海南地区某既有厂房节能改造研究

孙亚男 王磊 张帅

中铁建设集团有限公司 北京 100040

引言

近年来的存量建筑、老旧厂房、工业遗产等的改造利用成为非常重要的建设活动，是否绿色节能且具有良好的热舒适性是改造设计的关键性重难点。特别是针对工业厂房建筑，由于工业建筑生产过程产生大量工业废弃物，对建筑通风和采光要求较高，能源消耗比一般民用建筑要大得多。且工业建筑与民用建筑相比，无论在使用功能、建筑结构、节能设计要求上均有较大差异，因此，对工业建筑及工业遗产的改造和更新，应首先从建筑保温隔热材料的更新等建筑节能技术上入手。

郝军等[1]在《烟草行业绿色工房评价标准研究》中，分析了烟草行业工业建筑的特点，对烟草行业工业建筑的节能设计策略做出分析研究，包括从建筑围护结构，自然采光和照明，工艺余废热回收利用，室内外环境，工业用水以及运营管理角度分析了烟草行业工业建筑的节能设计特点。MuhsinKılıc[2]以水泥厂为研究对象，通过对水泥厂房的调查分析，最终选择利用高效热泵、太阳系统和废热回收系统等节能技术，对水泥厂进行节能改造。吴伟东等[3]通过调查研究、实验测试及模拟计算等方法，分析并得出了适合寒冷地区工业厂房外墙、门窗、屋面、地面等围护结构的保温隔热材料及指标。孙冬梅等[4]采用适应气候变化的双层外窗和玻璃中庭、垂直绿化等节能技术，有效改善室内热舒适度和空气质量，并有效降低工业厂房室内空调能耗。曹国光[5]在《绿色节能技术在工业建筑中的应用和效果》一文中归纳总结了建筑被动式节能设计主要的三个要素，它们分别是建筑体形、窗墙比和围护结构热工性能。

针对以上工业建筑节能改造技术的分析与应用，可采用能耗模拟的方式，选择适用的围护结构保温隔热材料，并预测不同节能技术的对建筑能耗的影响。例如，郑亚东[6]运用DEST模拟软件，分析了严寒地区35座工业建筑，总结了目前工业建筑围护结构热工参数、采暖形式、冷热源方式，提出了适合严寒地区工业建筑采用的节能技术。Alberto Hernandez Neto[7]对比分析了人工神经网络方法和能耗模拟软件EnergyPlus在预测建筑物能耗上的差异，证明两种模拟方法均能较准确的预测建筑物能耗，且EnergyPlus能量化影响因素对能耗影响程度。王蒙蒙[8]利用能耗模拟软件eQUEST建立了具备工业建筑特点的基准模型，并对工业建筑常用节能技术进行了分析模拟研究。而本研究拟采用PKPM能耗分析模块对海南某装配式产业项目厂房进行模拟，分析该产业项目厂房主要耗能因素及可采用的节能技术，并深入探讨各种切实可行的围护结构节能改造方案的经济性及节能量。以此为示范，为工业厂房绿色节能改造项目提供具体参考技术与案例。

1 项目概况

如图1所示，中铁建设集团某装配式产业项目厂房建于夏热冬暖气候的海南临高县博厚镇金港开发区。本项目所处的海南临高县地区，年平均温23℃ ～ 30℃。年降水量为1690mm，年平均风速0.5-1.5m/s，冬、夏、全年平均主导风向东南风和西南风。本工程分别为单层厂房及多层民+用建筑，占地面积66666m2，建筑面积34100m2，其中标准厂房面积27000m2，均采用自然通风排烟方式，年电力消耗约52423.2kW·h，电能每平方米消耗30w/h。

图1 厂房部分鸟瞰图

建筑本身采用装配式IRF（Integration of Reinforcement and Formwork）这一新型混凝土剪力墙结构装配式体系，抗震性能与现浇结构一致；外墙采用加气混凝土砌块，自带保温隔热效果，外刷膨胀玻化微珠保温砂浆。

2 厂房外围护结构节能诊断

根据 JGJ 176《公共建筑节能改造技术规范》和JGJ / T 177《公共建筑节能检测标准》及电子厂相关行业标准，对厂房主要用能系统进行节能诊断、检测[8-9]。

