓄冷两级组合蓄调技术。针对太阳总辐射的周期性和随机性特征，提出了短期蓄冷与长期蓄电的两级组合蓄调系统方案，解决了太阳能光伏发电不稳定难题，系统经济成本最大可降低50%，“蓄电蓄冷”两级组合蓄调原理如图9所示。图9 “蓄电蓄冷”两级组合蓄调原理（3）模块化太阳能光伏空调机组技术集成。研发了高效的模块化光伏空调机组，对光伏蓄能、逆变、制冷等单元进行有机集成，实现了空调机组快速组装和灵活替换，能效和太阳能保证率显著提升，提高C