低碳光電模塊化板房的降溫減碳實效
——以廣州地區為例

蘇 斌, 范麗佳, 范 苑, 李根勝, 張 騰

(1.中建四局工程技術研究院, 廣州 510000; 2.中建地產廣州有限公司, 廣州 510000)

隨著我國經濟社會發展及生活水平的提高,建筑用能和建筑碳排放在全社會用能和碳排放中所占比例持續增長[1]?！吨袊ㄖ澞苣甓劝l展研究報告2022》[2]對我國建筑領域用能及碳排放的核算結果為:中國建筑建造和運行用能占全社會總能耗的32%,其中建筑建造的比例為11%,建筑運行的比例為21%;建筑建造和運行相關CO2排放占全社會能源活動總CO2排放量的比例約為32%,其中建筑建造占13%,建筑運行占19%。運行階段因按50 a使用期計算,總量最大;建造階段比重雖小,但卻集中在1 a建設期內,絕對排量亦相當可觀,可達年均運行排量的4倍之多[3]。因此,減少建筑活動的資源消耗,關鍵在于控制建造和運行階段。

出于實際工程建設需要,絕大部分建設施工人員工作生活于施工現場的臨時建筑中。臨時建筑常用的類型有集裝箱改制房、箱式房、篷房等[4],在安置災后難民、安置公共衛生事件中的感染人員及為大型工程項目施工人員提供住所等領域得到廣泛應用[5-6]。然而我國針對臨時建筑的節能設計、節能改造技術等方面缺乏全面、系統的研究[7]。以城市建設所需的臨時建筑來說,作為項目人員辦公生活的基本場所,其設計也應當積極響應綠色低碳、以人為本的設計理念,盡可能地打造經濟、舒適和環保的空間[8]。綜合考慮節能性和改造成本前提下,解決臨建節能性差的問題,不僅有利于施工企業降低施工成本,更是對中國建筑綠色可持續發展具有重大現實意義,尤其在國家實施“一帶一路”大背景下,對中國建筑走出國門、塑造標桿也具有重要戰略意義[9]。

目前,國內外針對臨時建筑及光伏在建筑方面的應用已有諸多研究,主要集中在臨時建筑圍護結構性能優化、光伏建筑一體化[10-12]、屋面光伏遮陽隔熱、建筑光伏系統設計優化[13-14]等幾個方面。例如,牛寅龍等[9]通過對板房組合應用紅外熱反射涂料涂裝、圍護結構冷熱橋處理、外窗改造設計等被動式節能改造技術,可使節電率驟增至27%,可有效提高臨建的整體節能性,夏季高溫天氣下,有利于節約空調制冷用電量;Yang等[15]利用EnergyPlus軟件模擬了不同氣候條件下臨時建筑采用不同保溫層厚度(50、100、200 mm)的供暖與供冷能耗,結果顯示對于寒帶氣候保溫層厚度從50 mm增加到100 mm,供暖能耗降低19.6%;張凱珂[16]通過搭建混凝土試驗小室實測對比了光伏遮陽、鋁板遮陽與綠植在不同組合情況下的降溫節能效果,結果表明采用植物實鋪結合光伏遮陽的方式節能降溫效果最優;Nitin等[17]研究了采用黏合劑安裝的屋面光伏板對屋頂黑色瀝青瓦的熱效應,結果表明被太陽能板覆蓋的瀝青瓦屋面日最高溫度與裸露屋面相比降低約13 ℃,通過天花板傳入室內的熱量也較裸露屋面減少約49%。

雖然國內外針對臨時建筑及光伏在建筑方面的應用做了較多研究,但對于光伏遮陽與圍護結構優化結合同時應用于臨時建筑的實際降溫減碳效果方面鮮有研究,尤其針對夏熱冬暖氣候區。施工工地的臨時建筑多采用可重復利用的模塊化的箱式板房[18]。為研究光電模塊化板房的降溫減碳效果,以廣州地區為例,開展對光電模塊化板房的現場實測,研究其降溫減碳效果。

