低碳光电模块化板房的降温减碳实效
——以广州地区为例

苏 斌, 范丽佳, 范 苑, 李根胜, 张 腾

(1.中建四局工程技术研究院, 广州 510000; 2.中建地产广州有限公司, 广州 510000)

随着我国经济社会发展及生活水平的提高,建筑用能和建筑碳排放在全社会用能和碳排放中所占比例持续增长[1]。《中国建筑节能年度发展研究报告2022》[2]对我国建筑领域用能及碳排放的核算结果为:中国建筑建造和运行用能占全社会总能耗的32%,其中建筑建造的比例为11%,建筑运行的比例为21%;建筑建造和运行相关CO2排放占全社会能源活动总CO2排放量的比例约为32%,其中建筑建造占13%,建筑运行占19%。运行阶段因按50 a使用期计算,总量最大;建造阶段比重虽小,但却集中在1 a建设期内,绝对排量亦相当可观,可达年均运行排量的4倍之多[3]。因此,减少建筑活动的资源消耗,关键在于控制建造和运行阶段。

出于实际工程建设需要,绝大部分建设施工人员工作生活于施工现场的临时建筑中。临时建筑常用的类型有集装箱改制房、箱式房、篷房等[4],在安置灾后难民、安置公共卫生事件中的感染人员及为大型工程项目施工人员提供住所等领域得到广泛应用[5-6]。然而我国针对临时建筑的节能设计、节能改造技术等方面缺乏全面、系统的研究[7]。以城市建设所需的临时建筑来说,作为项目人员办公生活的基本场所,其设计也应当积极响应绿色低碳、以人为本的设计理念,尽可能地打造经济、舒适和环保的空间[8]。综合考虑节能性和改造成本前提下,解决临建节能性差的问题,不仅有利于施工企业降低施工成本,更是对中国建筑绿色可持续发展具有重大现实意义,尤其在国家实施“一带一路”大背景下,对中国建筑走出国门、塑造标杆也具有重要战略意义[9]。

目前,国内外针对临时建筑及光伏在建筑方面的应用已有诸多研究,主要集中在临时建筑围护结构性能优化、光伏建筑一体化[10-12]、屋面光伏遮阳隔热、建筑光伏系统设计优化[13-14]等几个方面。例如,牛寅龙等[9]通过对板房组合应用红外热反射涂料涂装、围护结构冷热桥处理、外窗改造设计等被动式节能改造技术,可使节电率骤增至27%,可有效提高临建的整体节能性,夏季高温天气下,有利于节约空调制冷用电量;Yang等[15]利用EnergyPlus软件模拟了不同气候条件下临时建筑采用不同保温层厚度(50、100、200 mm)的供暖与供冷能耗,结果显示对于寒带气候保温层厚度从50 mm增加到100 mm,供暖能耗降低19.6%;张凯珂[16]通过搭建混凝土试验小室实测对比了光伏遮阳、铝板遮阳与绿植在不同组合情况下的降温节能效果,结果表明采用植物实铺结合光伏遮阳的方式节能降温效果最优;Nitin等[17]研究了采用黏合剂安装的屋面光伏板对屋顶黑色沥青瓦的热效应,结果表明被太阳能板覆盖的沥青瓦屋面日最高温度与裸露屋面相比降低约13 ℃,通过天花板传入室内的热量也较裸露屋面减少约49%。

虽然国内外针对临时建筑及光伏在建筑方面的应用做了较多研究,但对于光伏遮阳与围护结构优化结合同时应用于临时建筑的实际降温减碳效果方面鲜有研究,尤其针对夏热冬暖气候区。施工工地的临时建筑多采用可重复利用的模块化的箱式板房[18]。为研究光电模块化板房的降温减碳效果,以广州地区为例,开展对光电模块化板房的现场实测,研究其降温减碳效果。

