低碳光電模塊化板房的降溫減碳實(shí)效
——以廣州地區(qū)為例

蘇 斌, 范麗佳, 范 苑, 李根勝, 張 騰

(1.中建四局工程技術(shù)研究院, 廣州 510000; 2.中建地產(chǎn)廣州有限公司, 廣州 510000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及生活水平的提高,建筑用能和建筑碳排放在全社會(huì)用能和碳排放中所占比例持續(xù)增長(zhǎng)[1]。《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2022》[2]對(duì)我國(guó)建筑領(lǐng)域用能及碳排放的核算結(jié)果為:中國(guó)建筑建造和運(yùn)行用能占全社會(huì)總能耗的32%,其中建筑建造的比例為11%,建筑運(yùn)行的比例為21%;建筑建造和運(yùn)行相關(guān)CO2排放占全社會(huì)能源活動(dòng)總CO2排放量的比例約為32%,其中建筑建造占13%,建筑運(yùn)行占19%。運(yùn)行階段因按50 a使用期計(jì)算,總量最大;建造階段比重雖小,但卻集中在1 a建設(shè)期內(nèi),絕對(duì)排量亦相當(dāng)可觀,可達(dá)年均運(yùn)行排量的4倍之多[3]。因此,減少建筑活動(dòng)的資源消耗,關(guān)鍵在于控制建造和運(yùn)行階段。

出于實(shí)際工程建設(shè)需要,絕大部分建設(shè)施工人員工作生活于施工現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)建筑中。臨時(shí)建筑常用的類型有集裝箱改制房、箱式房、篷房等[4],在安置災(zāi)后難民、安置公共衛(wèi)生事件中的感染人員及為大型工程項(xiàng)目施工人員提供住所等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-6]。然而我國(guó)針對(duì)臨時(shí)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能改造技術(shù)等方面缺乏全面、系統(tǒng)的研究[7]。以城市建設(shè)所需的臨時(shí)建筑來(lái)說(shuō),作為項(xiàng)目人員辦公生活的基本場(chǎng)所,其設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)積極響應(yīng)綠色低碳、以人為本的設(shè)計(jì)理念,盡可能地打造經(jīng)濟(jì)、舒適和環(huán)保的空間[8]。綜合考慮節(jié)能性和改造成本前提下,解決臨建節(jié)能性差的問(wèn)題,不僅有利于施工企業(yè)降低施工成本,更是對(duì)中國(guó)建筑綠色可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義,尤其在國(guó)家實(shí)施“一帶一路”大背景下,對(duì)中國(guó)建筑走出國(guó)門、塑造標(biāo)桿也具有重要戰(zhàn)略意義[9]。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)臨時(shí)建筑及光伏在建筑方面的應(yīng)用已有諸多研究,主要集中在臨時(shí)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化、光伏建筑一體化[10-12]、屋面光伏遮陽(yáng)隔熱、建筑光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化[13-14]等幾個(gè)方面。例如,牛寅龍等[9]通過(guò)對(duì)板房組合應(yīng)用紅外熱反射涂料涂裝、圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷熱橋處理、外窗改造設(shè)計(jì)等被動(dòng)式節(jié)能改造技術(shù),可使節(jié)電率驟增至27%,可有效提高臨建的整體節(jié)能性,夏季高溫天氣下,有利于節(jié)約空調(diào)制冷用電量;Yang等[15]利用EnergyPlus軟件模擬了不同氣候條件下臨時(shí)建筑采用不同保溫層厚度(50、100、200 mm)的供暖與供冷能耗,結(jié)果顯示對(duì)于寒帶氣候保溫層厚度從50 mm增加到100 mm,供暖能耗降低19.6%;張凱珂[16]通過(guò)搭建混凝土試驗(yàn)小室實(shí)測(cè)對(duì)比了光伏遮陽(yáng)、鋁板遮陽(yáng)與綠植在不同組合情況下的降溫節(jié)能效果,結(jié)果表明采用植物實(shí)鋪結(jié)合光伏遮陽(yáng)的方式節(jié)能降溫效果最優(yōu);Nitin等[17]研究了采用黏合劑安裝的屋面光伏板對(duì)屋頂黑色瀝青瓦的熱效應(yīng),結(jié)果表明被太陽(yáng)能板覆蓋的瀝青瓦屋面日最高溫度與裸露屋面相比降低約13 ℃,通過(guò)天花板傳入室內(nèi)的熱量也較裸露屋面減少約49%。

雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)臨時(shí)建筑及光伏在建筑方面的應(yīng)用做了較多研究,但對(duì)于光伏遮陽(yáng)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合同時(shí)應(yīng)用于臨時(shí)建筑的實(shí)際降溫減碳效果方面鮮有研究,尤其針對(duì)夏熱冬暖氣候區(qū)。施工工地的臨時(shí)建筑多采用可重復(fù)利用的模塊化的箱式板房[18]。為研究光電模塊化板房的降溫減碳效果,以廣州地區(qū)為例,開(kāi)展對(duì)光電模塊化板房的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),研究其降溫減碳效果。

1 低碳光電模塊化板房

低碳光電模塊化板房是指對(duì)板房采取適當(dāng)?shù)膰o(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施,并在板房屋面上安裝模塊化光伏系統(tǒng)(在利用太陽(yáng)能發(fā)電的同時(shí)具有一定的遮陽(yáng)作用,從而減少了屋面受到的太陽(yáng)直射輻射得熱),達(dá)到降低室內(nèi)空氣溫度和空調(diào)運(yùn)行能耗的效果。本研究主要關(guān)注建筑施工工地的箱式板房,因?yàn)榻ㄖ┕すさ貙儆谂R時(shí)建筑,設(shè)計(jì)過(guò)程中容易被忽略,臨時(shí)建筑單位面積能耗通常偏高,設(shè)計(jì)被優(yōu)化后能夠切實(shí)降低碳排放量。充分利用臨建的屋面建設(shè)模塊化可周轉(zhuǎn)的光伏系統(tǒng),減少施工階段臨建運(yùn)行的碳排放,可以為后期運(yùn)營(yíng)再到拆除以及循環(huán)使用階段的碳減排起到示范作用,承擔(dān)建筑業(yè)減排相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任[18]。本研究的光電模塊化板房,利用模塊化的方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì),分為模塊化BAPV(建筑附著光伏)板房、BIPV(光伏建筑一體化)板房?jī)煞N。該類模塊化產(chǎn)品首先以標(biāo)準(zhǔn)箱(6 m×3 m×3 m)為基礎(chǔ),在箱式房頂部以平鋪方式進(jìn)行光伏布置,每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱鋪設(shè)單晶硅光伏板。模塊化BAPV板房是指光伏鋪設(shè)在下方光伏支架上,形成一體化的模塊式光伏構(gòu)件,整體進(jìn)行吊裝,方便運(yùn)輸與周轉(zhuǎn)。模塊化BIPV板房是指光伏直接與箱式板房屋面進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),無(wú)須光伏支架,光伏板通過(guò)光伏夾具固定在配套的屋面上,光伏與板房高度一體化。模塊化BAPV板房與BIPV板房相較于普通板房的節(jié)能減碳作用類似于通風(fēng)屋頂技術(shù)的應(yīng)用。模塊化BAPV板房與BIPV板房的不同之處主要在于通風(fēng)間層厚度有所差異,模塊化BAPV板房屋頂通風(fēng)間層約為20 mm,模塊化BIPV板房屋頂通風(fēng)間層約為10 mm。

目前大部分臨時(shí)建筑存在夏季室內(nèi)溫度高、冬季室內(nèi)溫度偏低的問(wèn)題[19]。相關(guān)研究[7]表明,適當(dāng)增加墻體保溫層能改善室內(nèi)熱環(huán)境狀況,且最優(yōu)厚度為100 mm。此外,輕鋼活動(dòng)板房在H型鋼立柱尺寸限制下,其保溫層厚度較難超過(guò)100 mm,無(wú)法進(jìn)一步增強(qiáng)其保溫性能[20]。因此,低碳模塊化BAPV板房(圖1)和BIPV板房(圖2)與普通標(biāo)準(zhǔn)化的箱式板房相比,除了在屋頂上安裝光伏系統(tǒng)外,外墻的保溫層由原有的75 mm加厚至100 mm,屋頂保溫層由原有的100 mm加厚至150 mm,以增強(qiáng)其保溫隔熱性能,提升整體節(jié)能減碳水平。