1 低碳光電模塊化板房

低碳光電模塊化板房是指對板房采取適當的圍護結構優化措施,并在板房屋面上安裝模塊化光伏系統(在利用太陽能發電的同時具有一定的遮陽作用,從而減少了屋面受到的太陽直射輻射得熱),達到降低室內空氣溫度和空調運行能耗的效果。本研究主要關注建筑施工工地的箱式板房,因為建筑施工工地屬于臨時建筑,設計過程中容易被忽略,臨時建筑單位面積能耗通常偏高,設計被優化后能夠切實降低碳排放量。充分利用臨建的屋面建設模塊化可周轉的光伏系統,減少施工階段臨建運行的碳排放,可以為后期運營再到拆除以及循環使用階段的碳減排起到示范作用,承擔建筑業減排相應的社會責任[18]。本研究的光電模塊化板房,利用模塊化的方式進行標準化光伏系統設計,分為模塊化BAPV(建筑附著光伏)板房、BIPV(光伏建筑一體化)板房兩種。該類模塊化產品首先以標準箱(6 m×3 m×3 m)為基礎,在箱式房頂部以平鋪方式進行光伏布置,每個標準集裝箱鋪設單晶硅光伏板。模塊化BAPV板房是指光伏鋪設在下方光伏支架上,形成一體化的模塊式光伏構件,整體進行吊裝,方便運輸與周轉。模塊化BIPV板房是指光伏直接與箱式板房屋面進行一體化設計,無須光伏支架,光伏板通過光伏夾具固定在配套的屋面上,光伏與板房高度一體化。模塊化BAPV板房與BIPV板房相較于普通板房的節能減碳作用類似于通風屋頂技術的應用。模塊化BAPV板房與BIPV板房的不同之處主要在于通風間層厚度有所差異,模塊化BAPV板房屋頂通風間層約為20 mm,模塊化BIPV板房屋頂通風間層約為10 mm。

目前大部分臨時建筑存在夏季室內溫度高、冬季室內溫度偏低的問題[19]。相關研究[7]表明,適當增加墻體保溫層能改善室內熱環境狀況,且最優厚度為100 mm。此外,輕鋼活動板房在H型鋼立柱尺寸限制下,其保溫層厚度較難超過100 mm,無法進一步增強其保溫性能[20]。因此,低碳模塊化BAPV板房(圖1)和BIPV板房(圖2)與普通標準化的箱式板房相比,除了在屋頂上安裝光伏系統外,外墻的保溫層由原有的75 mm加厚至100 mm,屋頂保溫層由原有的100 mm加厚至150 mm,以增強其保溫隔熱性能,提升整體節能減碳水平。

圖1 低碳模塊化BAPV板房

圖2 低碳模塊化BIPV板房

2 實驗測試方案

實測低碳光電模塊化板房位于廣州市天河區金融城東區地塊。該測試場地鄰邊空闊,周邊無高大喬木遮擋,最大程度減小了周圍環境對實測結果的影響。實測為對比測試,需同時進行,以消除室外氣候差異對測試效果的影響。本實測選取建筑朝向、房間面積、窗戶尺寸和室內熱源布置均一致的3個房間,朝向為南北朝向。測試房間實況如圖3所示,3個測試房間屋頂和外墻構造見表1。

表1 3個測試房間屋頂和外墻構造

圖3 測試房間布局實況

實驗測試參數為室外太陽輻射強度、屋頂內表面溫度、南墻內表面溫度、西墻內表面溫度、空調耗電量。實測用實驗儀器主要有溫度傳感器、日照時數傳感器、微型分布式多回路監測單元等。實測房間內測試布點如圖4所示,儀器參數見表2。

表2 實驗儀器及測量參數

圖4 測試房間內測試布點

3 實測分析

自然通風工況測試時間為2023年7月23日,空調工況測試時間為2023年10月2—5日,均屬于廣州地區典型的高溫時期,測試天氣為常見的多云轉晴。

3.1 自然通風工況

測試日(7月23日)室外太陽輻射強度和空氣溫度全天24 h連續變化趨勢如圖5所示。由圖5可知,室外太陽輻射強度峰值出現在11:30,達到1 080 W/m2;室外空氣溫度峰值出現在13:55,達到39.4 ℃。

圖5 測試日(7月23日)室外太陽總輻射強度變化趨勢

在自然通風工況下測試日(7月23日)3個測試房間屋頂內表面溫度全天24 h連續變化趨勢如圖6所示。由圖6可知,3個測試房間屋頂內表面溫度均呈現先增大后減小的變化趨勢,與室外太陽輻射變化趨勢基本一致。其中,1#普通板房屋頂內表面溫度最大出現在11:55,為48.1 ℃;此時,2#BAPV板房屋頂內表面溫度為42.3 ℃,3#BIPV板房屋頂內表面溫度為42.7 ℃;普通板房與低碳節能板房屋頂內表面溫度溫差分別為5.8 ℃、5.4 ℃。