表2 原有外墙各层材料热工参数表

屋面、墙体等外围护结构的各层材料热工性能如表1所示。屋面传热系数0.79W/（m2·K），不满足《工业建筑节能设计统一标准》中的0.60的限值；外墙传热系数3.06W/（m2·K），不满足《工业建筑节能设计统一标准》中的0.70的限值；外窗传热系数5.70 W/（m2·K），不满足《工业建筑节能设计统一标准》中的3.50的限值。外墙与外窗传热系数远大于设计限值，是建筑能耗损失的集中部位，应作为改造重点。

表1 原有屋面各层材料热工参数表

图2 各构件负荷比

根据《工业建筑节能设计统一标准》(GB 51245-2017)要求计，在保持室内夏季温度28°，相对湿度70%；冬季16°，相对湿度50%的情况下，该厂房全年暖通空调用电量约为243030.14kW·h，单位建筑面积暖通空调年用电量约为11.02kW·h/（m2·a）。经过建筑供暖空调负荷及能耗计算，得出围护结构节能率为-0.91%；本项目现有条件明显不符合《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019。该项目的节能潜力主要在围护结构与空调能耗上，因此围护结构是本项目节能改造主要关注的内容[10]。

3 改造方案

3.1 屋面改造方案

保持原有的压型钢板屋面板，在屋面喷涂保温隔热涂料，如表3所示。

表3 改造后屋面保温材料热工参数表

图3 喷涂保温隔热涂料后屋面构造

3. 2 外墙改造方案

外墙设计了3种备选方案。

方案1：出于经济上的考虑，保持并新增现有大面积的200厚空心灰砂砖外墙。其材料物性参数如表4所示。

表4 200厚空心灰砂砖外墙材料热工参数表

方案2：在现有200厚空心灰砂砖外墙内部贴40厚XPS保温板。其材料物性参数如表5所示。

表5 200厚空心灰砂砖外墙内部贴40厚XPS保温板材料热工参数表

方案3：采用轻质保温墙板。其材料物性参数如表6所示。

表6 轻质保温墙板材料热工参数表

在原有方案1的基础上改造后的方案2、方案3外墙保温隔热性能有了很大的提升，方案3的保温隔热性能略强于方案2。

3.3 围护结构各部分组合方案模拟

建筑节能是一个系统性的工程，建筑不同的外围护组合形式会带来不同的节能效果。下面给出屋面、外墙、外窗改造措施的9种不同组合以及模拟节能效果，并与原有厂房（未改造状态）的供冷采暖模拟进行对比。

组合1：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+200厚空心灰砂砖外墙+6mm厚单层玻璃；

组合2：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+内保温灰砂砖外墙+6mm厚单层玻璃；

组合3：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+轻质保温墙板+6mm厚单层玻璃；

组合4：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+200厚空心灰砂砖外墙+（6透明+12空气+6透明）mm隔热铝合金中空玻璃窗；

组合5：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+内保温灰砂砖外墙+（6透明+12空气+6透明）mm隔热铝合金中空玻璃窗；

组合6：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+轻质保温墙板+（6透明+12空气+6透明）mm隔热铝合金中空玻璃窗；

组合7：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+200厚空心灰砂砖外墙+（6Low-E+12氩气+6）mm隔热铝合金Low－E中空玻璃窗；

组合8：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+内保温灰砂砖外墙+（6Low-E+12氩气+6）mm隔热铝合金Low－E中空玻璃窗；

组合9：喷涂保温隔热涂料夹芯板屋面+轻质保温墙板+（6Low-E+12氩气+6）mm隔热铝合金Low－E中空玻璃窗；

各组合通过能耗软件计算结果如表7所示。

表7 9种改造组合供冷采暖能耗模拟结果表

根据《工业建筑节能设计统一标准》（GB 51245-2017）要求计算结果；采暖供冷能耗降低节能率=（设计建筑能耗-基准建筑能耗）/基准建筑能耗×100%

与原本厂房的供冷采暖能耗、累计年负荷对比得出结论，组合9的保温隔热性能最优，与原有厂房相比，能耗降低了20.74%，其次是组合8，与原有厂房相比能耗降低了19.6%，如图4所示。

图4 9种改造组合能耗降低率折线图

4 结束语

通过对案例工业厂房的能耗结构分析发现，经过方案比较选择和能耗模拟分析，围护结构在节能改造后能耗最高可降低20%左右。本项目改造方案在环境保护上有可观的收益，具有可执行性，为其他类似工业厂房的节能改造提供了参考。