北京冬奥会集装箱房保温层经济厚度模拟分析

佟雨柔, 杨 晖, 郭宝霞, 史彦卓, 汤小芳

(北京建筑大学 北京市供热、 供燃气、 通风及空调工程重点实验室, 北京 100044)

临时建筑已被广泛用作自然灾害救援住所、流行病隔离病房、大型施工现场员工宿舍等,在建筑节能低碳背景下,临时建筑围护结构保温性能也受到关注。Cornaro等人[1]在墙壁和屋顶中加入气凝胶以及使用由聚乙烯网格组成的模块化地板来提高应急避难帐篷的保温性能,供暖电力需求平均下降59.4%。Yang等人[2]分析了黄土和多孔材料构成的可移动房屋在不同气候区的供暖及制冷能耗,结果表明,在供暖需求占主导的地区,增加保温层会显著提高节能效果,并建议保温层厚度至少为100 mm。

随着保温层厚度的增大,围护结构的保温性能提高,建筑能耗及供暖空调费用降低,但材料费用和建设成本相应增加。因此,探讨适合建筑所在地气候条件、建筑运行工况的保温层经济厚度具有实际意义。国内外许多学者针对不同地区、不同类型建筑的保温层经济厚度进行了大量研究[3-7],但这些研究大多针对永久性建筑,专门针对使用年限不固定的临时建筑保温层经济厚度的研究还不充分。

集装箱房是临时建筑的一种,起源于海运集装箱的再利用[8],具有可移动性强、便于异地循环使用的优点,同时标准的制造尺寸使其成为优秀的模块化建筑[9]。本文以2022年北京冬奥会延庆赛区使用的集装箱房作为研究对象,分别针对高海拔地区(海拔2 177.5 m)、低海拔地区(海拔950 m)建立几何模型,利用EnergyPlus软件模拟室内温度、围护结构内表面温度、供暖能耗。结合生命周期成本法,以保温材料生命周期总成本最低为目标,计算分析不同保温材料(岩棉、挤塑聚苯板、聚氨酯板、气凝胶真空绝热板)的保温层经济厚度。

2.1 集装箱房模型

2022年北京冬季奥运会和残奥会延庆国家高山滑雪中心的交通服务人员休息室采用长×宽×高为6.0 m×3.0 m×2.9 m的集装箱房,外观见图1。在3.0 m×2.9 m的墙上分别设置1扇外窗(尺寸为2.67 m×0.9 m)、1扇玻璃门(尺寸为1.47 m×2.57 m)。门窗均采用中空low-e玻璃,传热系数为1.8 W/(m2·K),太阳得热系数为0.43。集装箱房围护结构构造及材料物性参数见表1。以该集装箱房作为研究对象,建立几何模型(见图2)。几何模型具体尺寸见图3,图中数值相应的单位为mm。

图1 集装箱房外观

表1 集装箱房围护结构构造及材料物性参数

图2 集装箱房几何模型

图3 集装箱房几何模型尺寸(软件截图)

本文采用SketchUp建立建筑模型,基于表1数据,在EnergyPlus软件中对围护结构及材料物性进行设置。高山滑雪中心不同海拔的室外温度、太阳辐照度、风速、风向等气象参数不同,应用EnergyPlus软件导入不同海拔的气象参数,模拟室内温度、围护结构内表面温度、供暖能耗。

国家高山滑雪中心位于延庆区小海坨山南部,小海坨山海拔变化范围大,气候垂直分布明显。赛区冬奥-冬残奥村海拔近似950 m,而山顶出发区海拔近似2 177.5 m。根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》,高海拔地区(本文指海拔2 177.5 m地区)属于严寒A区,低海拔地区(本文指海拔950 m地区)属于寒冷地区。参考严寒A区哈尔滨、寒冷地区北京的供暖期,两个海拔地区的供暖能耗计算时间分别为:高海拔地区,10月20日至次年4月20日。低海拔地区,11月15日至次年3月15日。

利用EnergyPlus软件模拟集装箱房的供暖能耗,并根据冬奥会延庆赛区的实际使用情况对模拟参数进行设定。人员在室时间及灯光开启时间为7:00—17:00。照明密度为4 W/m2,房间内人数为1人,人体发热量为108 W/人。考虑到房间功能,没有设置打印机、电脑等电器设备。没有设置机械通风装置,门窗的气密性为5级,渗透空气量为0.01 m3/s,满足人员所需的最小新风量30 m3/(h·人)。供暖装置为电散热器,电功率为2 200 W,电热转换效率为90%。7:00—17:00室内温度设定为18 ℃,其他时间设定10 ℃。

2.2 模型验证

为验证模拟的准确性,对集装箱房室内温度、玻璃门内表面温度进行实测。测试时间为2021年10月1日—11日,测试地点为北京冬奥延庆赛区竞速结束区。测试期间,室外气象数据由附近气象站记录。除10月6日有工作人员进入房间外,其他测试时间门、窗均为关闭状态,房间内没有人员、照明和发热设备。温度测点布置见图4。为避免太阳辐射的影响,室内温度测点布置在集装箱房的角落,距地面高度为0.45 m。玻璃门内表面温度测点距地面1.3 m。室内空气温度由USB温湿度记录仪测量,玻璃门内表面温度由贴片式温度记录仪测量。采用24 h连续测量,每隔5 min记录1次数据。

图4 集装箱房温度测点布置(软件截图)

