工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析

文_李穩(wěn) 劉陽輝 中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司西安分公司

1 工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

現(xiàn)今民用建筑節(jié)能的理念已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，政府部門也對其進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定；設(shè)計(jì)方法、節(jié)能材料、綠色建筑理念等層出不窮，而工業(yè)廠房的節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)至今日才有了明確的政府規(guī)定。在此之前，工業(yè)建筑設(shè)計(jì)主要原則之一就是經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)一直沒有得到足夠的重視，工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的缺失是導(dǎo)致工業(yè)廠房成為我國建筑中耗能最大的類型之一。因此，工業(yè)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)勢在必行。

2 規(guī)范明確前后的工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)對比

規(guī)范明確前后的工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)有很大的不同。之前雖然有部分工業(yè)廠房進(jìn)行了節(jié)能設(shè)計(jì)，但大多都參考、套用了民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的規(guī)范，造成建筑材料的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性不佳。而工業(yè)建筑本身沒有相關(guān)的政策法規(guī)，僅憑設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)立的項(xiàng)目分析來設(shè)計(jì)，沒有統(tǒng)一的章程導(dǎo)致了工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)五花八門，也無法很好得到業(yè)主的普遍認(rèn)可。

下面通過規(guī)范明確前后的兩個(gè)工業(yè)工程項(xiàng)目中建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的比較，明確工業(yè)建筑的節(jié)能措施。

這里有兩個(gè)實(shí)際案例：“西安市應(yīng)急供水工程澇渭水源地（地下水）項(xiàng)目凈水廠工程”（以下簡稱澇渭凈水廠）和“西咸新區(qū)第三水廠項(xiàng)目一期供水工程（西咸新區(qū)垃圾無害化處理項(xiàng)目供水配套工程）”（以下簡稱西咸三水廠）。分析這兩個(gè)工程項(xiàng)目的節(jié)能設(shè)計(jì)條件可知：它們都位于陜西省西安市，節(jié)能設(shè)計(jì)的氣候分區(qū)是一致的，都屬于寒冷B區(qū)；澇渭凈水廠規(guī)模10萬m3/d（規(guī)范實(shí)施前設(shè)計(jì)）；西咸三水廠規(guī)模近期供水量1.8萬m3/d，遠(yuǎn)期供水量10萬m3/d（土建按遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)），土建規(guī)模相同，同時(shí)也都屬于凈水廠；其建筑物具有一定的可比性。下面從兩個(gè)項(xiàng)目的總體規(guī)劃、單體設(shè)計(jì)等方面具體分析其建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。

2.1 總體規(guī)劃

一個(gè)工程的總體規(guī)劃主要依據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，良好的朝向（南北向或者接近南北向）和自然通風(fēng)（立面的開口方向迎向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，冬季避開主導(dǎo)風(fēng)向）、冷熱源的合理布置等，是建筑節(jié)能在總體上的基本設(shè)計(jì)要求。建筑的主要房間避免夏季受東、西向日曬，對于工業(yè)廠區(qū)來說，特別是高、低變配電室等自身散熱較大的建筑空間，應(yīng)盡量避免西曬，并保持良好的自然通風(fēng)。對比澇渭凈水廠及西咸三水廠，無論是否有規(guī)范明確，廠區(qū)的總體規(guī)劃都應(yīng)滿足上述原則。

2.2 單體設(shè)計(jì)

2.2.1 體形系數(shù)

建筑體形系數(shù)是指一棟建筑與室外大氣接觸的外表面積與其體積的比值，不同的氣候分區(qū)對建筑體形有不同的要求，作為案例的兩個(gè)工程都屬于寒冷氣候區(qū)，所以建筑單體應(yīng)在滿足使用的前提下盡量縮小體形系數(shù)。《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中第4節(jié)中規(guī)定了I類工業(yè)建筑（冬季以供暖能耗為主，夏季以空調(diào)能耗為主，通常無強(qiáng)污染源及強(qiáng)熱源，凡是有供暖空調(diào)系統(tǒng)能耗的工業(yè)建筑皆為I類工業(yè)建筑）的體形系數(shù)的要求，單棟建筑面積大于3000m2的建筑體形系數(shù)不超過0.3；單棟建筑面積大于800m2，小于等于3000m2的建筑體形系數(shù)不超過0.4；單棟建筑面積大于300m2，小于等于800m2的建筑體形系數(shù)不超過0.5。經(jīng)計(jì)算澇渭凈水廠送水泵房（建筑面積792.19m2），西咸三水廠送水泵房（建筑面積939.47m2）的體形系數(shù)，分別為0.352、0.325，皆能滿足規(guī)范要求。

在滿足生產(chǎn)工藝的要求下，盡可能采取簡單規(guī)整的形體，盡量縮減體形系數(shù)。體形系數(shù)越小，節(jié)能效果越好。對建筑體形系數(shù)的控制就是對建筑耗能的控制。在規(guī)范未明確前，工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)主要根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求、建筑造型的需求、占地面積的需求等條件，在此條件下，盡可能地減小體形系數(shù)。規(guī)范明確后，在滿足規(guī)范的前提下，合理達(dá)成生產(chǎn)工藝的需求，追求符合城市規(guī)劃及環(huán)境需要的建筑造型，讓工業(yè)建筑設(shè)計(jì)更豐富。