圖1 低碳模塊化BAPV板房

圖2 低碳模塊化BIPV板房

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

實(shí)測(cè)低碳光電模塊化板房位于廣州市天河區(qū)金融城東區(qū)地塊。該測(cè)試場(chǎng)地鄰邊空闊,周邊無(wú)高大喬木遮擋,最大程度減小了周圍環(huán)境對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的影響。實(shí)測(cè)為對(duì)比測(cè)試,需同時(shí)進(jìn)行,以消除室外氣候差異對(duì)測(cè)試效果的影響。本實(shí)測(cè)選取建筑朝向、房間面積、窗戶尺寸和室內(nèi)熱源布置均一致的3個(gè)房間,朝向?yàn)槟媳背?。測(cè)試房間實(shí)況如圖3所示,3個(gè)測(cè)試房間屋頂和外墻構(gòu)造見(jiàn)表1。

表1 3個(gè)測(cè)試房間屋頂和外墻構(gòu)造

圖3 測(cè)試房間布局實(shí)況

實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)為室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、屋頂內(nèi)表面溫度、南墻內(nèi)表面溫度、西墻內(nèi)表面溫度、空調(diào)耗電量。實(shí)測(cè)用實(shí)驗(yàn)儀器主要有溫度傳感器、日照時(shí)數(shù)傳感器、微型分布式多回路監(jiān)測(cè)單元等。實(shí)測(cè)房間內(nèi)測(cè)試布點(diǎn)如圖4所示,儀器參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)量參數(shù)

圖4 測(cè)試房間內(nèi)測(cè)試布點(diǎn)

3 實(shí)測(cè)分析

自然通風(fēng)工況測(cè)試時(shí)間為2023年7月23日,空調(diào)工況測(cè)試時(shí)間為2023年10月2—5日,均屬于廣州地區(qū)典型的高溫時(shí)期,測(cè)試天氣為常見(jiàn)的多云轉(zhuǎn)晴。

3.1 自然通風(fēng)工況

測(cè)試日(7月23日)室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和空氣溫度全天24 h連續(xù)變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知,室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在11:30,達(dá)到1 080 W/m2;室外空氣溫度峰值出現(xiàn)在13:55,達(dá)到39.4 ℃。

圖5 測(cè)試日(7月23日)室外太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)

在自然通風(fēng)工況下測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間屋頂內(nèi)表面溫度全天24 h連續(xù)變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖6可知,3個(gè)測(cè)試房間屋頂內(nèi)表面溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),與室外太陽(yáng)輻射變化趨勢(shì)基本一致。其中,1#普通板房屋頂內(nèi)表面溫度最大出現(xiàn)在11:55,為48.1 ℃;此時(shí),2#BAPV板房屋頂內(nèi)表面溫度為42.3 ℃,3#BIPV板房屋頂內(nèi)表面溫度為42.7 ℃;普通板房與低碳節(jié)能板房屋頂內(nèi)表面溫度溫差分別為5.8 ℃、5.4 ℃。

圖6 測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間屋頂內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)

在自然通風(fēng)工況下測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間西墻和南墻內(nèi)表面溫度全天24 h連續(xù)變化趨勢(shì)如圖7和圖8所示。由圖7可知,1#普通板房西外墻內(nèi)表面溫度最大出現(xiàn)在16:40,為47.3 ℃;此時(shí),2#BAPV板房西外墻內(nèi)表面溫度為44.3 ℃,3#BIPV板房西外墻內(nèi)表面溫度為44.2 ℃;普通板房與低碳節(jié)能板房西外墻內(nèi)表面溫度溫差分別為3.0、3.1 ℃。由圖8可知,1#普通板房南外墻內(nèi)表面溫度最大出現(xiàn)在14:50,為48.2 ℃;此時(shí),2#BAPV板房南外墻內(nèi)表面溫度為42.8 ℃,3#BIPV板房南外墻內(nèi)表面溫度為44.0 ℃;普通板房與低碳節(jié)能板房南外墻內(nèi)表面溫度溫差分別為5.4、4.2 ℃。

圖7 測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間西外墻內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)

圖8 測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間南外墻內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)

