北京冬奧會集裝箱房保溫層經濟厚度模擬分析

佟雨柔, 楊 暉, 郭寶霞, 史彥卓, 湯小芳

(北京建筑大學 北京市供熱、 供燃氣、 通風及空調工程重點實驗室, 北京 100044)

1 概述

臨時建筑已被廣泛用作自然災害救援住所、流行病隔離病房、大型施工現場員工宿舍等,在建筑節能低碳背景下,臨時建筑圍護結構保溫性能也受到關注。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格組成的模塊化地板來提高應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成的可移動房屋在不同氣候區的供暖及制冷能耗,結果表明,在供暖需求占主導的地區,增加保溫層會顯著提高節能效果,并建議保溫層厚度至少為100 mm。

隨著保溫層厚度的增大,圍護結構的保溫性能提高,建筑能耗及供暖空調費用降低,但材料費用和建設成本相應增加。因此,探討適合建筑所在地氣候條件、建筑運行工況的保溫層經濟厚度具有實際意義。國內外許多學者針對不同地區、不同類型建筑的保溫層經濟厚度進行了大量研究[3-7],但這些研究大多針對永久性建筑,專門針對使用年限不固定的臨時建筑保溫層經濟厚度的研究還不充分。

集裝箱房是臨時建筑的一種,起源于海運集裝箱的再利用[8],具有可移動性強、便于異地循環使用的優點,同時標準的制造尺寸使其成為優秀的模塊化建筑[9]。本文以2022年北京冬奧會延慶賽區使用的集裝箱房作為研究對象,分別針對高海拔地區(海拔2 177.5 m)、低海拔地區(海拔950 m)建立幾何模型,利用EnergyPlus軟件模擬室內溫度、圍護結構內表面溫度、供暖能耗。結合生命周期成本法,以保溫材料生命周期總成本最低為目標,計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)的保溫層經濟厚度。

2 研究方法

2.1 集裝箱房模型

2022年北京冬季奧運會和殘奧會延慶國家高山滑雪中心的交通服務人員休息室采用長×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,傳熱系數為1.8 W/(m2·K),太陽得熱系數為0.43。集裝箱房圍護結構構造及材料物性參數見表1。以該集裝箱房作為研究對象,建立幾何模型(見圖2)。幾何模型具體尺寸見圖3,圖中數值相應的單位為mm。

圖1 集裝箱房外觀

表1 集裝箱房圍護結構構造及材料物性參數

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數據,在EnergyPlus軟件中對圍護結構及材料物性進行設置。高山滑雪中心不同海拔的室外溫度、太陽輻照度、風速、風向等氣象參數不同,應用EnergyPlus軟件導入不同海拔的氣象參數,模擬室內溫度、圍護結構內表面溫度、供暖能耗。

國家高山滑雪中心位于延慶區小海坨山南部,小海坨山海拔變化范圍大,氣候垂直分布明顯。賽區冬奧-冬殘奧村海拔近似950 m,而山頂出發區海拔近似2 177.5 m。根據GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》,高海拔地區(本文指海拔2 177.5 m地區)屬于嚴寒A區,低海拔地區(本文指海拔950 m地區)屬于寒冷地區。參考嚴寒A區哈爾濱、寒冷地區北京的供暖期,兩個海拔地區的供暖能耗計算時間分別為:高海拔地區,10月20日至次年4月20日。低海拔地區,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,并根據冬奧會延慶賽區的實際使用情況對模擬參數進行設定。人員在室時間及燈光開啟時間為7:00—17:00。照明密度為4 W/m2,房間內人數為1人,人體發熱量為108 W/人。考慮到房間功能,沒有設置打印機、電腦等電器設備。沒有設置機械通風裝置,門窗的氣密性為5級,滲透空氣量為0.01 m3/s,滿足人員所需的最小新風量30 m3/(h·人)。供暖裝置為電散熱器,電功率為2 200 W,電熱轉換效率為90%。7:00—17:00室內溫度設定為18 ℃,其他時間設定10 ℃。

