工业建筑节能设计实践

工业建筑节能设计实践 王字泽 (中国航空工业规划设计研究院北京100011) 摘要：对工业建筑属性再认识，重新审视现代工业建筑的设计与建造；结合国家节能减排政策的推行， 通过某项目具体设计案例，从全厂区总体规划至建筑单体设计，阐述节能、生态、绿色、环保等理念的体现与 实施，重点工业建筑节能设计及相关技术的具体应用。 关键词：工业建筑节能减排生态绿色环保技术应用 PRAC7nCEoNENERGYCoNSERVATIoNDESIGNSFoRINDUSTRIAI．BUⅡ。D耵qGS WangYuze (ChinaAeronauticalprojectandDesignInstituteBeijing100011) Abstract：Itismadethatare-studyandre．considerationofthenat珊ea8well嬲designandconstructionofmodem industrialbuildings．Basedonthedesignofaproject，itisanalyzedtheexecutionofenergyconservation，ecob舀cal balance，greendesignandenvironmentallyfriendlyconcepts，anditishighlightedthattheenergyconservationdesignsand 8peci&ugeofcorrespondingtechniquesforindustrialbuildings． Keywords：industrialbuildingenergyconservationecologygreenenvironmentalprotectionapplicationof techniques 1建筑节能的重要性和紧迫性 进入21世纪以来，随着人口增长和经济发展， 全球性的能源危机日益彰显，节约能源和保护环境 已成为当前人类寻求可持续发展的主题，环保要求 节能，节能促进环保。 在我国，经济正处于高速发展阶段，能源匮乏、 经济发展、环境保护之间的矛盾日益加剧，人均能源 资源占有量太低和单位国民生产总值能源耗量过高 是长期以来我国经济和社会发展不可回避的矛盾问 题。因此，建设可持续发展的节约型社会成为我国 的一项基本国策。 在世界范围内，建筑耗能约占能源消耗总量的 三分之一。发达国家建筑耗能约占能源消耗总量的 35％一40％，我国这一比例已从1978年的lO％上升 到目前的30％，随着经济发展和人民生活质量的提 高，这一比例还将继续加大。因此，建筑节能势必成 为我国能源战略的重点。 许多发达国家从1973年世界性石油危机开始， 就意识到建筑节能的重要性。在建筑物舒适性不断 提高的同时，新建建筑单位面积能耗已减少到30年 前的三分之一至五分之一。由于加大投入进行建筑 节能的研究与开发，新建建筑大量采用新材料、新技 IndustrialConstructionV01．38。No．10。2008 术，发达国家自20世纪70年代以来，大约每十年单 位建筑面积能耗减少50％，建筑节能的趋势是“零 能耗”。 长久以来，我国建筑节能不受重视，与发达国家 相比，单位建筑面积能耗是发达国家的2倍～3倍， 且有差距越拉越大的趋势。一方面国家能源紧缺， 形势严峻，另一方面建筑用能极端浪费，成为建设节 约型社会中最薄弱的一个环节。 近几年，随着新一轮全球性能源危机的来临，我 国日益认识到能源、环境与发展的重要性，随着以节 能50％为目标的强制性建筑节能相继发布，一 系列节能减排的政策法规相继出台，表明我国建筑 节能工作势在必行，刻不容缓。 