基于气候分析的工业建筑节能研究

建筑设计前期的环境气候分析对建筑的节能设计至关重要。在相关研究中，多基于住宅建筑节能研究，发现基于环境分析的工业建筑节能设计研究尚有不足。通过使用Ecotect软件气候模拟与分析工具WeatherTool对夏热冬冷地区的气候进行分析，并通过气候分析结果研究最适宜当地气候环境的被动式节能建筑设计方法。以期为相关研究提供补充，同时为同类建筑设计提供参考。1 建筑概况某工程为一般工业建筑，占地面积720 m²，建筑总面积为720 m²，建筑层数为一层，建筑高度12.450 m（室外地面至1/2坡屋面）。建筑设计耐火等级要求为二级，屋面防水等级要求为Ⅱ级，抗震设防烈度要求为6度。建筑设计合理使用年限要求为主体结构50年。设计标准参照GB 51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》，该工业建筑主要能耗为供暖和空调，按一类工业建筑标准进行设计。2 气候分析基地所在地区属于夏热冬冷气候区划，该地区纬度低，属亚热带湿润季风气候，热量丰富，夏长冬短，雨热基本同季。全年平均温度在19 ℃左右，气候温和，无霜期达300多天。利用气候分析工具WeatherTool从太阳辐射、热舒适、风环境等3个方面分析当地气候特征，根据分析结果采用最佳的节能设计手段。2.1 热舒适分析WeatherTool的热舒适分析可以模拟不同的被动式设计措施下室内热舒适度率的变化。分析不同地区的气候并进行模拟后可以得出使用不同被动节能措施前后的热舒适百分比柱状对比图。将基地所在地区气候数据导入软件，通过软件模拟气候得出结果如图1所示。浅色代表未采取被动节能措施的当地热舒适性百分比，深色代表不同被动式设计策略影响后的热舒适性百分比。当地夏季热舒适率极低，几乎为0，在六项措施中，仅自然通风措施能够有效提升当地夏季热舒适性。此外，增加外围护结构热容这一措施在除夏季外其他季节尤其是冬季效果明显。虽然夜间通风措施效果也较为突出，但该厂房使用时间主要为工作日早8点至晚7点，可不重点考虑夜间通风措施。因此，当地为提高热舒适性应采用的被动节能措施为自然通风和增加围护结构的热容。图1 不同被动节能措施影响下热舒适性百分比（a）高热容维护结构；（b）高热容+夜间通风；（c）被动式太阳能采暖；（d）自然通风；（e）直接蒸发降温；（f）间接蒸发降温2.2 太阳辐射分析太阳辐射分析可以模拟当地太阳辐射情况，并通过分析太阳辐射方位得出最适合的当地建筑朝向如图2所示。该夏热冬冷地区最热月份为7~9月，最冷月份为1月、2月和12月。根据太阳辐射方位图可以得出，当地建筑最佳朝向为192.5°，最差朝向为282.5°。建筑朝向可选择的范围在125°~ 220°。图2 太阳辐射方位图2.3 风环境分析通过风环境分析可以得出当地平均风速和风频。如图3所示，可以看出该地区风向以东北风为主。春秋季和冬季盛行东北风。夏季6月盛行西南风，7月和8月盛行东北风。因此，为高效进行被动式节能，建筑朝向应有利于被动通风，门窗开口立面设计等可迎合夏季盛行风向，同时避免冬季冷风带走过多热量。图3 风环境分析图（a）年风频图；（b）月风频图通过软件模拟分析得出提高当地热舒适性的有效被动节能措施为自然通风和提高围护结构热容。因工业建筑相对于其他民用建筑跨度较大，自然通风节能效率更高，对建筑进行合理的平立面设计可以增加自然通风效果。在外围护结构方面可以通过选取合适的建筑结构以及使用高热容材料提高围护结构热容。建筑的节能设计可分为两部分，建筑的平立面节能设计增强自然通风效果，外围护结构节能设计增加围护结果热容效果。3 实现自然通风的节能设计3.1 平面规划工业建筑的平面规划需要充分考虑当地气候环境，从而选择最利于工业建筑被动式节能的位置和朝向。根据环境气候分析可以得出，建筑朝向为西南或东南向时既有利于采光，又能迎合夏季风向进行自然通风。权衡后，在地形等因素限制下建筑朝向选择北偏东132.91°。该朝向能相对充分利用自然采光，同时利于自然通风，提升建筑被动节能效果。3.2 立面设计自然通风是指利用建筑物内外空气的密度差或因大气运动引起的风压来进行通风换气作用的一种通风方式。窗口两侧的压差和窗孔的面积及空气量成正比，即压差和窗孔面积越大，通风量越大。由于节能要求限制窗墙比系数，工业建筑增大自然通风量主要通过增加窗口压差，利用风压通风来实现。工业建筑可以利用空气流动、不同季节风向和风量控制通风情况。因夏季盛行东北风和西南风，立面开窗可迎向夏季主导风向，利用风压进行自然通风，从而增强通风效果。考虑自然通风的建筑立面设计首先要满足工业建筑保温性能要求，减少外表面面积，将体形系数控制为0.23，窗墙比控制为0.03。其次在满足保温性能要求的同时增强自然通风效果。需要将设计建筑入口朝向东南方向，开窗在东北和西南向，有利于自然通风实现被动节能。外窗设计参数见表1。由于夏季和冬季盛行风向部分重叠，可采用夏季开窗通风换气、冬季紧闭门窗减少室内热量损耗的措施来增强自然通风和保温效果，如图4、图5所示。