工业建筑节能设计分析

文_李稳 刘阳辉 中国市政工程华北设计研究总院有限公司西安分公司

1 工业建筑节能设计的必要性

现今民用建筑节能的理念已经得到了广泛认可和应用，政府部门也对其进行了统一规定；设计方法、节能材料、绿色建筑理念等层出不穷，而工业厂房的节能设计时至今日才有了明确的政府规定。在此之前，工业建筑设计主要原则之一就是经济性，工业建筑节能设计一直没有得到足够的重视，工业建筑节能设计的缺失是导致工业厂房成为我国建筑中耗能最大的类型之一。因此，工业建筑的节能设计势在必行。

2 规范明确前后的工业建筑节能设计对比

规范明确前后的工业建筑节能设计有很大的不同。之前虽然有部分工业厂房进行了节能设计，但大多都参考、套用了民用建筑节能设计的规范，造成建筑材料的浪费，经济性不佳。而工业建筑本身没有相关的政策法规，仅凭设计师的经验和独立的项目分析来设计，没有统一的章程导致了工业建筑节能设计五花八门，也无法很好得到业主的普遍认可。

下面通过规范明确前后的两个工业工程项目中建筑节能设计的比较，明确工业建筑的节能措施。

这里有两个实际案例：“西安市应急供水工程涝渭水源地（地下水）项目净水厂工程”（以下简称涝渭净水厂）和“西咸新区第三水厂项目一期供水工程（西咸新区垃圾无害化处理项目供水配套工程）”（以下简称西咸三水厂）。分析这两个工程项目的节能设计条件可知：它们都位于陕西省西安市，节能设计的气候分区是一致的，都属于寒冷B区；涝渭净水厂规模10万m3/d（规范实施前设计）；西咸三水厂规模近期供水量1.8万m3/d，远期供水量10万m3/d（土建按远期设计），土建规模相同，同时也都属于净水厂；其建筑物具有一定的可比性。下面从两个项目的总体规划、单体设计等方面具体分析其建筑节能设计。

2.1 总体规划

一个工程的总体规划主要依据生产工艺的要求，在满足生产工艺的前提下，良好的朝向（南北向或者接近南北向）和自然通风（立面的开口方向迎向夏季主导风向，冬季避开主导风向）、冷热源的合理布置等，是建筑节能在总体上的基本设计要求。建筑的主要房间避免夏季受东、西向日晒，对于工业厂区来说，特别是高、低变配电室等自身散热较大的建筑空间，应尽量避免西晒，并保持良好的自然通风。对比涝渭净水厂及西咸三水厂，无论是否有规范明确，厂区的总体规划都应满足上述原则。

2.2 单体设计

2.2.1 体形系数

建筑体形系数是指一栋建筑与室外大气接触的外表面积与其体积的比值，不同的气候分区对建筑体形有不同的要求，作为案例的两个工程都属于寒冷气候区，所以建筑单体应在满足使用的前提下尽量缩小体形系数。《工业建筑节能设计统一标准》中第4节中规定了I类工业建筑（冬季以供暖能耗为主，夏季以空调能耗为主，通常无强污染源及强热源，凡是有供暖空调系统能耗的工业建筑皆为I类工业建筑）的体形系数的要求，单栋建筑面积大于3000m2的建筑体形系数不超过0.3；单栋建筑面积大于800m2，小于等于3000m2的建筑体形系数不超过0.4；单栋建筑面积大于300m2，小于等于800m2的建筑体形系数不超过0.5。经计算涝渭净水厂送水泵房（建筑面积792.19m2），西咸三水厂送水泵房（建筑面积939.47m2）的体形系数，分别为0.352、0.325，皆能满足规范要求。

在满足生产工艺的要求下，尽可能采取简单规整的形体，尽量缩减体形系数。体形系数越小，节能效果越好。对建筑体形系数的控制就是对建筑耗能的控制。在规范未明确前，工业厂房的设计主要根据生产工艺的需求、建筑造型的需求、占地面积的需求等条件，在此条件下，尽可能地减小体形系数。规范明确后，在满足规范的前提下，合理达成生产工艺的需求，追求符合城市规划及环境需要的建筑造型，让工业建筑设计更丰富。