2对现代工业建筑再认识 工业建筑，顾名思义是为工业生产、研发提供空 间环境的载体。从传统观念上看，相对于民用建筑， 工业建筑要求简单实用，造价低廉，且有大、笨、粗等 表现，这也是人们对我国上世纪建造的一批工业建 作 者：王宇泽男1972年8月出生高级师 E—mail：wyzl972@263．net 收稿日期：2008—08—15 工业建筑2008年第38卷第10期15 万方数据 筑的基本印象。随着社会经济发展，产业结构调整， 以粗加工为代表的一批工业厂房将逐渐淘汰，取而 代之的是以高精尖工业生产为代表的产业升级换 代，如精密加工、电子装配、现代制药等工业建筑。 此类现代工业建筑与传统工业建筑和民用建筑 相比，具有以下特征：对建筑内部工况环境要求更 高，如洁净、照度、温度、湿度的控制；单位面积的建 筑耗能更大；单位面积建筑造价更高。同时，人们对 现代工业建筑的外在形象也有更高的期待。以上几 个因素，促使建筑师必须摒弃传统设计思维定式，从 新审视现代工业建筑的设计与建造。 3工业建筑节能设计具体实践 正是因为上述现代工业建筑对内部空间的空调 温湿度控制要求高、单位面积的建筑耗能大等因素， 此类工业建筑的节能设计更具现实意义，尤显重要。 现时问题是，可能因为工业建筑种类较多、行业 性质差别较大，不好出台统一的节能设计标准，虽然 国家、地方、行业也出台了一些针对工业建筑节能减 排的宏观指导文件和一些约束性指标，但还没有像 《公共建筑节能设计标准》(GB50189—2005)那样指 导和约束性规范。所以，现阶段针对各类不同性质 工业建筑，如精密加工、电子装配，节能设计可借鉴 和参考执行《公共建筑节能设计标准》。 在能源、环境与经济发展日益矛盾的大背景下， 贯彻国家节能减排政策，推进工业建筑节能设计成 为当今建筑师不可推卸的责任。“节能、生态、绿色、 环保”等理念耳熟能详，如何由口号转化为具体实 现，是需要建筑师重点探索研究的方向。下面结合 某项目的具体规划设计，浅谈建筑节能，生态策略及 相应技术的应用。 3．1项目概况 该项目为某研究所的生产试验基地，集科研、生 产、试验为一体的全新工业厂区。建设地点位于苏 州高新区，建设用地面积23．2万m2，规划总建筑面 积19万m2，其中一期总建筑面积10．5万m2。 一期工程主要建设内容包括：1号行政综合楼、 2号综合保障楼、3号产品集成厂房、4号机械加工 厂房、5号特种工艺厂房、6号发射塔、7号接收塔及 相关配套辅助设施。 3．2建筑节能设计 一个全厂区的节能生态设计是一个系统工程， 必须从前期的规划设计阶段就考虑建筑节能生态策 略，注重节能、生态、绿色、环保部等概念的引入。 16 图1全厂区总平面规划 Fig．1Siteplanlayoutofwholefactoryanm 图2全厂总体鸟瞰图 Fig．2Theoverallbirds’viewofwholefactoryam 3．2．1节能目标 节能设计首先应明确节能目标，目标设定应科 学合理，同时应具有一定的前瞻性，参照现阶段国家 对公共建筑节能50％目标，本项目提出综合节能目 标不低于50％，在个别建筑单体适当超越。1号行 政综合楼建筑面积25800m2，属办公科研楼，2号综 合保障楼建筑面积8200m2，功能内容为住宿、餐 饮，因此这两个楼号建筑节能设计执行《公共建筑节 能设计标准》(GB50189—2005)；3号产品集成厂房、 4号机械加工厂房属全空调精密电子装配与调试、 精密机械加两个工业建筑，节能设计参照上述标准 执行。有了明确的节能目标，下一步就是综合选用 科学合理的技术手段去实现。 3．2．2节能技术的选用与优化 节能技术及材料的选用与优化对保证节能目标 的实现最为关键。