真空隔熱板在集裝箱建筑的節(jié)能應(yīng)用

趙柏?fù)P 王如竹＊ 徐 律上海交通大學(xué)

0 引言

我國(guó)是集裝箱生產(chǎn)大國(guó)，集裝箱除了用于運(yùn)輸業(yè)外，它還是一種標(biāo)準(zhǔn)化、低成本、運(yùn)輸便捷的模塊化建筑，是解決我國(guó)居住資源緊張問題的有效手段之一[1]，也是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工地以及武警和邊防戰(zhàn)士營(yíng)房的重要設(shè)施。集裝箱的箱體材料以鋼材模板為主，其保溫隔熱性能差，一定程度上影響了室內(nèi)人體舒適性，并增加了建筑的采暖供冷（空調(diào)）能耗。因此，集裝箱作為建筑應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)集裝箱進(jìn)行隔熱保溫處理，實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能改造。

真空隔熱板是一種真空保溫材料，由填充材料與真空保護(hù)表層復(fù)合而成，可有效避免空氣對(duì)流產(chǎn)生的熱傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)一般小于0．0035 W/(mK)[2]，僅為常用保溫材料（如巖棉、EPS、PU等）導(dǎo)熱系數(shù)的1/10～1/5[3]。目前，VIP材料主要應(yīng)用于冰箱[4]、冷藏集裝箱[5]和節(jié)能建筑[6]。

VIP因其高性能的保溫特性被廣泛用于建筑領(lǐng)域。然而，目前尚無關(guān)于VIP在集裝箱建筑的應(yīng)用研究。本文對(duì)VIP在集裝箱建筑的節(jié)能保溫性能進(jìn)行探討，以一座位于上海的20尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱建筑作為研究對(duì)象，對(duì)VIP安裝前后的建筑熱工性能進(jìn)行測(cè)試和能耗分析，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立集裝箱建筑的TRNSYS仿真模型，研究不同氣候地區(qū)建筑應(yīng)用VIP后的節(jié)能率。以光伏集裝箱建筑作為應(yīng)用背景，分析了VIP材料在零能耗建筑的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方案

圖1為本研究實(shí)驗(yàn)測(cè)試的集裝箱建筑，該建筑位于上海交通大學(xué)校園內(nèi)，由20尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改造而成，室內(nèi)面積約為13 m2，在兩個(gè)側(cè)立面分別裝有一扇窗戶，每扇窗戶面積為1．4 m2。同時(shí)，建筑內(nèi)部裝有50 mm的彩鋼夾芯板(巖棉夾芯，導(dǎo)熱系數(shù)為0．045 W/(mK))，由理論計(jì)算得出建筑墻體(包括屋面)的熱阻為1．1 m2K/W。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015》，上海(夏熱冬冷)地區(qū)的屋面和外墻的傳熱系數(shù)需分別低于0．4 W/(m2K)和 0．6 W/(m2K)，對(duì) 應(yīng) 熱 阻 分 別 為 2．5 m2K/W 和1．67 m2K/W。由此可見，集裝箱建筑未能滿足要求，需進(jìn)行節(jié)能改造。

圖1 實(shí)驗(yàn)研究集裝箱建筑

本研究通過在建筑內(nèi)表面(包括墻面和屋面)貼覆8 mm厚度的VIP材料，提高集裝箱建筑的保溫隔熱性能。根據(jù)供應(yīng)商提供的參數(shù)，本研究采用的VIP材料的傳熱系數(shù)為0．003 W/(mK)，8 mm VIP材料的理論熱阻為2．67 m2K/W，安裝VIP后墻體的總熱阻為3．77 m2K/W，該數(shù)值不僅達(dá)到了上海地區(qū)的節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)建筑的應(yīng)用需求(標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015)。在VIP安裝過程中，為減輕集裝箱建筑在彩鋼板結(jié)合處的冷橋效應(yīng)，VIP材料應(yīng)盡可能將冷橋區(qū)域進(jìn)行覆蓋，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。建筑內(nèi)的冷/熱負(fù)荷由一臺(tái)1．5匹的冷暖變頻空調(diào)滿足，空調(diào)的相關(guān)參數(shù)見表1。

圖2 VIP在集裝箱建筑墻體的應(yīng)用

表1 空調(diào)參數(shù)

為了分析建筑墻體的熱工性能，本研究采用了雙熱流計(jì)法[7]，即分別在建筑墻體的內(nèi)外表面放置熱流計(jì)和溫度傳感器，采集墻體的內(nèi)外表面熱流和溫度(圖3)，并通過式(1)計(jì)算得到墻體的熱阻：

式中：R(t）為t時(shí)刻墻體熱阻，Tiw(t）和Tow(t）分別為t時(shí)刻內(nèi)外墻面的溫度，qiw(t）和qow(t）分別為t時(shí)刻內(nèi)外墻面的熱流(方向?yàn)閴w表面至內(nèi)部)。

