佟雨柔, 楊 暉, 郭寶霞, 史彥卓, 湯小芳

(北京建筑大學(xué) 北京市供熱、 供燃?xì)狻?通風(fēng)及空調(diào)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100044)

1 概述

臨時(shí)建筑已被廣泛用作自然災(zāi)害救援住所、流行病隔離病房、大型施工現(xiàn)場(chǎng)員工宿舍等,在建筑節(jié)能低碳背景下,臨時(shí)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能也受到關(guān)注。Cornaro等人[1]在墻壁和屋頂中加入氣凝膠以及使用由聚乙烯網(wǎng)格組成的模塊化地板來提高應(yīng)急避難帳篷的保溫性能,供暖電力需求平均下降59.4%。Yang等人[2]分析了黃土和多孔材料構(gòu)成的可移動(dòng)房屋在不同氣候區(qū)的供暖及制冷能耗,結(jié)果表明,在供暖需求占主導(dǎo)的地區(qū),增加保溫層會(huì)顯著提高節(jié)能效果,并建議保溫層厚度至少為100 mm。

隨著保溫層厚度的增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能提高,建筑能耗及供暖空調(diào)費(fèi)用降低,但材料費(fèi)用和建設(shè)成本相應(yīng)增加。因此,探討適合建筑所在地氣候條件、建筑運(yùn)行工況的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度具有實(shí)際意義。國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)、不同類型建筑的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度進(jìn)行了大量研究[3-7],但這些研究大多針對(duì)永久性建筑,專門針對(duì)使用年限不固定的臨時(shí)建筑保溫層經(jīng)濟(jì)厚度的研究還不充分。

集裝箱房是臨時(shí)建筑的一種,起源于海運(yùn)集裝箱的再利用[8],具有可移動(dòng)性強(qiáng)、便于異地循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的制造尺寸使其成為優(yōu)秀的模塊化建筑[9]。本文以2022年北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)使用的集裝箱房作為研究對(duì)象,分別針對(duì)高海拔地區(qū)(海拔2 177.5 m)、低海拔地區(qū)(海拔950 m)建立幾何模型,利用EnergyPlus軟件模擬室內(nèi)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、供暖能耗。結(jié)合生命周期成本法,以保溫材料生命周期總成本最低為目標(biāo),計(jì)算分析不同保溫材料(巖棉、擠塑聚苯板、聚氨酯板、氣凝膠真空絕熱板)的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度。

2 研究方法

2.1 集裝箱房模型

2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)延慶國家高山滑雪中心的交通服務(wù)人員休息室采用長×寬×高為6.0 m×3.0 m×2.9 m的集裝箱房,外觀見圖1。在3.0 m×2.9 m的墻上分別設(shè)置1扇外窗(尺寸為2.67 m×0.9 m)、1扇玻璃門(尺寸為1.47 m×2.57 m)。門窗均采用中空low-e玻璃,傳熱系數(shù)為1.8 W/(m2·K),太陽得熱系數(shù)為0.43。集裝箱房圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及材料物性參數(shù)見表1。以該集裝箱房作為研究對(duì)象,建立幾何模型(見圖2)。幾何模型具體尺寸見圖3,圖中數(shù)值相應(yīng)的單位為mm。

圖1 集裝箱房外觀

表1 集裝箱房圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及材料物性參數(shù)

圖2 集裝箱房幾何模型

圖3 集裝箱房幾何模型尺寸(軟件截圖)

本文采用SketchUp建立建筑模型,基于表1數(shù)據(jù),在EnergyPlus軟件中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及材料物性進(jìn)行設(shè)置。高山滑雪中心不同海拔的室外溫度、太陽輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)不同,應(yīng)用EnergyPlus軟件導(dǎo)入不同海拔的氣象參數(shù),模擬室內(nèi)溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度、供暖能耗。

國家高山滑雪中心位于延慶區(qū)小海坨山南部,小海坨山海拔變化范圍大,氣候垂直分布明顯。賽區(qū)冬奧-冬殘奧村海拔近似950 m,而山頂出發(fā)區(qū)海拔近似2 177.5 m。根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》,高海拔地區(qū)(本文指海拔2 177.5 m地區(qū))屬于嚴(yán)寒A區(qū),低海拔地區(qū)(本文指海拔950 m地區(qū))屬于寒冷地區(qū)。參考嚴(yán)寒A區(qū)哈爾濱、寒冷地區(qū)北京的供暖期,兩個(gè)海拔地區(qū)的供暖能耗計(jì)算時(shí)間分別為:高海拔地區(qū),10月20日至次年4月20日。低海拔地區(qū),11月15日至次年3月15日。

