海南地區某既有廠房節能改造研究

孫亞男 王磊 張帥

中鐵建設集團有限公司 北京 100040

引言

近年來的存量建筑、老舊廠房、工業遺產等的改造利用成為非常重要的建設活動，是否綠色節能且具有良好的熱舒適性是改造設計的關鍵性重難點。特別是針對工業廠房建筑，由于工業建筑生產過程產生大量工業廢棄物，對建筑通風和采光要求較高，能源消耗比一般民用建筑要大得多。且工業建筑與民用建筑相比，無論在使用功能、建筑結構、節能設計要求上均有較大差異，因此，對工業建筑及工業遺產的改造和更新，應首先從建筑保溫隔熱材料的更新等建筑節能技術上入手。

郝軍等[1]在《煙草行業綠色工房評價標準研究》中，分析了煙草行業工業建筑的特點，對煙草行業工業建筑的節能設計策略做出分析研究，包括從建筑圍護結構，自然采光和照明，工藝余廢熱回收利用，室內外環境，工業用水以及運營管理角度分析了煙草行業工業建筑的節能設計特點。MuhsinK?l?c[2]以水泥廠為研究對象，通過對水泥廠房的調查分析，最終選擇利用高效熱泵、太陽系統和廢熱回收系統等節能技術，對水泥廠進行節能改造。吳偉東等[3]通過調查研究、實驗測試及模擬計算等方法，分析并得出了適合寒冷地區工業廠房外墻、門窗、屋面、地面等圍護結構的保溫隔熱材料及指標。孫冬梅等[4]采用適應氣候變化的雙層外窗和玻璃中庭、垂直綠化等節能技術，有效改善室內熱舒適度和空氣質量，并有效降低工業廠房室內空調能耗。曹國光[5]在《綠色節能技術在工業建筑中的應用和效果》一文中歸納總結了建筑被動式節能設計主要的三個要素，它們分別是建筑體形、窗墻比和圍護結構熱工性能。

針對以上工業建筑節能改造技術的分析與應用，可采用能耗模擬的方式，選擇適用的圍護結構保溫隔熱材料，并預測不同節能技術的對建筑能耗的影響。例如，鄭亞東[6]運用DEST模擬軟件，分析了嚴寒地區35座工業建筑，總結了目前工業建筑圍護結構熱工參數、采暖形式、冷熱源方式，提出了適合嚴寒地區工業建筑采用的節能技術。Alberto Hernandez Neto[7]對比分析了人工神經網絡方法和能耗模擬軟件EnergyPlus在預測建筑物能耗上的差異，證明兩種模擬方法均能較準確的預測建筑物能耗，且EnergyPlus能量化影響因素對能耗影響程度。王蒙蒙[8]利用能耗模擬軟件eQUEST建立了具備工業建筑特點的基準模型，并對工業建筑常用節能技術進行了分析模擬研究。而本研究擬采用PKPM能耗分析模塊對海南某裝配式產業項目廠房進行模擬，分析該產業項目廠房主要耗能因素及可采用的節能技術，并深入探討各種切實可行的圍護結構節能改造方案的經濟性及節能量。以此為示范，為工業廠房綠色節能改造項目提供具體參考技術與案例。

1 項目概況

如圖1所示，中鐵建設集團某裝配式產業項目廠房建于夏熱冬暖氣候的海南臨高縣博厚鎮金港開發區。本項目所處的海南臨高縣地區，年平均溫23℃ ～ 30℃。年降水量為1690mm，年平均風速0.5-1.5m/s，冬、夏、全年平均主導風向東南風和西南風。本工程分別為單層廠房及多層民+用建筑，占地面積66666m2，建筑面積34100m2，其中標準廠房面積27000m2，均采用自然通風排煙方式，年電力消耗約52423.2kW·h，電能每平方米消耗30w/h。

圖1 廠房部分鳥瞰圖

建筑本身采用裝配式IRF（Integration of Reinforcement and Formwork）這一新型混凝土剪力墻結構裝配式體系，抗震性能與現澆結構一致；外墻采用加氣混凝土砌塊，自帶保溫隔熱效果，外刷膨脹玻化微珠保溫砂漿。

2 廠房外圍護結構節能診斷

根據 JGJ 176《公共建筑節能改造技術規范》和JGJ / T 177《公共建筑節能檢測標準》及電子廠相關行業標準，對廠房主要用能系統進行節能診斷、檢測[8-9]。