表1 外窗参数图4 夏季开窗自然通风示意图5 冬季室内热量流动示意4 提高外围护结构热容的节能设计4.1 建筑结构节能设计工业建筑的结构和内部空间主要由生产的工艺来决定，一般工业建筑为方便放置设备，内部通常是大跨度敞开空间。工业建筑有钢筋混凝土结构和钢结构两种。钢筋混凝土结构整体性强，抗压性好，维护成本低，但其抗震性不强，且整体重量大，抗裂性差。相比之下，钢结构重量轻，强度高，整体刚性好，抗变形能力强。虽耐火性能与抗腐蚀性能较差，但钢结构施工快速，抗风抗震，环保节能，是当前建设节能建筑趋势下的最佳选择。设计建筑的构造为轻型门式钢架结构。使用压型钢板作为墙体和屋顶，通过连接件将金属板与承重系统连接，为保证舒适性和安全性将玻璃棉等隔热材料填充在钢板中间，可以提高建筑结构的承载能力和建筑整体的刚度[5–6]。此结构是目前工业建筑常用结构，有较好的保温性能，施工难度小，成本较低，在抗压和节能等方面性能优越。参数比较见表2。表2 参照建筑和设计建筑的热工参数4.2 外墙节能设计外墙保温体系分为外保温和内保温。内保温虽不影响外墙外饰面和防水，但其占据较多的室内空间，热桥处易结露且易引起内表面开裂。外保温不占室内面积，且外墙在冬季不至于冻融；另外，外保温能够基本消除“热桥”现象，还能发挥出材料的保温功能便于节能。但外保温对外墙面的抗变形、防脱落和防火等要求更高。工业建筑外墙传统材料有钢筋混凝土、页岩多孔砖砖等，吸收和挥发热量快，节能效果差。设计建筑使用外保温体系，采用复合压型钢板墙作为外墙（图6）。图6 外墙隔热截面示意其构造为蓝色压型彩钢板+玻璃丝绵+米白色压型彩钢板0.6 mm+75 mm+0.5 mm，其中玻璃棉是无机非金属材料，容重为16 kg/m³，隔绝温度和振动的效果好，防火阻燃，变形系数小，稳定环保，有良好的保温隔热性能，导热系数为0.045 W/（m·K）是高效保温材料。外墙材料热阻分别为0（m²·K）/W，1.389（m²·K）/W，0（m²·K）/W，传热系数计算公式为：式中：中R为热阻。计算得出外墙整体的传热系数K为0.65，满足GB 51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》第4.3.2条中K≤1.10的规定。4.3 屋面节能设计屋顶受到太阳的直接照射，对于保温隔热性能要求更高。另外，由于工业建筑生产要求，屋顶构造较一般建筑更为复杂。屋顶采用单层彩钢板+玻璃棉0.6 mm+50 mm，钢檩条加固，由于该朝向冬季太阳照射充足且夏季需避免太阳直接照射，因此屋顶设计无透光部分。屋面热惰性指标为0.835。材料热阻分别为0（m²·K）/W，1.111（m²·K）/W，传热系数为0.79，不满足GB 51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》中要求K≤0.70的规定，需要进一步计算热工权衡。屋顶隔热截面示意如图7所示。图7 屋顶隔热截面示意4.4 外窗节能设计建筑外窗反映热交换，其热损耗高于墙体，因此外窗的节能设计是工业建筑被动式节能设计中重要的一环。窗户设置需迎夏风，挡东风。窗户构造采用普通铝合金窗＋Low–E中空玻璃，太阳得热系数0.35，可见光透射比0.610。外窗总面积为42.12 m²，窗墙比为0.03。Low–E玻璃和普通玻璃相比节能70 %。Low–E中空玻璃窗是由两片表面镀膜玻璃中间夹干燥气体的玻璃，具有良好的保温隔热性能，且表面不易结露。镀膜玻璃本身透光性强，能高反射中远红外线，因此有很好的额采光性，冬季能最大限度利用太阳辐射，并将室内人体等产生的远红外线反射回室内，达到良好的保温效果。计算得出外窗传热系数3.00，满足K≤3.60的要求。外窗隔热截面如图8所示。图8 外窗隔热截面示意4.5 热工权衡设计建筑的屋顶构造热工不满足规定，需要进行热工权衡。在一类工业建筑进行权衡判断时，夏热冬冷地区设计建筑围护结构传热系数最大限制分别不应超过：屋面0.80、外墙1.20、外窗4.50、屋顶透光部分4.50，设计建筑系数分别为：0.79、0.65、3.00、0，满足GB 51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》的规定。在进行权衡判断时，采用参照建筑对比法，即选择和设计建筑形状、大小、朝向、窗墙面积比、内部空间划分、使用功能和特点完全一致的参照建筑进行对比，并且设计建筑和参照建筑的供暖、空调系统应统一。建筑具体对比参数参考表3。表3 参照建筑和设计建筑的能耗对比对比法要求建筑进行综合能耗对比。将空调和功能能耗转换为标煤能耗，计算设计建筑全年供暖空调标煤能耗为19.39（kgce/m²）小于参照建筑的19.96（kgce/m²）（表3），满足设计建筑的能耗不大于参照建筑的能耗的规定，符合节能要求。5 总结（1）通过WeatherTool环境分析如热舒适分析、太阳辐射分析和风环境分析等可模拟得最适宜当地环境被动节能措施。同时能够全面了解当地环境气候，在设计阶段提高建筑节能效率。其中案例厂房所在地区最佳节