真空隔熱板在集裝箱建筑的節能應用

趙柏揚 王如竹＊ 徐 律上海交通大學

0 引言

我國是集裝箱生產大國，集裝箱除了用于運輸業外，它還是一種標準化、低成本、運輸便捷的模塊化建筑，是解決我國居住資源緊張問題的有效手段之一[1]，也是基礎設施建設工地以及武警和邊防戰士營房的重要設施。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人體舒適性，并增加了建筑的采暖供冷（空調）能耗。因此，集裝箱作為建筑應用時，需要對集裝箱進行隔熱保溫處理，實現建筑的節能改造。

真空隔熱板是一種真空保溫材料，由填充材料與真空保護表層復合而成，可有效避免空氣對流產生的熱傳遞，導熱系數一般小于0．0035 W/(mK)[2]，僅為常用保溫材料（如巖棉、EPS、PU等）導熱系數的1/10～1/5[3]。目前，VIP材料主要應用于冰箱[4]、冷藏集裝箱[5]和節能建筑[6]。

VIP因其高性能的保溫特性被廣泛用于建筑領域。然而，目前尚無關于VIP在集裝箱建筑的應用研究。本文對VIP在集裝箱建筑的節能保溫性能進行探討，以一座位于上海的20尺標準集裝箱建筑作為研究對象，對VIP安裝前后的建筑熱工性能進行測試和能耗分析，通過實驗數據建立集裝箱建筑的TRNSYS仿真模型，研究不同氣候地區建筑應用VIP后的節能率。以光伏集裝箱建筑作為應用背景，分析了VIP材料在零能耗建筑的適用性。

1 實驗原理與方案

圖1為本研究實驗測試的集裝箱建筑，該建筑位于上海交通大學校園內，由20尺標準集裝箱改造而成，室內面積約為13 m2，在兩個側立面分別裝有一扇窗戶，每扇窗戶面積為1．4 m2。同時，建筑內部裝有50 mm的彩鋼夾芯板(巖棉夾芯，導熱系數為0．045 W/(mK))，由理論計算得出建筑墻體(包括屋面)的熱阻為1．1 m2K/W。根據《公共建筑節能設計標準GB50189-2015》，上海(夏熱冬冷)地區的屋面和外墻的傳熱系數需分別低于0．4 W/(m2K)和 0．6 W/(m2K)，對 應 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，需進行節能改造。

圖1 實驗研究集裝箱建筑

本研究通過在建筑內表面(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。根據供應商提供的參數，本研究采用的VIP材料的傳熱系數為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，該數值不僅達到了上海地區的節能建筑標準，同時滿足我國嚴寒地區建筑的應用需求(標準GB50189-2015)。在VIP安裝過程中，為減輕集裝箱建筑在彩鋼板結合處的冷橋效應，VIP材料應盡可能將冷橋區域進行覆蓋，詳細結構如圖2所示。建筑內的冷/熱負荷由一臺1．5匹的冷暖變頻空調滿足，空調的相關參數見表1。

圖2 VIP在集裝箱建筑墻體的應用

表1 空調參數

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

式中：R(t）為t時刻墻體熱阻，Tiw(t）和Tow(t）分別為t時刻內外墻面的溫度，qiw(t）和qow(t）分別為t時刻內外墻面的熱流(方向為墻體表面至內部)。

圖3 傳感器布置方法

此外，本研究通過一個智能電表對建筑的空調運行功率和能耗進行測量，所有傳感器數據通過數據采集器KEITHLEY 2700進行采集。實驗用傳感器的相關參數如表2所示。

表2 傳感器參數

2 實驗結果分析

本研究在上海地區全年氣溫最低的1月進行VIP安裝前后的集裝箱建筑冬季采暖實驗。實驗過程中，空調全天開啟，室內設定溫度為25℃。需要說明的是，冬季室內設定溫度一般為20℃，由于本研究采用的空調能效較高，使用VIP材料后，設定室溫為20℃時，空調運行功率經常低于最低值(低于20%負荷率)，使空調處于頻繁開啟狀態，影響對建筑熱工性能的測量。因此，本實驗提高了室溫設定值，使空調盡可能處于穩定運行狀態。

2.1 建筑冷橋分析

相關研究表明，建筑因冷橋產生的熱損失約占總能耗的20%[8]。VIP在集裝箱建筑的應用中，可通過覆蓋彩鋼板咬合面的方式減輕建筑的冷橋效應。本研究采用了紅外熱成像儀，對VIP應用前后建筑的冷橋分布進行了分析。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，建筑的主要冷橋發生在VIP材料的間隙處，而由于VIP間隙處有彩鋼夾芯板進行保溫，冷橋處的溫度較高，產生的熱損失較少。

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

本節選取了VIP安裝前后各一天的集裝箱建筑實驗數據進行墻體熱工性能研究。VIP安裝前，其室內外空氣、壁面溫度與空調運行功率情況如圖6所示，室內空氣溫度穩定在25℃，由于室內空氣與內壁面存在對流熱阻，其與內壁面溫度約有3℃的溫差。由于室外空氣對流熱阻較小，室外空氣與外壁面的溫度在17：00至次日8:00基本相同，其余時刻受日照的影響，外壁面溫度高于室外溫度；空調運行功率約為650 W，并在中午氣溫最高時出現低谷。