圖6 測試日(7月23日)3個測試房間屋頂內表面溫度變化趨勢

在自然通風工況下測試日(7月23日)3個測試房間西墻和南墻內表面溫度全天24 h連續變化趨勢如圖7和圖8所示。由圖7可知,1#普通板房西外墻內表面溫度最大出現在16:40,為47.3 ℃;此時,2#BAPV板房西外墻內表面溫度為44.3 ℃,3#BIPV板房西外墻內表面溫度為44.2 ℃;普通板房與低碳節能板房西外墻內表面溫度溫差分別為3.0、3.1 ℃。由圖8可知,1#普通板房南外墻內表面溫度最大出現在14:50,為48.2 ℃;此時,2#BAPV板房南外墻內表面溫度為42.8 ℃,3#BIPV板房南外墻內表面溫度為44.0 ℃;普通板房與低碳節能板房南外墻內表面溫度溫差分別為5.4、4.2 ℃。

圖7 測試日(7月23日)3個測試房間西外墻內表面溫度變化趨勢

圖8 測試日(7月23日)3個測試房間南外墻內表面溫度變化趨勢

在自然通風工況下測試日(7月23日)3個測試房間室內空氣溫度全天24 h連續變化趨勢如圖9所示。由圖9可知,3個測試房間室內空氣溫度均呈現先增大后減小的變化趨勢,與室外太陽輻射變化趨勢基本一致。其中,1#普通板房室內空氣溫度最大出現在14:55,為45.9 ℃;此時,2#BAPV板房室內空氣溫度為43.1 ℃,3#BIPV板房室內空氣溫度為43.3 ℃;普通板房與低碳節能板房室內空氣溫度溫差分別為2.8、2.6 ℃。3個測試房間室內空氣溫度全天溫差最大可達3.2 ℃。

圖9 測試日(7月23日)3個測試房間室內空氣溫度變化趨勢

3.2 空調工況

測試日(10月2—5日)室外太陽輻射強度和空氣溫度在整個測試時段96 h連續變化趨勢如圖10所示。由圖10可知,室外太陽輻射強度峰值出現在10月2日12:20,達到1 064 W/m2;室外空氣溫度受太陽輻射強度影響,其波動趨勢與太陽輻射強度基本保持一致,只是幅值在相位上有所延遲,峰值出現在10月3日15:15,達到37.5 ℃。

圖10 測試日(10月2—5日)室外太陽總輻射強度變化趨勢

在空調工況下測試日(10月2—5日)3個測試房間室內空氣平均溫度在整個測試時段96 h連續變化趨勢如圖11所示。由圖11可知,在空調設定溫度24 ℃條件下,3個房間室內空氣平均溫度基本穩定在24 ℃附近小幅波動,變化曲線接近重合狀態,3個房間平均溫度分別為24.2、24.3、24.4 ℃,故可認為測試期間3個房間室內空氣溫度基本保持一致。

圖11 測試日(10月2—5日)3個測試房間室內空氣溫度變化趨勢

在空調工況下測試日(10月2—5日)3個測試房間在整個測試時段96 h累計空調耗電量如圖12所示。由圖12可知,3個房間空調耗電量整體上呈現“波浪”上升趨勢?！安ɡ恕鄙仙怯捎诎滋鞖馐彝鉁馗?導致空調逐時耗電量高,從而上升趨勢偏陡;夜晚氣溫下降,空調逐時耗電量相較于白天偏低,故而上升趨勢相對平緩。其中,1#普通板房、2#BAPV板房、3#BIPV板房空調累計耗電量分別為21.9、17.8、18.1 kW·h,2#BAPV板房、3#BIPV板房節能率分別為18.7%、17.4%。

圖12 測試日(10月2—5日)3個測試房間累計空調耗電量

4 結論

以廣州地區為例,通過對低碳光電模塊化BAPV、BIPV板房與普通板房的屋頂內表面、外墻內表面、室內空氣溫度和空調耗電量進行實驗測試,研究了低碳光電模塊化板房在夏熱冬暖地區的降溫減碳實效,得到以下結論。

(1)低碳光電模塊化板房能顯著降低屋頂內表面溫度、外墻內表面溫度和室內空氣溫度。在夏季晴天,與普通板房相比,低碳光電模塊化板房降低屋頂內表面溫度可達5.8 ℃,降低外墻內表面溫度可達5.4 ℃,降低室內空氣溫度最大可達3.2 ℃,能有效改善室內熱舒適環境。

(2)低碳光電模塊化板房能有效降低房間空調耗電量,節能率最大可達18.7%,節能降碳效果顯著。