在建筑节能领域，新材料、新技术 日新月异，层出不穷。但显然并不是每个都适用于 本工程，必须经过综合分析与对比，科学的论证。制 定以下几点选用：1)技术领先，且相对成熟稳 定；2)材料必须绿色环保，符合可持续发展理念；3) 节能技术的经济性，性价比、投入产出比相对合理； 4)因地制宜(苏州属夏热冬冷地区)，选择适合本工 程特点的材料与技术；5)系统可优化与集成。 同时，建筑节能必须系统规划，单一或几项节能 措施往往顾此失彼，不足以保证总体节能目标的实 现。在建筑设计中，注重良好的朝向与通风，控 制体形系数、窗墙比、外围护结构(外墙、屋面、地面) 工业建筑2008年第38卷第10期 万方数据 传热系数等指标。本工程的建筑单体设计体形系数 大都控制在0．2以下，远低于国家对夏热冬冷地区 0．32的限值。窗墙比、外围护结构传热系数、遮阳 系数等指标也远低于限值。上述控制指标是建筑节 能设计的根本，主要靠以下几个系统实现：外循环双 层呼吸式玻璃幕墙系统；穿条式断热铝合金框料、 Low—E中空玻璃幕墙及节能门窗；建筑立面屋面水 平、垂直遮阳系统；XPS外墙外保温、屋面保温系统， 地面30ram厚聚氨酯硬泡体防水保温系统；部分绿 化种植屋面系统。下面重点介绍“外循环双层呼吸 式玻璃幕墙系统”。 3．3外循环双层呼吸式幕墙 玻璃幕墙与建筑节能好像是一对矛盾体，人们 一方面迷恋玻璃幕墙的现代通透感，一方面对其能 耗损失又有所担心，工程采用外循环双层呼吸式幕 墙，试图解决鱼与熊掌兼得的问题。外循环双层呼 吸式幕墙又称通风式节能环保幕墙，与传统普通幕 墙相比，最大特点在于其独特的双层结构，中间为空 气流通层，节能环保，明显减少楼宇内的能量消耗， 具有通风换气、隔热、隔声的功能。 双层通风幕墙应用在1号行政综合楼南立面， 面积约2700m2。由双层玻璃幕墙组成，外层为10 InlTl全透明的钢化安全玻璃，中间为800mm空腔及 电动铝合金百叶遮阳帘，内层由6+12A+6mm(Low —E)中空钢化玻璃组成。根据立面设计和功能要 求在每个单元底部和顶部设置可控式进出风百叶， 以保证自然风的进入及室内空气的排出。通过建立 数字模型ANSYS专业软件计算分析，模拟不同季节 气流组织，确定幕墙。结构形式为“箱体式”，加工安 装采取“单元式”。本工程呼吸幕墙在夏、冬、春秋季 节工作原理如图3。 图3工作原理 Fig．3Workingprinciple 夏季隔热：放下遮阳百叶，减少幕墙因太阳暴晒 的辐射得热。打开热通道进风口、出风口的活动闸 门，使竖向热通道贯通，由于烟囱效应，热通道内热 的空气上升经顶部排风口排出，外界相对冷的空气 经每层进风口进入热通道，并汇聚到热通道，吸收太 阳的幅射热后，由排气口排出。如此循环，带走热通 道内的热量，降低内侧幕墙表面温度(见图4)。 b 8一冬季保温；b一春秋季节自然通风 图4隔热 Fig．4Heatinsulation 冬季保温：收拢遮阳百叶，利用阳光照射，使双 层幕墙间空气增热。关闭热通道的进风口、排风口 的活动闸门，由于没有空气流动，热通道内空气吸收 工业建筑节能设计实践——王宇泽 太阳幅射热后，热空气聚积在热通道内，温室效应起 作用，双层幕墙内侧表面温度得以提高，因而达到保 温节能的效果。 17 万方数据 春秋季自然通风：打开外层幕墙的进风口、排风 口的活动百叶，打开内层幕墙的开启扇，由于正负风 场的作用，就可直接获得“穿堂风”(见图5)。 采用双层呼吸幕墙的最直接效果是节约能源， 经计算，双层幕墙平均综合u值为1．12～1．13W／ (m2·K)，平均遮阳系数|s．值为0．1，远低于普通玻 璃幕墙传热系数3．0W／(m2·K)和遮阳系数0．