在自然通風(fēng)工況下測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間室內(nèi)空氣溫度全天24 h連續(xù)變化趨勢(shì)如圖9所示。由圖9可知,3個(gè)測(cè)試房間室內(nèi)空氣溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),與室外太陽(yáng)輻射變化趨勢(shì)基本一致。其中,1#普通板房室內(nèi)空氣溫度最大出現(xiàn)在14:55,為45.9 ℃;此時(shí),2#BAPV板房室內(nèi)空氣溫度為43.1 ℃,3#BIPV板房室內(nèi)空氣溫度為43.3 ℃;普通板房與低碳節(jié)能板房室內(nèi)空氣溫度溫差分別為2.8、2.6 ℃。3個(gè)測(cè)試房間室內(nèi)空氣溫度全天溫差最大可達(dá)3.2 ℃。

圖9 測(cè)試日(7月23日)3個(gè)測(cè)試房間室內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)

3.2 空調(diào)工況

測(cè)試日(10月2—5日)室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和空氣溫度在整個(gè)測(cè)試時(shí)段96 h連續(xù)變化趨勢(shì)如圖10所示。由圖10可知,室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在10月2日12:20,達(dá)到1 064 W/m2;室外空氣溫度受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響,其波動(dòng)趨勢(shì)與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度基本保持一致,只是幅值在相位上有所延遲,峰值出現(xiàn)在10月3日15:15,達(dá)到37.5 ℃。

圖10 測(cè)試日(10月2—5日)室外太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)

在空調(diào)工況下測(cè)試日(10月2—5日)3個(gè)測(cè)試房間室內(nèi)空氣平均溫度在整個(gè)測(cè)試時(shí)段96 h連續(xù)變化趨勢(shì)如圖11所示。由圖11可知,在空調(diào)設(shè)定溫度24 ℃條件下,3個(gè)房間室內(nèi)空氣平均溫度基本穩(wěn)定在24 ℃附近小幅波動(dòng),變化曲線接近重合狀態(tài),3個(gè)房間平均溫度分別為24.2、24.3、24.4 ℃,故可認(rèn)為測(cè)試期間3個(gè)房間室內(nèi)空氣溫度基本保持一致。

圖11 測(cè)試日(10月2—5日)3個(gè)測(cè)試房間室內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)

在空調(diào)工況下測(cè)試日(10月2—5日)3個(gè)測(cè)試房間在整個(gè)測(cè)試時(shí)段96 h累計(jì)空調(diào)耗電量如圖12所示。由圖12可知,3個(gè)房間空調(diào)耗電量整體上呈現(xiàn)“波浪”上升趨勢(shì)?！安ɡ恕鄙仙怯捎诎滋鞖馐彝鉁馗?導(dǎo)致空調(diào)逐時(shí)耗電量高,從而上升趨勢(shì)偏陡;夜晚氣溫下降,空調(diào)逐時(shí)耗電量相較于白天偏低,故而上升趨勢(shì)相對(duì)平緩。其中,1#普通板房、2#BAPV板房、3#BIPV板房空調(diào)累計(jì)耗電量分別為21.9、17.8、18.1 kW·h,2#BAPV板房、3#BIPV板房節(jié)能率分別為18.7%、17.4%。

圖12 測(cè)試日(10月2—5日)3個(gè)測(cè)試房間累計(jì)空調(diào)耗電量

4 結(jié)論

以廣州地區(qū)為例,通過(guò)對(duì)低碳光電模塊化BAPV、BIPV板房與普通板房的屋頂內(nèi)表面、外墻內(nèi)表面、室內(nèi)空氣溫度和空調(diào)耗電量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,研究了低碳光電模塊化板房在夏熱冬暖地區(qū)的降溫減碳實(shí)效,得到以下結(jié)論。

(1)低碳光電模塊化板房能顯著降低屋頂內(nèi)表面溫度、外墻內(nèi)表面溫度和室內(nèi)空氣溫度。在夏季晴天,與普通板房相比,低碳光電模塊化板房降低屋頂內(nèi)表面溫度可達(dá)5.8 ℃,降低外墻內(nèi)表面溫度可達(dá)5.4 ℃,降低室內(nèi)空氣溫度最大可達(dá)3.2 ℃,能有效改善室內(nèi)熱舒適環(huán)境。

(2)低碳光電模塊化板房能有效降低房間空調(diào)耗電量,節(jié)能率最大可達(dá)18.7%,節(jié)能降碳效果顯著。