1 低碳光电模块化板房

低碳光电模块化板房是指对板房采取适当的围护结构优化措施,并在板房屋面上安装模块化光伏系统(在利用太阳能发电的同时具有一定的遮阳作用,从而减少了屋面受到的太阳直射辐射得热),达到降低室内空气温度和空调运行能耗的效果。本研究主要关注建筑施工工地的箱式板房,因为建筑施工工地属于临时建筑,设计过程中容易被忽略,临时建筑单位面积能耗通常偏高,设计被优化后能够切实降低碳排放量。充分利用临建的屋面建设模块化可周转的光伏系统,减少施工阶段临建运行的碳排放,可以为后期运营再到拆除以及循环使用阶段的碳减排起到示范作用,承担建筑业减排相应的社会责任[18]。本研究的光电模块化板房,利用模块化的方式进行标准化光伏系统设计,分为模块化BAPV(建筑附着光伏)板房、BIPV(光伏建筑一体化)板房两种。该类模块化产品首先以标准箱(6 m×3 m×3 m)为基础,在箱式房顶部以平铺方式进行光伏布置,每个标准集装箱铺设单晶硅光伏板。模块化BAPV板房是指光伏铺设在下方光伏支架上,形成一体化的模块式光伏构件,整体进行吊装,方便运输与周转。模块化BIPV板房是指光伏直接与箱式板房屋面进行一体化设计,无须光伏支架,光伏板通过光伏夹具固定在配套的屋面上,光伏与板房高度一体化。模块化BAPV板房与BIPV板房相较于普通板房的节能减碳作用类似于通风屋顶技术的应用。模块化BAPV板房与BIPV板房的不同之处主要在于通风间层厚度有所差异,模块化BAPV板房屋顶通风间层约为20 mm,模块化BIPV板房屋顶通风间层约为10 mm。

目前大部分临时建筑存在夏季室内温度高、冬季室内温度偏低的问题[19]。相关研究[7]表明,适当增加墙体保温层能改善室内热环境状况,且最优厚度为100 mm。此外,轻钢活动板房在H型钢立柱尺寸限制下,其保温层厚度较难超过100 mm,无法进一步增强其保温性能[20]。因此,低碳模块化BAPV板房(图1)和BIPV板房(图2)与普通标准化的箱式板房相比,除了在屋顶上安装光伏系统外,外墙的保温层由原有的75 mm加厚至100 mm,屋顶保温层由原有的100 mm加厚至150 mm,以增强其保温隔热性能,提升整体节能减碳水平。

图1 低碳模块化BAPV板房

图2 低碳模块化BIPV板房

2 实验测试方案

实测低碳光电模块化板房位于广州市天河区金融城东区地块。该测试场地邻边空阔,周边无高大乔木遮挡,最大程度减小了周围环境对实测结果的影响。实测为对比测试,需同时进行,以消除室外气候差异对测试效果的影响。本实测选取建筑朝向、房间面积、窗户尺寸和室内热源布置均一致的3个房间,朝向为南北朝向。测试房间实况如图3所示,3个测试房间屋顶和外墙构造见表1。

表1 3个测试房间屋顶和外墙构造

图3 测试房间布局实况

实验测试参数为室外太阳辐射强度、屋顶内表面温度、南墙内表面温度、西墙内表面温度、空调耗电量。实测用实验仪器主要有温度传感器、日照时数传感器、微型分布式多回路监测单元等。实测房间内测试布点如图4所示,仪器参数见表2。

表2 实验仪器及测量参数

图4 测试房间内测试布点

3 实测分析

自然通风工况测试时间为2023年7月23日,空调工况测试时间为2023年10月2—5日,均属于广州地区典型的高温时期,测试天气为常见的多云转晴。

3.1 自然通风工况

测试日(7月23日)室外太阳辐射强度和空气温度全天24 h连续变化趋势如图5所示。由图5可知,室外太阳辐射强度峰值出现在11:30,达到1 080 W/m2;室外空气温度峰值出现在13:55,达到39.4 ℃。

图5 测试日(7月23日)室外太阳总辐射强度变化趋势

在自然通风工况下测试日(7月23日)3个测试房间屋顶内表面温度全天24 h连续变化趋势如图6所示。由图6可知,3个测试房间屋顶内表面温度均呈现先增大后减小的变化趋势,与室外太阳辐射变化趋势基本一致。其中,1#普通板房屋顶内表面温度最大出现在11:55,为48.1 ℃;此时,2#BAPV板房屋顶内表面温度为42.3 ℃,3#BIPV板房屋顶内表面温度为42.7 ℃;普通板房与低碳节能板房屋顶内表面温度温差分别为5.8 ℃、5.4 ℃。