2.2.2 總窗墻比

與民用建筑不同的是工業(yè)建筑規(guī)定的是總窗墻比，總窗墻比是指建筑物各立面透光部分和非透光外門窗的洞口總面積之和，與各立面總面積之和的比值。《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中第4節(jié)中規(guī)定了I類工業(yè)建筑總窗墻比不應(yīng)大于0.50，屋頂透光部分的面積與屋頂總面積之比不應(yīng)大于0.15，當(dāng)不能滿足時(shí)，必須進(jìn)行權(quán)衡判斷。經(jīng)計(jì)算澇渭凈水廠及西咸三水廠的送水泵房的總窗墻比分別為0.215、0.299，皆能滿足規(guī)范要求。

2.2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括外填充墻、屋面、立面外門窗等，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，主要是滿足一定的傳熱系數(shù)要求，從而達(dá)到節(jié)能隔熱的作用。

澇渭凈水廠及西咸三水廠位于寒冷B區(qū)，依據(jù)《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》4節(jié)中規(guī)定的I類工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)應(yīng)滿足表1要求。護(hù)構(gòu)

表1

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)：

傳熱系數(shù)K應(yīng)按下列公式計(jì)算：

其中Ri是內(nèi)表面換熱阻，一般取0.11（m2·K/W）；Re是外表面換熱組，一般取0.04（m2·K/W）；R是墻體結(jié)構(gòu)層熱阻，是構(gòu)成墻體各層材料的熱阻之和，需要根據(jù)實(shí)際工程做法計(jì)算確定。

澇渭凈水廠及西咸三水廠的送水泵房都屬于框架結(jié)構(gòu)體系，大多數(shù)廠區(qū)的工業(yè)廠房都屬于框架結(jié)構(gòu)體系，此結(jié)構(gòu)體系下外墻的平均傳熱系數(shù)用Km簡化的方式進(jìn)行計(jì)算：

其中KP為填充墻的傳熱系數(shù)，A為框架結(jié)構(gòu)體系下填充墻所占比值為0.65；Kb為結(jié)構(gòu)熱橋部門的傳熱系數(shù)；B為框架結(jié)構(gòu)體系下結(jié)構(gòu)熱橋部分所占比值為0.35，此計(jì)算方法是借鑒民用建筑的方式。

澇渭凈水廠外墻無外保溫系統(tǒng)的300厚蒸壓加氣混凝土砌塊，經(jīng)計(jì)算外墻平均傳熱系數(shù)為1.012 W/(m2·K)；屋面采用50厚XPS保溫板，經(jīng)計(jì)算屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.572 W/(m2·K)。

西咸三水廠外墻為200厚頁巖多孔磚，采用外保溫系統(tǒng)，外保溫材料為60厚EPS保溫板，經(jīng)計(jì)算外墻平均傳熱系數(shù)為0.561 W/(m2·K)；屋面采用60厚XPS保溫板，經(jīng)計(jì)算屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 0.494 W/(m2·K)。

在規(guī)范明確前的澇渭凈水廠工業(yè)廠房外墻通常采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的蒸壓加氣混凝土砌塊填充，并增加填充墻厚度來保證外墻傳熱系數(shù)，但效果并不理想，不滿足規(guī)范要求，而經(jīng)驗(yàn)確定的屋面保溫厚度也不能滿足規(guī)范的要求，屬于耗能建筑；西咸三水廠的工業(yè)廠房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全能達(dá)到規(guī)范要求，屬于節(jié)能建筑。

2.2.4 門窗選用

外門窗是建筑節(jié)能的薄弱部分，即使在節(jié)能措施及各類專項(xiàng)指標(biāo)完備的前提下，最節(jié)能的外門窗傳熱系數(shù)也超過1.5W/(m2·K)，遠(yuǎn)比外墻的高很多，所以合適的窗墻比及滿足節(jié)能要求的外門窗選用是十分必要的。

澇渭凈水廠外窗采用5厚透明玻璃+12厚空氣+5厚透明玻璃的一般鋁合金型材，整窗傳熱系數(shù)約為3.6 W/(m2·K)；而西咸三水廠外窗采用6厚低透光熱反射+12厚空氣+6厚透明玻璃，斷橋鋁合金型材，整窗傳熱系數(shù)約為3.1 W/(m2·K)，滿足規(guī)范要求。

3 總結(jié)

據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年我國房屋建筑竣工面積42萬億m2，其中民用建筑占比86.5%，而工業(yè)建筑占比13.5%，約為5.67萬億m2。雖然工業(yè)建筑占比并不大，但總量卻不少。相比已經(jīng)成熟的民用建筑節(jié)能而言，工業(yè)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)并不理想，仍然屬于耗能大戶，《工業(yè)建筑技能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，只是為我們指明了方向，填補(bǔ)了工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的政策空白，在今后的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)和理論知識。