圖3 傳感器布置方法

此外，本研究通過一個(gè)智能電表對(duì)建筑的空調(diào)運(yùn)行功率和能耗進(jìn)行測(cè)量，所有傳感器數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器KEITHLEY 2700進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)用傳感器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本研究在上海地區(qū)全年氣溫最低的1月進(jìn)行VIP安裝前后的集裝箱建筑冬季采暖實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，空調(diào)全天開啟，室內(nèi)設(shè)定溫度為25℃。需要說明的是，冬季室內(nèi)設(shè)定溫度一般為20℃，由于本研究采用的空調(diào)能效較高，使用VIP材料后，設(shè)定室溫為20℃時(shí)，空調(diào)運(yùn)行功率經(jīng)常低于最低值(低于20%負(fù)荷率)，使空調(diào)處于頻繁開啟狀態(tài)，影響對(duì)建筑熱工性能的測(cè)量。因此，本實(shí)驗(yàn)提高了室溫設(shè)定值，使空調(diào)盡可能處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 建筑冷橋分析

相關(guān)研究表明，建筑因冷橋產(chǎn)生的熱損失約占總能耗的20%[8]。VIP在集裝箱建筑的應(yīng)用中，可通過覆蓋彩鋼板咬合面的方式減輕建筑的冷橋效應(yīng)。本研究采用了紅外熱成像儀，對(duì)VIP應(yīng)用前后建筑的冷橋分布進(jìn)行了分析。如圖4和圖5，VIP安裝后，建筑因彩鋼板咬合而形成的冷橋明顯減少，建筑的主要冷橋發(fā)生在VIP材料的間隙處，而由于VIP間隙處有彩鋼夾芯板進(jìn)行保溫，冷橋處的溫度較高，產(chǎn)生的熱損失較少。

圖4 VIP安裝前集裝箱圖片

圖5 VIP安裝后集裝箱圖片

2.2 墻體熱工性能分析

本節(jié)選取了VIP安裝前后各一天的集裝箱建筑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行墻體熱工性能研究。VIP安裝前，其室內(nèi)外空氣、壁面溫度與空調(diào)運(yùn)行功率情況如圖6所示，室內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定在25℃，由于室內(nèi)空氣與內(nèi)壁面存在對(duì)流熱阻，其與內(nèi)壁面溫度約有3℃的溫差。由于室外空氣對(duì)流熱阻較小，室外空氣與外壁面的溫度在17：00至次日8:00基本相同，其余時(shí)刻受日照的影響，外壁面溫度高于室外溫度；空調(diào)運(yùn)行功率約為650 W，并在中午氣溫最高時(shí)出現(xiàn)低谷。

圖6 VIP安裝前建筑室內(nèi)外空氣、壁面溫度與空調(diào)運(yùn)行功率

VIP安裝前，建筑內(nèi)外壁面的熱流與墻體熱阻如圖7所示。內(nèi)壁面熱流密度維持在16 W/m2，而外壁面熱流在17:00至次日8:00與內(nèi)壁面熱流密度相等，其余時(shí)刻受日照影響發(fā)生較大波動(dòng)；穩(wěn)態(tài)時(shí)的墻體熱阻約為1．1 m2K/W，與理論值相符。

圖7 VIP安裝前內(nèi)外墻面熱流與墻體熱阻

VIP安裝后，建筑室內(nèi)外空氣、壁面溫度與空調(diào)運(yùn)行功率如圖8所示，其中空調(diào)運(yùn)行功率在17：00至次日8:00較為穩(wěn)定，約為350 W，8:00至17:00隨著氣溫的升高，空調(diào)運(yùn)行功率降低并低于最小運(yùn)行功率，空調(diào)出現(xiàn)頻繁開閉狀態(tài)，造成室溫產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

圖8 VIP安裝后建筑室內(nèi)外空氣、壁面溫度與空調(diào)運(yùn)行功率

VIP安裝后，建筑內(nèi)外壁面的熱流與墻體熱阻如圖9所示。在空調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，內(nèi)外墻面的熱流密度約為8 W/m2，墻體熱阻約為3．8 m2K/W，與理論值相符。

圖9 VIP安裝后內(nèi)外墻面熱流與墻體熱阻

2.3 建筑能耗分析

本研究對(duì)VIP安裝前后的集裝箱建筑分別進(jìn)行了空調(diào)熱泵供熱能耗測(cè)試，單日的空調(diào)熱泵能耗量與該日平均氣溫的關(guān)系如圖10所示。需要說明的是，影響空調(diào)熱泵能耗的環(huán)境因素有氣溫、太陽輻照和風(fēng)速等，但由于氣溫是主要的影響因素[9]，圖10僅考慮了氣溫對(duì)空調(diào)熱泵能耗的影響，VIP安裝前后氣溫的分布情況相似，建筑空調(diào)熱泵供熱能耗隨平均氣溫的增高而降低。VIP安裝前空調(diào)每天的能耗為 11．4 kWh～16．0 kWh，平均每天能耗為13．1 kWh，VIP安裝后空調(diào)每天能耗為7．0 kWh～8．7 kWh，平均每天的能耗為7．9 kWh，平均能耗降低約40%。

