孫亞男 王磊 張帥

中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040

引言

近年來的存量建筑、老舊廠房、工業(yè)遺產(chǎn)等的改造利用成為非常重要的建設(shè)活動(dòng)，是否綠色節(jié)能且具有良好的熱舒適性是改造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性重難點(diǎn)。特別是針對(duì)工業(yè)廠房建筑，由于工業(yè)建筑生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量工業(yè)廢棄物，對(duì)建筑通風(fēng)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(yè)建筑與民用建筑相比，無論在使用功能、建筑結(jié)構(gòu)、節(jié)能設(shè)計(jì)要求上均有較大差異，因此，對(duì)工業(yè)建筑及工業(yè)遺產(chǎn)的改造和更新，應(yīng)首先從建筑保溫隔熱材料的更新等建筑節(jié)能技術(shù)上入手。

郝軍等[1]在《煙草行業(yè)綠色工房評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究》中，分析了煙草行業(yè)工業(yè)建筑的特點(diǎn)，對(duì)煙草行業(yè)工業(yè)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)策略做出分析研究，包括從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，自然采光和照明，工藝余廢熱回收利用，室內(nèi)外環(huán)境，工業(yè)用水以及運(yùn)營管理角度分析了煙草行業(yè)工業(yè)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)特點(diǎn)。MuhsinK?l?c[2]以水泥廠為研究對(duì)象，通過對(duì)水泥廠房的調(diào)查分析，最終選擇利用高效熱泵、太陽系統(tǒng)和廢熱回收系統(tǒng)等節(jié)能技術(shù)，對(duì)水泥廠進(jìn)行節(jié)能改造。吳偉東等[3]通過調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)測試及模擬計(jì)算等方法，分析并得出了適合寒冷地區(qū)工業(yè)廠房外墻、門窗、屋面、地面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱材料及指標(biāo)。孫冬梅等[4]采用適應(yīng)氣候變化的雙層外窗和玻璃中庭、垂直綠化等節(jié)能技術(shù)，有效改善室內(nèi)熱舒適度和空氣質(zhì)量，并有效降低工業(yè)廠房室內(nèi)空調(diào)能耗。曹國光[5]在《綠色節(jié)能技術(shù)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用和效果》一文中歸納總結(jié)了建筑被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)主要的三個(gè)要素，它們分別是建筑體形、窗墻比和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能。

針對(duì)以上工業(yè)建筑節(jié)能改造技術(shù)的分析與應(yīng)用，可采用能耗模擬的方式，選擇適用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱材料，并預(yù)測不同節(jié)能技術(shù)的對(duì)建筑能耗的影響。例如，鄭亞東[6]運(yùn)用DEST模擬軟件，分析了嚴(yán)寒地區(qū)35座工業(yè)建筑，總結(jié)了目前工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、采暖形式、冷熱源方式，提出了適合嚴(yán)寒地區(qū)工業(yè)建筑采用的節(jié)能技術(shù)。Alberto Hernandez Neto[7]對(duì)比分析了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和能耗模擬軟件EnergyPlus在預(yù)測建筑物能耗上的差異，證明兩種模擬方法均能較準(zhǔn)確的預(yù)測建筑物能耗，且EnergyPlus能量化影響因素對(duì)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(yè)建筑特點(diǎn)的基準(zhǔn)模型，并對(duì)工業(yè)建筑常用節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了分析模擬研究。而本研究擬采用PKPM能耗分析模塊對(duì)海南某裝配式產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目廠房進(jìn)行模擬，分析該產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目廠房主要耗能因素及可采用的節(jié)能技術(shù)，并深入探討各種切實(shí)可行的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能量。以此為示范，為工業(yè)廠房綠色節(jié)能改造項(xiàng)目提供具體參考技術(shù)與案例。