利用EnergyPlus軟件模擬集裝箱房的供暖能耗,并根據(jù)冬奧會(huì)延慶賽區(qū)的實(shí)際使用情況對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。人員在室時(shí)間及燈光開啟時(shí)間為7:00—17:00。照明密度為4 W/m2,房間內(nèi)人數(shù)為1人,人體發(fā)熱量為108 W/人?？紤]到房間功能,沒有設(shè)置打印機(jī)、電腦等電器設(shè)備。沒有設(shè)置機(jī)械通風(fēng)裝置,門窗的氣密性為5級(jí),滲透空氣量為0.01 m3/s,滿足人員所需的最小新風(fēng)量30 m3/(h·人)。供暖裝置為電散熱器,電功率為2 200 W,電熱轉(zhuǎn)換效率為90%。7:00—17:00室內(nèi)溫度設(shè)定為18 ℃,其他時(shí)間設(shè)定10 ℃。

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性,對(duì)集裝箱房室內(nèi)溫度、玻璃門內(nèi)表面溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)試時(shí)間為2021年10月1日—11日,測(cè)試地點(diǎn)為北京冬奧延慶賽區(qū)競(jìng)速結(jié)束區(qū)。測(cè)試期間,室外氣象數(shù)據(jù)由附近氣象站記錄。除10月6日有工作人員進(jìn)入房間外,其他測(cè)試時(shí)間門、窗均為關(guān)閉狀態(tài),房間內(nèi)沒有人員、照明和發(fā)熱設(shè)備。溫度測(cè)點(diǎn)布置見圖4。為避免太陽輻射的影響,室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置在集裝箱房的角落,距地面高度為0.45 m。玻璃門內(nèi)表面溫度測(cè)點(diǎn)距地面1.3 m。室內(nèi)空氣溫度由USB溫濕度記錄儀測(cè)量,玻璃門內(nèi)表面溫度由貼片式溫度記錄儀測(cè)量。采用24 h連續(xù)測(cè)量,每隔5 min記錄1次數(shù)據(jù)。

圖4 集裝箱房溫度測(cè)點(diǎn)布置(軟件截圖)

模擬時(shí),應(yīng)用EnergyPlus軟件載入測(cè)試期間實(shí)測(cè)室外氣象數(shù)據(jù)。以1 h平均溫度為基準(zhǔn),對(duì)比室內(nèi)溫度、玻璃門內(nèi)表面溫度的實(shí)測(cè)值與模擬值,分別見圖5、6。由圖5、6可知,室內(nèi)溫度、玻璃門內(nèi)表面溫度的實(shí)測(cè)值與模擬值變化趨勢(shì)一致。實(shí)測(cè)值曲線如實(shí)反映了10月6日工作人員進(jìn)入房間,對(duì)室內(nèi)溫度、玻璃門內(nèi)表面溫度的影響。

圖5 室內(nèi)溫度實(shí)測(cè)值與模擬值隨時(shí)間的變化

為定量分析模型的準(zhǔn)確性,計(jì)算測(cè)試時(shí)間內(nèi)模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差絕對(duì)值。在計(jì)算平均相對(duì)誤差絕對(duì)值時(shí),排除了10月6日的實(shí)測(cè)值、模擬值。由計(jì)算結(jié)果可知,室內(nèi)溫度、玻璃門內(nèi)表面溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差絕對(duì)值為12.16%、14.11%,均小于15%。說明模型的準(zhǔn)確性可以接受。

圖6 玻璃門內(nèi)表面溫度實(shí)測(cè)值與模擬值隨時(shí)間的變化

3 保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法

本文選取傳統(tǒng)保溫材料、高性能保溫材料進(jìn)行模擬分析。傳統(tǒng)保溫材料包括巖棉、擠塑聚苯板(XPS)、聚氨酯板(PU),高性能保溫材料為氣凝膠真空絕熱板(HVIP)。保溫材料的性能參數(shù)見表2。

表2 保溫材料的性能參數(shù)

生命周期成本法(Life Cycle Cost,LCC)常被用于評(píng)估建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的成本和效益[10],以保溫材料生命周期總成本(保溫材料費(fèi)、壽命內(nèi)能源成本)最低為目標(biāo)確定保溫層經(jīng)濟(jì)厚度[11]。保溫材料費(fèi)包括保溫材料購置費(fèi)、保溫層安裝費(fèi),壽命內(nèi)能源成本指電散熱器電費(fèi)。

