工業建筑節能設計分析

文_李穩 劉陽輝 中國市政工程華北設計研究總院有限公司西安分公司

1 工業建筑節能設計的必要性

現今民用建筑節能的理念已經得到了廣泛認可和應用，政府部門也對其進行了統一規定；設計方法、節能材料、綠色建筑理念等層出不窮，而工業廠房的節能設計時至今日才有了明確的政府規定。在此之前，工業建筑設計主要原則之一就是經濟性，工業建筑節能設計一直沒有得到足夠的重視，工業建筑節能設計的缺失是導致工業廠房成為我國建筑中耗能最大的類型之一。因此，工業建筑的節能設計勢在必行。

2 規范明確前后的工業建筑節能設計對比

規范明確前后的工業建筑節能設計有很大的不同。之前雖然有部分工業廠房進行了節能設計，但大多都參考、套用了民用建筑節能設計的規范，造成建筑材料的浪費，經濟性不佳。而工業建筑本身沒有相關的政策法規，僅憑設計師的經驗和獨立的項目分析來設計，沒有統一的章程導致了工業建筑節能設計五花八門，也無法很好得到業主的普遍認可。

下面通過規范明確前后的兩個工業工程項目中建筑節能設計的比較，明確工業建筑的節能措施。

這里有兩個實際案例：“西安市應急供水工程澇渭水源地（地下水）項目凈水廠工程”（以下簡稱澇渭凈水廠）和“西咸新區第三水廠項目一期供水工程（西咸新區垃圾無害化處理項目供水配套工程）”（以下簡稱西咸三水廠）。分析這兩個工程項目的節能設計條件可知：它們都位于陜西省西安市，節能設計的氣候分區是一致的，都屬于寒冷B區；澇渭凈水廠規模10萬m3/d（規范實施前設計）；西咸三水廠規模近期供水量1.8萬m3/d，遠期供水量10萬m3/d（土建按遠期設計），土建規模相同，同時也都屬于凈水廠；其建筑物具有一定的可比性。下面從兩個項目的總體規劃、單體設計等方面具體分析其建筑節能設計。

2.1 總體規劃

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

2.2 單體設計

2.2.1 體形系數

建筑體形系數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，不同的氣候分區對建筑體形有不同的要求，作為案例的兩個工程都屬于寒冷氣候區，所以建筑單體應在滿足使用的前提下盡量縮小體形系數。《工業建筑節能設計統一標準》中第4節中規定了I類工業建筑（冬季以供暖能耗為主，夏季以空調能耗為主，通常無強污染源及強熱源，凡是有供暖空調系統能耗的工業建筑皆為I類工業建筑）的體形系數的要求，單棟建筑面積大于3000m2的建筑體形系數不超過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的建筑體形系數不超過0.5。經計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，分別為0.352、0.325，皆能滿足規范要求。

在滿足生產工藝的要求下，盡可能采取簡單規整的形體，盡量縮減體形系數。體形系數越小，節能效果越好。對建筑體形系數的控制就是對建筑耗能的控制。在規范未明確前，工業廠房的設計主要根據生產工藝的需求、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。規范明確后，在滿足規范的前提下，合理達成生產工藝的需求，追求符合城市規劃及環境需要的建筑造型，讓工業建筑設計更豐富。

2.2.2 總窗墻比

與民用建筑不同的是工業建筑規定的是總窗墻比，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。《工業建筑節能設計統一標準》中第4節中規定了I類工業建筑總窗墻比不應大于0.50，屋頂透光部分的面積與屋頂總面積之比不應大于0.15，當不能滿足時，必須進行權衡判斷。經計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，皆能滿足規范要求。

2.2.3 圍護結構

建筑圍護結構主要包括外填充墻、屋面、立面外門窗等，對于圍護結構而言，主要是滿足一定的傳熱系數要求，從而達到節能隔熱的作用。

澇渭凈水廠及西咸三水廠位于寒冷B區，依據《工業建筑節能設計統一標準》4節中規定的I類工業建筑圍護結構的熱工性能，其圍護結構的傳熱系數應滿足表1要求。護構

表1

圍護結構傳熱系數：

傳熱系數K應按下列公式計算：

其中Ri是內表面換熱阻，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是墻體結構層熱阻，是構成墻體各層材料的熱阻之和，需要根據實際工程做法計算確定。

澇渭凈水廠及西咸三水廠的送水泵房都屬于框架結構體系，大多數廠區的工業廠房都屬于框架結構體系，此結構體系下外墻的平均傳熱系數用Km簡化的方式進行計算：

其中KP為填充墻的傳熱系數，A為框架結構體系下填充墻所占比值為0.65；Kb為結構熱橋部門的傳熱系數；B為框架結構體系下結構熱橋部分所占比值為0.35，此計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的300厚蒸壓加氣混凝土砌塊，經計算外墻平均傳熱系數為1.012 W/(m2·K)；屋面采用50厚XPS保溫板，經計算屋面傳熱系數為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，外保溫材料為60厚EPS保溫板，經計算外墻平均傳熱系數為0.561 W/(m2·K)；屋面采用60厚XPS保溫板，經計算屋面傳熱系數為 0.494 W/(m2·K)。

在規范明確前的澇渭凈水廠工業廠房外墻通常采用導熱系數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，但效果并不理想，不滿足規范要求，而經驗確定的屋面保溫厚度也不能滿足規范的要求，屬于耗能建筑；西咸三水廠的工業廠房的圍護結構完全能達到規范要求，屬于節能建筑。

2.2.4 門窗選用

外門窗是建筑節能的薄弱部分，即使在節能措施及各類專項指標完備的前提下，最節能的外門窗傳熱系數也超過1.5W/(m2·K)，遠比外墻的高很多，所以合適的窗墻比及滿足節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，整窗傳熱系數約為3.1 W/(m2·K)，滿足規范要求。

3 總結

據統計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%，而工業建筑占比13.5%，約為5.67萬億m2。雖然工業建筑占比并不大，但總量卻不少。相比已經成熟的民用建筑節能而言，工業建筑的節能設計并不理想，仍然屬于耗能大戶，《工業建筑技能設計統一標準》的實施，只是為我們指明了方向，填補了工業建筑節能設計的政策空白，在今后的設計工作中，應繼續發展工業建筑節能設計的技術和理論知識。