1 項(xiàng)目概況

如圖1所示，中鐵建設(shè)集團(tuán)某裝配式產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目廠房建于夏熱冬暖氣候的海南臨高縣博厚鎮(zhèn)金港開發(fā)區(qū)。本項(xiàng)目所處的海南臨高縣地區(qū)，年平均溫23℃ ～ 30℃。年降水量為1690mm，年平均風(fēng)速0.5-1.5m/s，冬、夏、全年平均主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng)和西南風(fēng)。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(biāo)準(zhǔn)廠房面積27000m2，均采用自然通風(fēng)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(jié)構(gòu)裝配式體系，抗震性能與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能診斷

根據(jù) JGJ 176《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》和JGJ / T 177《公共建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》及電子廠相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)廠房主要用能系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能診斷、檢測[8-9]。

表2 原有外墻各層材料熱工參數(shù)表

屋面、墻體等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各層材料熱工性能如表1所示。屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.79W/（m2·K），不滿足《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中的0.60的限值；外墻傳熱系數(shù)3.06W/（m2·K），不滿足《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中的0.70的限值；外窗傳熱系數(shù)5.70 W/（m2·K），不滿足《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中的3.50的限值。外墻與外窗傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)限值，是建筑能耗損失的集中部位，應(yīng)作為改造重點(diǎn)。

表1 原有屋面各層材料熱工參數(shù)表

圖2 各構(gòu)件負(fù)荷比

根據(jù)《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51245-2017)要求計(jì)，在保持室內(nèi)夏季溫度28°，相對(duì)濕度70%；冬季16°，相對(duì)濕度50%的情況下，該廠房全年暖通空調(diào)用電量約為243030.14kW·h，單位建筑面積暖通空調(diào)年用電量約為11.02kW·h/（m2·a）。經(jīng)過建筑供暖空調(diào)負(fù)荷及能耗計(jì)算，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率為-0.91%；本項(xiàng)目現(xiàn)有條件明顯不符合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2019。該項(xiàng)目的節(jié)能潛力主要在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空調(diào)能耗上，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)是本項(xiàng)目節(jié)能改造主要關(guān)注的內(nèi)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(shù)表

圖3 噴涂保溫隔熱涂料后屋面構(gòu)造

3. 2 外墻改造方案

外墻設(shè)計(jì)了3種備選方案。

方案1：出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，保持并新增現(xiàn)有大面積的200厚空心灰砂磚外墻。其材料物性參數(shù)如表4所示。

表4 200厚空心灰砂磚外墻材料熱工參數(shù)表

方案2：在現(xiàn)有200厚空心灰砂磚外墻內(nèi)部貼40厚XPS保溫板。其材料物性參數(shù)如表5所示。

表5 200厚空心灰砂磚外墻內(nèi)部貼40厚XPS保溫板材料熱工參數(shù)表

方案3：采用輕質(zhì)保溫墻板。其材料物性參數(shù)如表6所示。

表6 輕質(zhì)保溫墻板材料熱工參數(shù)表

在原有方案1的基礎(chǔ)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(qiáng)于方案2。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分組合方案模擬

建筑節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，建筑不同的外圍護(hù)組合形式會(huì)帶來不同的節(jié)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(jié)能效果，并與原有廠房（未改造狀態(tài)）的供冷采暖模擬進(jìn)行對(duì)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 9種改造組合供冷采暖能耗模擬結(jié)果表

根據(jù)《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51245-2017）要求計(jì)算結(jié)果；采暖供冷能耗降低節(jié)能率=（設(shè)計(jì)建筑能耗-基準(zhǔn)建筑能耗）/基準(zhǔn)建筑能耗×100%

與原本廠房的供冷采暖能耗、累計(jì)年負(fù)荷對(duì)比得出結(jié)論，組合9的保溫隔熱性能最優(yōu)，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(jié)束語

通過對(duì)案例工業(yè)廠房的能耗結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過方案比較選擇和能耗模擬分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在節(jié)能改造后能耗最高可降低20%左右。本項(xiàng)目改造方案在環(huán)境保護(hù)上有可觀的收益，具有可執(zhí)行性，為其他類似工業(yè)廠房的節(jié)能改造提供了參考。