圖6 VIP安裝前建筑室內外空氣、壁面溫度與空調運行功率

VIP安裝前，建筑內外壁面的熱流與墻體熱阻如圖7所示。內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與內壁面熱流密度相等，其余時刻受日照影響發生較大波動；穩態時的墻體熱阻約為1．1 m2K/W，與理論值相符。

圖7 VIP安裝前內外墻面熱流與墻體熱阻

VIP安裝后，建筑室內外空氣、壁面溫度與空調運行功率如圖8所示，其中空調運行功率在17：00至次日8:00較為穩定，約為350 W，8:00至17:00隨著氣溫的升高，空調運行功率降低并低于最小運行功率，空調出現頻繁開閉狀態，造成室溫產生較大的波動。

圖8 VIP安裝后建筑室內外空氣、壁面溫度與空調運行功率

VIP安裝后，建筑內外壁面的熱流與墻體熱阻如圖9所示。在空調穩定運行時，內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安裝后內外墻面熱流與墻體熱阻

2.3 建筑能耗分析

本研究對VIP安裝前后的集裝箱建筑分別進行了空調熱泵供熱能耗測試，單日的空調熱泵能耗量與該日平均氣溫的關系如圖10所示。需要說明的是，影響空調熱泵能耗的環境因素有氣溫、太陽輻照和風速等，但由于氣溫是主要的影響因素[9]，圖10僅考慮了氣溫對空調熱泵能耗的影響，VIP安裝前后氣溫的分布情況相似，建筑空調熱泵供熱能耗隨平均氣溫的增高而降低。VIP安裝前空調每天的能耗為 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 應用分析

上文對VIP應用前后的集裝箱建筑在上海地區冬季的能耗情況進行了實驗分析，根據相關實驗數據建立集裝箱建筑能耗模型，并以此研究不同場景下，VIP在集裝箱建筑節能保溫的性能。

3.1 仿真模型建立與驗證

本研究使用TRNSYS軟件分別建立了集裝箱建筑的空調能耗模型，并對VIP安裝前后的建筑能耗情況進行了模擬。模擬結果如圖11所示。對比實驗數據，VIP安裝前后仿真結果(空調耗電量)的相對誤差分別是3．6%和6．6%，仿真模型的精度較高，可用于其他應用場景的模擬分析。

圖11 集裝箱建筑仿真模型驗證

3.2 節能性能分析

根據《民用建筑設計通則GB50352-2005》，中國的氣候區域按氣溫分布特征，可劃分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區，不同氣候地區的集裝箱空調能耗情況有較大差異。本節對VIP在不同氣候地區集裝箱建筑的應用進行研究，每個氣候區域選取一個典型城市，分別是齊齊哈爾(嚴寒)、北京(寒冷)、上海(夏熱冬冷)、廣州(夏熱冬暖)，由于溫和地區空調需求較小，對該地區暫不做研究。使用TRNSYS仿真模型對上述4個城市的集裝箱建筑運行能耗進行模擬，模擬過程中夏季室內設定溫度為25℃，冬季室內設定溫度為20℃。

圖12顯示了VIP安裝前后集裝箱建筑在不同氣候地區的夏季、冬季空調能耗與夏季、冬季、全年節能率。由圖12可見，各地區建筑冬季的節能率約為50%，夏季節能率約為25%，VIP在冬季的節能特性更顯著，這是因為夏季時，穿過建筑透明圍護結構的太陽熱輻射較大，VIP并不能有效減少這部分熱輻射引起的制冷負荷。齊齊哈爾的冬季采暖需求最大，該地區VIP應用后的建筑全年節能率最高，達到了47．3%，而相對應的，廣州的冬季采暖需求最小，其全年節能率最低，為36．3%。

圖12 VIP在不同氣候地區集裝箱建筑節能情況

圖13 不同氣候地區光伏集裝箱建筑的發用電情況

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電量，單靠建筑屋頂的光伏板無法滿足建筑的用電需求；VIP安裝后，由于空調能耗的降低，各地集裝箱建筑的總用電量均小于總發電量，建筑可實現能量的自給自足，達到“零能耗”標準，當建筑配備合適容量的儲能電池時，建筑可完全離網運行。

4 結論

本文研究了VIP材料在集裝箱建筑的節能保溫性能，對一座位于上海地區的集裝箱建筑進行了VIP應用，并對VIP應用前后集裝箱建筑的熱工特性和能耗情況進行了實驗分析。通過實驗數據，使用TRSNSY軟件建立了集裝箱建筑能耗模型，并對不同場景下的VIP應用進行了仿真模擬，得到了以下結論：

(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能耗；

(2)VIP的節能特性與季節相關，集裝箱建筑在夏季和冬季的節能率分別約為25%和50%，全年節能率為36．3%～47．3%，全年節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，使建筑實現能量的自給自足，達到“零能耗”標準。