保溫材料生命周期總成本C的計(jì)算式為:

C=Cm+Cr

Cm=δA(ci+ce)

Cr=EcfZ

式中C——保溫材料生命周期總成本,元

Cm——保溫材料費(fèi),元

Cr——電散熱器電費(fèi),元

δ——保溫材料厚度,mm

A——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)保溫時(shí)保溫材料面積,m2

ci——保溫材料價(jià)格,元/m3

ce——保溫層單位安裝費(fèi),元/m3

E——電散熱器耗電量,kW·h

cf——電價(jià),kW·h/元

Z——現(xiàn)值系數(shù)[12]

i——折現(xiàn)率,取0.05[13]

N——集裝箱房使用年限,a

電散熱器耗電量由EnergyPlus軟件,根據(jù)不同時(shí)間的設(shè)定室內(nèi)溫度以及不同海拔供暖期時(shí)間模擬計(jì)算得到。保溫材料價(jià)格見表3。保溫層單位安裝費(fèi)240 元/m3。電價(jià)取1.05 元/(kW·h),為2022年北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)的用電價(jià)格。在保溫層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算中,集裝箱房使用年限取1～20 a。傳統(tǒng)保溫材料厚度變化步長為20 mm,高性能保溫材料厚度變化步長為1 mm。

表3 保溫材料價(jià)格

4 結(jié)果及分析

集裝箱房使用年限為5 a時(shí),2種海拔下各種費(fèi)用(保溫材料費(fèi)、電散熱器電費(fèi)、生命周期總成本)隨保溫層厚度的變化分別見圖7～10。由圖7～10可知,保溫層厚度一定時(shí),高海拔地區(qū)的各種費(fèi)用均高于低海拔地區(qū)。保溫材料費(fèi)隨保溫層厚度增大呈線性增長。電散熱器電費(fèi)隨保溫層厚度增大而減小,且變化趨勢(shì)趨于平緩。4種保溫材料的生命周期總成本均先減小后增大。生命周期總成本存在最小值,對(duì)應(yīng)的保溫層厚度為保溫層經(jīng)濟(jì)厚度。

圖7 集裝箱房使用年限為5 a時(shí)2種海拔下各種費(fèi)用隨巖棉厚度的變化

圖8 集裝箱房使用年限為5 a時(shí)2種海拔下各種費(fèi)用隨擠塑聚苯板厚度的變化

圖9 集裝箱房使用年限為5 a時(shí)2種海拔下各種費(fèi)用隨聚氨酯板厚度的變化

圖10 集裝箱房使用年限為5 a時(shí)2種海拔下各種費(fèi)用隨氣凝膠真空絕熱板厚度的變化

2種海拔下4種保溫材料的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化分別見11～14。由圖11～14可知,集裝箱房使用年限一定時(shí),高海拔地區(qū)的保溫材料保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本均大于低海拔地區(qū)。4種保溫材料的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本均隨集裝箱房使用年限延長而增大。集裝箱房使用年限一定時(shí),保溫層經(jīng)濟(jì)厚度由大到小的順序?yàn)閹r棉、擠塑聚苯板、聚氨酯板、氣凝膠真空絕熱板。氣凝膠真空絕熱板的最小生命周期總成本最高,巖棉的最小生命周期總成本居中,擠塑聚苯板、聚氨酯板的最小生命周期總成本接近且在4種保溫材料中最低。綜合考慮,聚氨酯板的綜合性能最佳。

圖11 2種海拔下巖棉保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化

5 結(jié)論

① 集裝箱房使用年限一定時(shí),高海拔地區(qū)的保溫材料保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本均大于低海拔地區(qū)。

② 集裝箱房使用年限一定時(shí),保溫層經(jīng)濟(jì)厚度由大到小的順序?yàn)閹r棉、擠塑聚苯板、聚氨酯板、氣凝膠真空絕熱板。氣凝膠真空絕熱板的最小生命周期總成本最高,巖棉的最小生命周期總成本居中,擠塑聚苯板、聚氨酯板的最小生命周期總成本接近且在4種保溫材料中最低。綜合考慮,聚氨酯板的綜合性能最佳。

圖12 2種海拔下擠塑聚苯板保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化

圖13 2種海拔下聚氨酯板保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化

圖14 2種海拔下氣凝膠真空絕熱板保溫層經(jīng)濟(jì)厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化