真空隔热板在集装箱建筑的节能应用

2019-06-04赵柏扬王如竹律上海交通大学

上海节能 2019年5期

赵柏扬王如竹＊徐律上海交通大学

0 引言

我国是集装箱生产大国，集装箱除了用于运输业外，它还是一种标准化、低成本、运输便捷的模块化建筑，是解决我国居住资源紧张问题的有效手段之一[1]，也是基础设施建设工地以及武警和边防战士营房的重要设施。集装箱的箱体材料以钢材模板为主，其保温隔热性能差，一定程度上影响了室内人体舒适性，并增加了建筑的采暖供冷（空调）能耗。因此，集装箱作为建筑应用时，需要对集装箱进行隔热保温处理，实现建筑的节能改造。

真空隔热板是一种真空保温材料，由填充材料与真空保护表层复合而成，可有效避免空气对流产生的热传递，导热系数一般小于0．0035 W/(mK)[2]，仅为常用保温材料（如岩棉、EPS、PU等）导热系数的1/10～1/5[3]。目前，VIP材料主要应用于冰箱[4]、冷藏集装箱[5]和节能建筑[6]。

VIP因其高性能的保温特性被广泛用于建筑领域。然而，目前尚无关于VIP在集装箱建筑的应用研究。本文对VIP在集装箱建筑的节能保温性能进行探讨，以一座位于上海的20尺标准集装箱建筑作为研究对象，对VIP安装前后的建筑热工性能进行测试和能耗分析，通过实验数据建立集装箱建筑的TRNSYS仿真模型，研究不同气候地区建筑应用VIP后的节能率。以光伏集装箱建筑作为应用背景，分析了VIP材料在零能耗建筑的适用性。

1 实验原理与方案

图1为本研究实验测试的集装箱建筑，该建筑位于上海交通大学校园内，由20尺标准集装箱改造而成，室内面积约为13 m2，在两个侧立面分别装有一扇窗户，每扇窗户面积为1．4 m2。同时，建筑内部装有50 mm的彩钢夹芯板(岩棉夹芯，导热系数为0．045 W/(mK))，由理论计算得出建筑墙体(包括屋面)的热阻为1．1 m2K/W。根据《公共建筑节能设计标准GB50189-2015》，上海(夏热冬冷)地区的屋面和外墙的传热系数需分别低于0．4 W/(m2K)和 0．6 W/(m2K)，对应热阻分别为 2．5 m2K/W 和1．67 m2K/W。由此可见，集装箱建筑未能满足要求，需进行节能改造。

图1 实验研究集装箱建筑

本研究通过在建筑内表面(包括墙面和屋面)贴覆8 mm厚度的VIP材料，提高集装箱建筑的保温隔热性能。根据供应商提供的参数，本研究采用的VIP材料的传热系数为0．003 W/(mK)，8 mm VIP材料的理论热阻为2．67 m2K/W，安装VIP后墙体的总热阻为3．77 m2K/W，该数值不仅达到了上海地区的节能建筑标准，同时满足我国严寒地区建筑的应用需求(标准GB50189-2015)。在VIP安装过程中，为减轻集装箱建筑在彩钢板结合处的冷桥效应，VIP材料应尽可能将冷桥区域进行覆盖，详细结构如图2所示。建筑内的冷/热负荷由一台1．5匹的冷暖变频空调满足，空调的相关参数见表1。

图2 VIP在集装箱建筑墙体的应用

表1 空调参数

为了分析建筑墙体的热工性能，本研究采用了双热流计法[7]，即分别在建筑墙体的内外表面放置热流计和温度传感器，采集墙体的内外表面热流和温度(图3)，并通过式(1)计算得到墙体的热阻：

式中：R(t）为t时刻墙体热阻，Tiw(t）和Tow(t）分别为t时刻内外墙面的温度，qiw(t）和qow(t）分别为t时刻内外墙面的热流(方向为墙体表面至内部)。

图3 传感器布置方法

此外，本研究通过一个智能电表对建筑的空调运行功率和能耗进行测量，所有传感器数据通过数据采集器KEITHLEY 2700进行采集。实验用传感器的相关参数如表2所示。

表2 传感器参数

2 实验结果分析

本研究在上海地区全年气温最低的1月进行VIP安装前后的集装箱建筑冬季采暖实验。实验过程中，空调全天开启，室内设定温度为25℃。需要说明的是，冬季室内设定温度一般为20℃，由于本研究采用的空调能效较高，使用VIP材料后，设定室温为20℃时，空调运行功率经常低于最低值(低于20%负荷率)，使空调处于频繁开启状态，影响对建筑热工性能的测量。因此，本实验提高了室温设定值，使空调尽可能处于稳定运行状态。