图6 测试日(7月23日)3个测试房间屋顶内表面温度变化趋势

在自然通风工况下测试日(7月23日)3个测试房间西墙和南墙内表面温度全天24 h连续变化趋势如图7和图8所示。由图7可知,1#普通板房西外墙内表面温度最大出现在16:40,为47.3 ℃;此时,2#BAPV板房西外墙内表面温度为44.3 ℃,3#BIPV板房西外墙内表面温度为44.2 ℃;普通板房与低碳节能板房西外墙内表面温度温差分别为3.0、3.1 ℃。由图8可知,1#普通板房南外墙内表面温度最大出现在14:50,为48.2 ℃;此时,2#BAPV板房南外墙内表面温度为42.8 ℃,3#BIPV板房南外墙内表面温度为44.0 ℃;普通板房与低碳节能板房南外墙内表面温度温差分别为5.4、4.2 ℃。

图7 测试日(7月23日)3个测试房间西外墙内表面温度变化趋势

图8 测试日(7月23日)3个测试房间南外墙内表面温度变化趋势

在自然通风工况下测试日(7月23日)3个测试房间室内空气温度全天24 h连续变化趋势如图9所示。由图9可知,3个测试房间室内空气温度均呈现先增大后减小的变化趋势,与室外太阳辐射变化趋势基本一致。其中,1#普通板房室内空气温度最大出现在14:55,为45.9 ℃;此时,2#BAPV板房室内空气温度为43.1 ℃,3#BIPV板房室内空气温度为43.3 ℃;普通板房与低碳节能板房室内空气温度温差分别为2.8、2.6 ℃。3个测试房间室内空气温度全天温差最大可达3.2 ℃。

图9 测试日(7月23日)3个测试房间室内空气温度变化趋势

3.2 空调工况

测试日(10月2—5日)室外太阳辐射强度和空气温度在整个测试时段96 h连续变化趋势如图10所示。由图10可知,室外太阳辐射强度峰值出现在10月2日12:20,达到1 064 W/m2;室外空气温度受太阳辐射强度影响,其波动趋势与太阳辐射强度基本保持一致,只是幅值在相位上有所延迟,峰值出现在10月3日15:15,达到37.5 ℃。

图10 测试日(10月2—5日)室外太阳总辐射强度变化趋势

在空调工况下测试日(10月2—5日)3个测试房间室内空气平均温度在整个测试时段96 h连续变化趋势如图11所示。由图11可知,在空调设定温度24 ℃条件下,3个房间室内空气平均温度基本稳定在24 ℃附近小幅波动,变化曲线接近重合状态,3个房间平均温度分别为24.2、24.3、24.4 ℃,故可认为测试期间3个房间室内空气温度基本保持一致。

图11 测试日(10月2—5日)3个测试房间室内空气温度变化趋势

在空调工况下测试日(10月2—5日)3个测试房间在整个测试时段96 h累计空调耗电量如图12所示。由图12可知,3个房间空调耗电量整体上呈现“波浪”上升趋势。“波浪”上升是由于白天气室外温高,导致空调逐时耗电量高,从而上升趋势偏陡;夜晚气温下降,空调逐时耗电量相较于白天偏低,故而上升趋势相对平缓。其中,1#普通板房、2#BAPV板房、3#BIPV板房空调累计耗电量分别为21.9、17.8、18.1 kW·h,2#BAPV板房、3#BIPV板房节能率分别为18.7%、17.4%。

图12 测试日(10月2—5日)3个测试房间累计空调耗电量

4 结论

以广州地区为例,通过对低碳光电模块化BAPV、BIPV板房与普通板房的屋顶内表面、外墙内表面、室内空气温度和空调耗电量进行实验测试,研究了低碳光电模块化板房在夏热冬暖地区的降温减碳实效,得到以下结论。

(1)低碳光电模块化板房能显著降低屋顶内表面温度、外墙内表面温度和室内空气温度。在夏季晴天,与普通板房相比,低碳光电模块化板房降低屋顶内表面温度可达5.8 ℃,降低外墙内表面温度可达5.4 ℃,降低室内空气温度最大可达3.2 ℃,能有效改善室内热舒适环境。

(2)低碳光电模块化板房能有效降低房间空调耗电量,节能率最大可达18.7%,节能降碳效果显著。