模拟时,应用EnergyPlus软件载入测试期间实测室外气象数据。以1 h平均温度为基准,对比室内温度、玻璃门内表面温度的实测值与模拟值,分别见图5、6。由图5、6可知,室内温度、玻璃门内表面温度的实测值与模拟值变化趋势一致。实测值曲线如实反映了10月6日工作人员进入房间,对室内温度、玻璃门内表面温度的影响。

图5 室内温度实测值与模拟值随时间的变化

为定量分析模型的准确性,计算测试时间内模拟值与实测值的平均相对误差绝对值。在计算平均相对误差绝对值时,排除了10月6日的实测值、模拟值。由计算结果可知,室内温度、玻璃门内表面温度的模拟值与实测值的平均相对误差绝对值为12.16%、14.11%,均小于15%。说明模型的准确性可以接受。

图6 玻璃门内表面温度实测值与模拟值随时间的变化

本文选取传统保温材料、高性能保温材料进行模拟分析。传统保温材料包括岩棉、挤塑聚苯板(XPS)、聚氨酯板(PU),高性能保温材料为气凝胶真空绝热板(HVIP)。保温材料的性能参数见表2。

表2 保温材料的性能参数

生命周期成本法(Life Cycle Cost,LCC)常被用于评估建筑围护结构的成本和效益[10],以保温材料生命周期总成本(保温材料费、寿命内能源成本)最低为目标确定保温层经济厚度[11]。保温材料费包括保温材料购置费、保温层安装费,寿命内能源成本指电散热器电费。

保温材料生命周期总成本C的计算式为:

C=Cm+Cr

Cm=δA(ci+ce)

Cr=EcfZ

式中C——保温材料生命周期总成本,元

Cm——保温材料费,元

Cr——电散热器电费,元

δ——保温材料厚度,mm

A——围护结构内保温时保温材料面积,m2

ci——保温材料价格,元/m3

ce——保温层单位安装费,元/m3

E——电散热器耗电量,kW·h

cf——电价,kW·h/元

Z——现值系数[12]

i——折现率,取0.05[13]

N——集装箱房使用年限,a

电散热器耗电量由EnergyPlus软件,根据不同时间的设定室内温度以及不同海拔供暖期时间模拟计算得到。保温材料价格见表3。保温层单位安装费240 元/m3。电价取1.05 元/(kW·h),为2022年北京冬奥会延庆赛区的用电价格。在保温层经济厚度计算中,集装箱房使用年限取1～20 a。传统保温材料厚度变化步长为20 mm,高性能保温材料厚度变化步长为1 mm。

表3 保温材料价格

集装箱房使用年限为5 a时,2种海拔下各种费用(保温材料费、电散热器电费、生命周期总成本)随保温层厚度的变化分别见图7～10。由图7～10可知,保温层厚度一定时,高海拔地区的各种费用均高于低海拔地区。保温材料费随保温层厚度增大呈线性增长。电散热器电费随保温层厚度增大而减小,且变化趋势趋于平缓。4种保温材料的生命周期总成本均先减小后增大。生命周期总成本存在最小值,对应的保温层厚度为保温层经济厚度。

图7 集装箱房使用年限为5 a时2种海拔下各种费用随岩棉厚度的变化

图8 集装箱房使用年限为5 a时2种海拔下各种费用随挤塑聚苯板厚度的变化

图9 集装箱房使用年限为5 a时2种海拔下各种费用随聚氨酯板厚度的变化

图10 集装箱房使用年限为5 a时2种海拔下各种费用随气凝胶真空绝热板厚度的变化

2种海拔下4种保温材料的保温层经济厚度、最小生命周期总成本随集装箱房使用年限的变化分别见11～14。由图11～14可知,集装箱房使用年限一定时,高海拔地区的保温材料保温层经济厚度、最小生命周期总成本均大于低海拔地区。4种保温材料的保温层经济厚度、最小生命周期总成本均随集装箱房使用年限延长而增大。集装箱房使用年限一定时,保温层经济厚度由大到小的顺序为岩棉、挤塑聚苯板、聚氨酯板、气凝胶真空绝热板。气凝胶真空绝热板的最小生命周期总成本最高,岩棉的最小生命周期总成本居中,挤塑聚苯板、聚氨酯板的最小生命周期总成本接近且在4种保温材料中最低。综合考虑,聚氨酯板的综合性能最佳。

图11 2种海拔下岩棉保温层经济厚度、最小生命周期总成本随集装箱房使用年限的变化

① 集装箱房使用年限一定时,高海拔地区的保温材料保温层经济厚度、最小生命周期总成本均大于低海拔地区。

② 集装箱房使用年限一定时,保温层经济厚度由大到小的顺序为岩棉、挤塑聚苯板、聚氨酯板、气凝胶真空绝热板。气凝胶真空绝热板的最小生命周期总成本最高,岩棉的最小生命周期总成本居中,挤塑聚苯板、聚氨酯板的最小生命周期总成本接近且在4种保温材料中最低。综合考虑,聚氨酯板的综合性能最佳。

图12 2种海拔下挤塑聚苯板保温层经济厚度、最小生命周期总成本随集装箱房使用年限的变化

图13 2种海拔下聚氨酯板保温层经济厚度、最小生命周期总成本随集装箱房使用年限的变化

图14 2种海拔下气凝胶真空绝热板保温层经济厚度、最小生命周期总成本随集装箱房使用年限的变化