2.2 模型驗證

為驗證模擬的準確性,對集裝箱房室內溫度、玻璃門內表面溫度進行實測。測試時間為2021年10月1日—11日,測試地點為北京冬奧延慶賽區競速結束區。測試期間,室外氣象數據由附近氣象站記錄。除10月6日有工作人員進入房間外,其他測試時間門、窗均為關閉狀態,房間內沒有人員、照明和發熱設備。溫度測點布置見圖4。為避免太陽輻射的影響,室內溫度測點布置在集裝箱房的角落,距地面高度為0.45 m。玻璃門內表面溫度測點距地面1.3 m。室內空氣溫度由USB溫濕度記錄儀測量,玻璃門內表面溫度由貼片式溫度記錄儀測量。采用24 h連續測量,每隔5 min記錄1次數據。

圖4 集裝箱房溫度測點布置(軟件截圖)

模擬時,應用EnergyPlus軟件載入測試期間實測室外氣象數據。以1 h平均溫度為基準,對比室內溫度、玻璃門內表面溫度的實測值與模擬值,分別見圖5、6。由圖5、6可知,室內溫度、玻璃門內表面溫度的實測值與模擬值變化趨勢一致。實測值曲線如實反映了10月6日工作人員進入房間,對室內溫度、玻璃門內表面溫度的影響。

圖5 室內溫度實測值與模擬值隨時間的變化

為定量分析模型的準確性,計算測試時間內模擬值與實測值的平均相對誤差絕對值。在計算平均相對誤差絕對值時,排除了10月6日的實測值、模擬值。由計算結果可知,室內溫度、玻璃門內表面溫度的模擬值與實測值的平均相對誤差絕對值為12.16%、14.11%,均小于15%。說明模型的準確性可以接受。

圖6 玻璃門內表面溫度實測值與模擬值隨時間的變化

3 保溫層經濟厚度計算方法

本文選取傳統保溫材料、高性能保溫材料進行模擬分析。傳統保溫材料包括巖棉、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見表2。

表2 保溫材料的性能參數

生命周期成本法(Life Cycle Cost,LCC)常被用于評估建筑圍護結構的成本和效益[10],以保溫材料生命周期總成本(保溫材料費、壽命內能源成本)最低為目標確定保溫層經濟厚度[11]。保溫材料費包括保溫材料購置費、保溫層安裝費,壽命內能源成本指電散熱器電費。

保溫材料生命周期總成本C的計算式為:

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,元

Cr——電散熱器電費,元

δ——保溫材料厚度,mm

A——圍護結構內保溫時保溫材料面積,m2

ci——保溫材料價格,元/m3

ce——保溫層單位安裝費,元/m3

E——電散熱器耗電量,kW·h

cf——電價,kW·h/元

Z——現值系數[12]

i——折現率,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,根據不同時間的設定室內溫度以及不同海拔供暖期時間模擬計算得到。保溫材料價格見表3。保溫層單位安裝費240 元/m3。電價取1.05 元/(kW·h),為2022年北京冬奧會延慶賽區的用電價格。在保溫層經濟厚度計算中,集裝箱房使用年限取1～20 a。傳統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 保溫材料價格

4 結果及分析

集裝箱房使用年限為5 a時,2種海拔下各種費用(保溫材料費、電散熱器電費、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,高海拔地區的各種費用均高于低海拔地區。保溫材料費隨保溫層厚度增大呈線性增長。電散熱器電費隨保溫層厚度增大而減小,且變化趨勢趨于平緩。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,對應的保溫層厚度為保溫層經濟厚度。

圖7 集裝箱房使用年限為5 a時2種海拔下各種費用隨巖棉厚度的變化

圖8 集裝箱房使用年限為5 a時2種海拔下各種費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2種海拔下各種費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2種海拔下各種費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濟厚度、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,高海拔地區的保溫材料保溫層經濟厚度、最小生命周期總成本均大于低海拔地區。4種保溫材料的保溫層經濟厚度、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,保溫層經濟厚度由大到小的順序為巖棉、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濟厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化

5 結論

① 集裝箱房使用年限一定時,高海拔地區的保溫材料保溫層經濟厚度、最小生命周期總成本均大于低海拔地區。

② 集裝箱房使用年限一定時,保溫層經濟厚度由大到小的順序為巖棉、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濟厚度、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濟厚度、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濟厚度、最小生命周期總成本隨集裝箱房使用年限的變化