4的 限值要求，它比普通单层幕墙采暖节能40％一 50％，制冷节能40％～60％，节能效果显著。 3．4建筑设备节能 如果上述建筑自身节能措施属于“被动节能”， 那么建筑设备节能则属于“主动节能”，对保证节能 设计目标的实现，二者同样重要。设备节能主要指 空调、通风、照明、变配电、电梯、自控等设备的节能 设计。 3．4．1空调系统节能设计 空调系统能耗约占整个建筑能耗的60％，因此 空调系统节能设计相当关键。空调系统的节能设计 从减少冷热源能耗、输送系统的能耗及系统的运行 管理等几方面进行考虑，采用了冰蓄冷+地源热泵 三工况空调系统、智能数码涡旋多联空调系统、余热 回收系统。智能数码涡旋多联空调系统可随室内负 荷的变化，通过室外机数码涡旋调节，使空调负荷能 最合理的满足使用要求，减少运行能耗，从而达到节 能的目的。空调区域房间排风所含能量十分可观， 加以回收利用可取得很好的节能效益，在工程中设 计了集中进排风系统，并设置了排风全热回收装置， 其热回收率不低于60％。地源热泵是目前倍受推 崇的绿色建筑技术，节能环保。 3．4．2选用节能电气产品 变压器、照明灯、电梯等选用节能产品；照明充 分利用自然光，靠窗户的灯具单独控制，公共场所照 明灯具采用就地控制与BA控制相结合的方式，根 据需求对照明实现分时段管理，做到节约用电。 3．4．3能源综合管理 借助于网络系统，把各机电系统设计成一个统 一的综合平台，把建筑内各分离的机电设备(空调、 电力、给排水、照明、电梯等)集成为一个相互关联、 完整、协调的集成化系统，全部纳入BA控制管理之 下，建立能源综合管理系统。 4生态绿色环保理念的实践 生态、绿色、环保三个概念是融合共生，互相促 进的关系，生态手段、绿色策略必然促进环保。以下 几个系统的设计，可以反映本项目对生态、绿色、环 保理念的追求。 4．1 雨水收集、景观水系、循环冷却综合运用系统 水资源短缺是一个全球性的问题，尤其在中国， 即使像苏州这样号称“江南水乡”的城市，地表水虽 然丰富，地下水资源却非常匮乏，雨水收集利用系统 有着非常的现实意义。本工程主要收集建筑屋面、 硬化路面及广场的雨水，因为这几处雨水水质相对 干净，同时，工业建筑屋面面积较大，雨水收集量可 观。收集的雨水存储于地下的雨水收集池，利用室 外景观水系三级水面自然沉淀，并利用生物净化系 统处理水质，处理后的雨水反用于景观绿地浇灌及 补充景观水体。雨水收集与景观水系相结合，形成 一条自然循环的生态链，取法自然，相得益彰。 自来水补给 图5雨水收集系统原理图 Fig．5Thediagramofprincipleofraineoneetionmddiversion 同时，厂区内大面积景观水体并非为纯观赏而 设，除雨水处理自然沉淀、生物净化功能外，还利用 景观水系做为天然的“冷却塔”。3号产品集成厂房 内有大量的环境试验设备，为解决工艺设备循环水 冷却问题，同时保证地源热泵加冰蓄冷系统长期有 18 效运行，通过在厂区室外一定面积的景观水面下铺 设PE管路，将各自多出的热量通过板换与景观水 进行一次换热，使得室外景观水系集雨水收集、循环 散热功能于一体，有效减少冷却塔的数量(图6)。 4．2地源热泵+冰蓄冷三工况空调系统 工业建筑2008年第38誊第lO期 万方数据 地源热泵是国际国内目前推行的一项绿色环保 技术，其环保效益显著：没有热、噪音、有害气体排 放，不污染地下水；节能高效；运行费用低，仅为普通 空调系统的1／2。同时，系统运行稳定可靠，维护简 单。 冰蓄冷系统即是在电力负荷很低的夜间用电低 谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存下 来，在电力负荷较高的白天也就是用电高峰期，把贮 存的冷量释放出来，以满足空调负荷需要。