2.2.2 总窗墙比

与民用建筑不同的是工业建筑规定的是总窗墙比，总窗墙比是指建筑物各立面透光部分和非透光外门窗的洞口总面积之和，与各立面总面积之和的比值。《工业建筑节能设计统一标准》中第4节中规定了I类工业建筑总窗墙比不应大于0.50，屋顶透光部分的面积与屋顶总面积之比不应大于0.15，当不能满足时，必须进行权衡判断。经计算涝渭净水厂及西咸三水厂的送水泵房的总窗墙比分别为0.215、0.299，皆能满足规范要求。

2.2.3 围护结构

建筑围护结构主要包括外填充墙、屋面、立面外门窗等，对于围护结构而言，主要是满足一定的传热系数要求，从而达到节能隔热的作用。

涝渭净水厂及西咸三水厂位于寒冷B区，依据《工业建筑节能设计统一标准》4节中规定的I类工业建筑围护结构的热工性能，其围护结构的传热系数应满足表1要求。护构

表1

围护结构传热系数：

传热系数K应按下列公式计算：

其中Ri是内表面换热阻，一般取0.11（m2·K/W）；Re是外表面换热组，一般取0.04（m2·K/W）；R是墙体结构层热阻，是构成墙体各层材料的热阻之和，需要根据实际工程做法计算确定。

涝渭净水厂及西咸三水厂的送水泵房都属于框架结构体系，大多数厂区的工业厂房都属于框架结构体系，此结构体系下外墙的平均传热系数用Km简化的方式进行计算：

其中KP为填充墙的传热系数，A为框架结构体系下填充墙所占比值为0.65；Kb为结构热桥部门的传热系数；B为框架结构体系下结构热桥部分所占比值为0.35，此计算方法是借鉴民用建筑的方式。

涝渭净水厂外墙无外保温系统的300厚蒸压加气混凝土砌块，经计算外墙平均传热系数为1.012 W/(m2·K)；屋面采用50厚XPS保温板，经计算屋面传热系数为0.572 W/(m2·K)。

西咸三水厂外墙为200厚页岩多孔砖，采用外保温系统，外保温材料为60厚EPS保温板，经计算外墙平均传热系数为0.561 W/(m2·K)；屋面采用60厚XPS保温板，经计算屋面传热系数为 0.494 W/(m2·K)。

在规范明确前的涝渭净水厂工业厂房外墙通常采用导热系数较低的蒸压加气混凝土砌块填充，并增加填充墙厚度来保证外墙传热系数，但效果并不理想，不满足规范要求，而经验确定的屋面保温厚度也不能满足规范的要求，属于耗能建筑；西咸三水厂的工业厂房的围护结构完全能达到规范要求，属于节能建筑。

2.2.4 门窗选用

外门窗是建筑节能的薄弱部分，即使在节能措施及各类专项指标完备的前提下，最节能的外门窗传热系数也超过1.5W/(m2·K)，远比外墙的高很多，所以合适的窗墙比及满足节能要求的外门窗选用是十分必要的。

涝渭净水厂外窗采用5厚透明玻璃+12厚空气+5厚透明玻璃的一般铝合金型材，整窗传热系数约为3.6 W/(m2·K)；而西咸三水厂外窗采用6厚低透光热反射+12厚空气+6厚透明玻璃，断桥铝合金型材，整窗传热系数约为3.1 W/(m2·K)，满足规范要求。

3 总结

据统计2015年我国房屋建筑竣工面积42万亿m2，其中民用建筑占比86.5%，而工业建筑占比13.5%，约为5.67万亿m2。虽然工业建筑占比并不大，但总量却不少。相比已经成熟的民用建筑节能而言，工业建筑的节能设计并不理想，仍然属于耗能大户，《工业建筑技能设计统一标准》的实施，只是为我们指明了方向，填补了工业建筑节能设计的政策空白，在今后的设计工作中，应继续发展工业建筑节能设计的技术和理论知识。