圖10 VIP安裝前后集裝箱建筑日能耗

3 應(yīng)用分析

上文對(duì)VIP應(yīng)用前后的集裝箱建筑在上海地區(qū)冬季的能耗情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立集裝箱建筑能耗模型，并以此研究不同場(chǎng)景下，VIP在集裝箱建筑節(jié)能保溫的性能。

3.1 仿真模型建立與驗(yàn)證

本研究使用TRNSYS軟件分別建立了集裝箱建筑的空調(diào)能耗模型，并對(duì)VIP安裝前后的建筑能耗情況進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果如圖11所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，VIP安裝前后仿真結(jié)果(空調(diào)耗電量)的相對(duì)誤差分別是3．6%和6．6%，仿真模型的精度較高，可用于其他應(yīng)用場(chǎng)景的模擬分析。

圖11 集裝箱建筑仿真模型驗(yàn)證

3.2 節(jié)能性能分析

根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)通則GB50352-2005》，中國(guó)的氣候區(qū)域按氣溫分布特征，可劃分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)，不同氣候地區(qū)的集裝箱空調(diào)能耗情況有較大差異。本節(jié)對(duì)VIP在不同氣候地區(qū)集裝箱建筑的應(yīng)用進(jìn)行研究，每個(gè)氣候區(qū)域選取一個(gè)典型城市，分別是齊齊哈爾(嚴(yán)寒)、北京(寒冷)、上海(夏熱冬冷)、廣州(夏熱冬暖)，由于溫和地區(qū)空調(diào)需求較小，對(duì)該地區(qū)暫不做研究。使用TRNSYS仿真模型對(duì)上述4個(gè)城市的集裝箱建筑運(yùn)行能耗進(jìn)行模擬，模擬過程中夏季室內(nèi)設(shè)定溫度為25℃，冬季室內(nèi)設(shè)定溫度為20℃。

圖12顯示了VIP安裝前后集裝箱建筑在不同氣候地區(qū)的夏季、冬季空調(diào)能耗與夏季、冬季、全年節(jié)能率。由圖12可見，各地區(qū)建筑冬季的節(jié)能率約為50%，夏季節(jié)能率約為25%，VIP在冬季的節(jié)能特性更顯著，這是因?yàn)橄募緯r(shí)，穿過建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽熱輻射較大，VIP并不能有效減少這部分熱輻射引起的制冷負(fù)荷。齊齊哈爾的冬季采暖需求最大，該地區(qū)VIP應(yīng)用后的建筑全年節(jié)能率最高，達(dá)到了47．3%，而相對(duì)應(yīng)的，廣州的冬季采暖需求最小，其全年節(jié)能率最低，為36．3%。

圖12 VIP在不同氣候地區(qū)集裝箱建筑節(jié)能情況

圖13 不同氣候地區(qū)光伏集裝箱建筑的發(fā)用電情況

由圖13可看出，VIP安裝前，各地集裝箱建筑的總用電量均大于總發(fā)電量，單靠建筑屋頂?shù)墓夥鍩o法滿足建筑的用電需求；VIP安裝后，由于空調(diào)能耗的降低，各地集裝箱建筑的總用電量均小于總發(fā)電量，建筑可實(shí)現(xiàn)能量的自給自足，達(dá)到“零能耗”標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)建筑配備合適容量的儲(chǔ)能電池時(shí)，建筑可完全離網(wǎng)運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文研究了VIP材料在集裝箱建筑的節(jié)能保溫性能，對(duì)一座位于上海地區(qū)的集裝箱建筑進(jìn)行了VIP應(yīng)用，并對(duì)VIP應(yīng)用前后集裝箱建筑的熱工特性和能耗情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用TRSNSY軟件建立了集裝箱建筑能耗模型，并對(duì)不同場(chǎng)景下的VIP應(yīng)用進(jìn)行了仿真模擬，得到了以下結(jié)論：

(1)VIP的安裝可減少集裝箱建筑的冷橋和增大墻體熱阻，從而有效降低集裝箱建筑的空調(diào)能耗；

(2)VIP的節(jié)能特性與季節(jié)相關(guān)，集裝箱建筑在夏季和冬季的節(jié)能率分別約為25%和50%，全年節(jié)能率為36．3%～47．3%，全年節(jié)能率隨冬季采暖需求的增大而升高；

(3)安裝VIP后，可有效降低光伏集裝箱建筑的總能耗，使建筑實(shí)現(xiàn)能量的自給自足，達(dá)到“零能耗”標(biāo)準(zhǔn)。