2.1 建筑冷桥分析

相关研究表明，建筑因冷桥产生的热损失约占总能耗的20%[8]。VIP在集装箱建筑的应用中，可通过覆盖彩钢板咬合面的方式减轻建筑的冷桥效应。本研究采用了红外热成像仪，对VIP应用前后建筑的冷桥分布进行了分析。如图4和图5，VIP安装后，建筑因彩钢板咬合而形成的冷桥明显减少，建筑的主要冷桥发生在VIP材料的间隙处，而由于VIP间隙处有彩钢夹芯板进行保温，冷桥处的温度较高，产生的热损失较少。

图4 VIP安装前集装箱图片

图5 VIP安装后集装箱图片

2.2 墙体热工性能分析

本节选取了VIP安装前后各一天的集装箱建筑实验数据进行墙体热工性能研究。VIP安装前，其室内外空气、壁面温度与空调运行功率情况如图6所示，室内空气温度稳定在25℃，由于室内空气与内壁面存在对流热阻，其与内壁面温度约有3℃的温差。由于室外空气对流热阻较小，室外空气与外壁面的温度在17：00至次日8:00基本相同，其余时刻受日照的影响，外壁面温度高于室外温度；空调运行功率约为650 W，并在中午气温最高时出现低谷。

图6 VIP安装前建筑室内外空气、壁面温度与空调运行功率

VIP安装前，建筑内外壁面的热流与墙体热阻如图7所示。内壁面热流密度维持在16 W/m2，而外壁面热流在17:00至次日8:00与内壁面热流密度相等，其余时刻受日照影响发生较大波动；稳态时的墙体热阻约为1．1 m2K/W，与理论值相符。

图7 VIP安装前内外墙面热流与墙体热阻

VIP安装后，建筑室内外空气、壁面温度与空调运行功率如图8所示，其中空调运行功率在17：00至次日8:00较为稳定，约为350 W，8:00至17:00随着气温的升高，空调运行功率降低并低于最小运行功率，空调出现频繁开闭状态，造成室温产生较大的波动。

图8 VIP安装后建筑室内外空气、壁面温度与空调运行功率

VIP安装后，建筑内外壁面的热流与墙体热阻如图9所示。在空调稳定运行时，内外墙面的热流密度约为8 W/m2，墙体热阻约为3．8 m2K/W，与理论值相符。

图9 VIP安装后内外墙面热流与墙体热阻

2.3 建筑能耗分析

本研究对VIP安装前后的集装箱建筑分别进行了空调热泵供热能耗测试，单日的空调热泵能耗量与该日平均气温的关系如图10所示。需要说明的是，影响空调热泵能耗的环境因素有气温、太阳辐照和风速等，但由于气温是主要的影响因素[9]，图10仅考虑了气温对空调热泵能耗的影响，VIP安装前后气温的分布情况相似，建筑空调热泵供热能耗随平均气温的增高而降低。VIP安装前空调每天的能耗为 11．4 kWh～16．0 kWh，平均每天能耗为13．1 kWh，VIP安装后空调每天能耗为7．0 kWh～8．7 kWh，平均每天的能耗为7．9 kWh，平均能耗降低约40%。

图10 VIP安装前后集装箱建筑日能耗

3 应用分析

上文对VIP应用前后的集装箱建筑在上海地区冬季的能耗情况进行了实验分析，根据相关实验数据建立集装箱建筑能耗模型，并以此研究不同场景下，VIP在集装箱建筑节能保温的性能。

3.1 仿真模型建立与验证

本研究使用TRNSYS软件分别建立了集装箱建筑的空调能耗模型，并对VIP安装前后的建筑能耗情况进行了模拟。模拟结果如图11所示。对比实验数据，VIP安装前后仿真结果(空调耗电量)的相对误差分别是3．6%和6．6%，仿真模型的精度较高，可用于其他应用场景的模拟分析。

图11 集装箱建筑仿真模型验证

3.2 节能性能分析

根据《民用建筑设计通则GB50352-2005》，中国的气候区域按气温分布特征，可划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区，不同气候地区的集装箱空调能耗情况有较大差异。本节对VIP在不同气候地区集装箱建筑的应用进行研究，每个气候区域选取一个典型城市，分别是齐齐哈尔(严寒)、北京(寒冷)、上海(夏热冬冷)、广州(夏热冬暖)，由于温和地区空调需求较小，对该地区暂不做研究。使用TRNSYS仿真模型对上述4个城市的集装箱建筑运行能耗进行模拟，模拟过程中夏季室内设定温度为25℃，冬季室内设定温度为20℃。

图12显示了VIP安装前后集装箱建筑在不同气候地区的夏季、冬季空调能耗与夏季、冬季、全年节能率。由图12可见，各地区建筑冬季的节能率约为50%，夏季节能率约为25%，VIP在冬季的节能特性更显著，这是因为夏季时，穿过建筑透明围护结构的太阳热辐射较大，VIP并不能有效减少这部分热辐射引起的制冷负荷。齐齐哈尔的冬季采暖需求最大，该地区VIP应用后的建筑全年节能率最高，达到了47．3%，而相对应的，广州的冬季采暖需求最小，其全年节能率最低，为36．3%。