表2 原有外墻各層材料熱工參數表

屋面、墻體等外圍護結構的各層材料熱工性能如表1所示。屋面傳熱系數0.79W/（m2·K），不滿足《工業建筑節能設計統一標準》中的0.60的限值；外墻傳熱系數3.06W/（m2·K），不滿足《工業建筑節能設計統一標準》中的0.70的限值；外窗傳熱系數5.70 W/（m2·K），不滿足《工業建筑節能設計統一標準》中的3.50的限值。外墻與外窗傳熱系數遠大于設計限值，是建筑能耗損失的集中部位，應作為改造重點。

表1 原有屋面各層材料熱工參數表

圖2 各構件負荷比

根據《工業建筑節能設計統一標準》(GB 51245-2017)要求計，在保持室內夏季溫度28°，相對濕度70%；冬季16°，相對濕度50%的情況下，該廠房全年暖通空調用電量約為243030.14kW·h，單位建筑面積暖通空調年用電量約為11.02kW·h/（m2·a）。經過建筑供暖空調負荷及能耗計算，得出圍護結構節能率為-0.91%；本項目現有條件明顯不符合《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2019。該項目的節能潛力主要在圍護結構與空調能耗上，因此圍護結構是本項目節能改造主要關注的內容[10]。

3 改造方案

3.1 屋面改造方案

保持原有的壓型鋼板屋面板，在屋面噴涂保溫隔熱涂料，如表3所示。

表3 改造后屋面保溫材料熱工參數表

圖3 噴涂保溫隔熱涂料后屋面構造

3. 2 外墻改造方案

外墻設計了3種備選方案。

方案1：出于經濟上的考慮，保持并新增現有大面積的200厚空心灰砂磚外墻。其材料物性參數如表4所示。

表4 200厚空心灰砂磚外墻材料熱工參數表

方案2：在現有200厚空心灰砂磚外墻內部貼40厚XPS保溫板。其材料物性參數如表5所示。

表5 200厚空心灰砂磚外墻內部貼40厚XPS保溫板材料熱工參數表

方案3：采用輕質保溫墻板。其材料物性參數如表6所示。

表6 輕質保溫墻板材料熱工參數表

在原有方案1的基礎上改造后的方案2、方案3外墻保溫隔熱性能有了很大的提升，方案3的保溫隔熱性能略強于方案2。

3.3 圍護結構各部分組合方案模擬

建筑節能是一個系統性的工程，建筑不同的外圍護組合形式會帶來不同的節能效果。下面給出屋面、外墻、外窗改造措施的9種不同組合以及模擬節能效果，并與原有廠房（未改造狀態）的供冷采暖模擬進行對比。

組合1：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+200厚空心灰砂磚外墻+6mm厚單層玻璃；

組合2：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+內保溫灰砂磚外墻+6mm厚單層玻璃；

組合3：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+輕質保溫墻板+6mm厚單層玻璃；

組合4：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+200厚空心灰砂磚外墻+（6透明+12空氣+6透明）mm隔熱鋁合金中空玻璃窗；

組合5：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+內保溫灰砂磚外墻+（6透明+12空氣+6透明）mm隔熱鋁合金中空玻璃窗；

組合6：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+輕質保溫墻板+（6透明+12空氣+6透明）mm隔熱鋁合金中空玻璃窗；

組合7：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+200厚空心灰砂磚外墻+（6Low-E+12氬氣+6）mm隔熱鋁合金Low－E中空玻璃窗；

組合8：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+內保溫灰砂磚外墻+（6Low-E+12氬氣+6）mm隔熱鋁合金Low－E中空玻璃窗；

組合9：噴涂保溫隔熱涂料夾芯板屋面+輕質保溫墻板+（6Low-E+12氬氣+6）mm隔熱鋁合金Low－E中空玻璃窗；

各組合通過能耗軟件計算結果如表7所示。

表7 9種改造組合供冷采暖能耗模擬結果表

根據《工業建筑節能設計統一標準》（GB 51245-2017）要求計算結果；采暖供冷能耗降低節能率=（設計建筑能耗-基準建筑能耗）/基準建筑能耗×100%

與原本廠房的供冷采暖能耗、累計年負荷對比得出結論，組合9的保溫隔熱性能最優，與原有廠房相比，能耗降低了20.74%，其次是組合8，與原有廠房相比能耗降低了19.6%，如圖4所示。

圖4 9種改造組合能耗降低率折線圖

4 結束語

通過對案例工業廠房的能耗結構分析發現，經過方案比較選擇和能耗模擬分析，圍護結構在節能改造后能耗最高可降低20%左右。本項目改造方案在環境保護上有可觀的收益，具有可執行性，為其他類似工業廠房的節能改造提供了參考。