电作为 二次能源用来进行制冰蓄冷，本是不经济的，但系统 宏观社会效益显著：移峰填谷，有利于提高电网负 荷率，同时有利于电网的安全经济运行；发电机组效 率提高，减少新建电厂投资；减少环境污染，有利于 生态平衡。 4．3 污水处理及中水回用系统 本项目5号特种工艺厂房表面处理生产线产生 一定量的生产污水，由于镀种较多，污染物种类亦 多，各种废水性质差异很大，所以选用分散与集中相 结合的工艺流程处理各种废水，使处理后的废水稳 定达到国家污水综合排放标准。处理后的污水收集 到清水池，回用水系统建在清水池末端，以清水池的 水为水源，对该水进行深度处理，去杂质、脱盐，出水 可达到C类水标准。中水主要是生产线在线回用， 作为漂洗用水，剩余部分作为卫生间冲洗用水，整个 系统实现中水回用75％以上，逐步实现零排放。 4．4太阳能路灯、太阳能集热供水系统 太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色清洁能源。 全厂区室外照明采用太阳能路灯系统，部分建筑屋 面设置了太阳能集热供水系统，供职工洗浴。利用 太阳能不仅仅着眼于节能，更注重其绿色环保特性。 正是因为上述节能、生态、绿色、环保技术在项 目中的综合运用，国家和地方对该项目给予了政策 上和资金上的大力支持。2007年，该项目被江苏省 列为“江苏省建筑节能(绿色建筑)类示范工程”(项 目编号：200707100003)；2008年，成为国家住房和城 乡建设部科技示范工程——绿色建筑和低能耗建 筑”“双百”示范工程(第一批)，项目编号：2008一S1 —21；2008一S2—19。 节能、生态、绿色、环保等概念如何真正融入到 现代工业建筑设计中，上述项目实践内容只是一次 局部的摸索。应清醒的认识到，节能设计在我国只 是刚刚开始，生态、绿色、环保还大都停留在口号阶 段，尤其对于工业建筑而言。现阶段建筑师不仅需 要技术层面的学习，更重要的是加强自身对节能、生 态、绿色、环保的认知与意识，同时积极将这些良好 意识向用户、向社会与推广。 (上接第7页) 施工接近尾声，我们只是创造了一个平台，一个 用水泥磨出来的与金属和玻璃构成的空间。当未来 业态的注入，将使这个空间生机勃勃。 在它对面的4号楼也改造完毕，是一个66年建 造的仓库，我们采用了完全现代的手法，用黑色的金 图20多功能厅及玻璃楼面 Fig．20Multi—purposehallsandglassfloor 属和玻璃以及细高的柱廊形成鲜明的质感与时间的 反差，以表示对历史的尊重。 9)初步竣工 未来这里的具体业态还没有完全确定，但它一 定是一个时尚类商业空间，我们希望是一个具有博 物馆气质的商业建筑。 ． 图2l新旧对话 Fig．21Theoldandthenew 欢迎订阅《工业建筑》杂志(邮发代号：2—825) ISSN1000．—-8993CNl1．．．2068／TU 工业建筑节能设计实践——王宇泽 19 万方数据 工业建筑节能设计实践 作者： 王宇泽， Wang Yuze 作者单位： 中国航空工业规划设计研究院,北京,100011 刊名： 工业建筑 英文刊名： INDUSTRIAL CONSTRUCTION 年，卷(期)： 2008,38(10) 被引用次数： 1次 引证文献(1条) 1.宋林华.邵转吉 工业建筑及工艺生产节能综合利用探索[期刊论文]-工业建筑 2010(11) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gyjz200810005.aspx