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浅谈既有工业建筑绿色节能改造

2019/12/12 阅读:

摘要:既有工业建筑作为城市中的重要一员越来越受到关注。既有工业建筑的改造也对城市发展具有重要的历史文化意义。通过对天津意库产业园的既有工业建筑进行建筑能耗调研,发现天津意库中的既有建筑室内空气流通性差、围护结构热工性能差等问题。结合天津城区气候环境,从绿色发展理念的角度出发,对天津城区既有建筑节能改造提供建筑节能设计策略。利用ECOTECT软件对节能改造前后的建筑进行热工分析,验证该策略的可行性。

关键词:天津城区;既有工业建筑;绿色节能改造

引言

21世纪以来,第二产业逐渐衰退,我国许多城市开始了产业调整,服务业呈明显增长态势。城市中大量企业工厂受城市产业经济的逐渐转型的影响,企业开始迁出,城市中心区域遗留下的数量众多的空置的工业建筑及用地,不仅失去了相应的功能还与周围城市发展格格不入。近年来,既有工业建筑的保护和利用的科学研究及项目实践在我国越来越受到重视[1]。而保护和利用的力度加大对城市更新及发展具有积极的促进作用。通过认知城市既有工业建筑的价值,来加强它们在天津经济、历史、文化及发展中的地位。既有工业建筑的保护、利用与更新的研究方法,已经成为我国现阶段城市发展中亟待解决的新问题。近十年以来我国多个部门发布了,绿色节能设计改造的规范和标准。“十三五”伊始,我国住房与城乡建设部发布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》,更加精准、科学指导我国的绿色节能理念和绿色建筑技术的应用发展。通过党和政府的引领,绿色发展理念已经深入人心,既有工业建筑改造中对于绿色生态节能等技术的需求也日渐增加,越来越受到人民群众的青睐。

1天津既有工业建筑概况

1.1天津地区气候概况

天津位于华北平原北部,北纬39°东经117°,平均海拔3.5m,年平均气温12~15℃,属于温暖带半湿润季风性气候。四季特点显著,春季温和,降雨量小;夏季炎热,降雨量大;秋季清爽,冷暖适中;冬季寒冷,干燥少雪。天津日照时间较长达到2500~2700h。天津太阳能资源较为丰富,年均太阳辐射总量达到4.935×109J/m2。天津是华北平原太阳辐射量较大的城市之一。

1.2意库创意产业园现状调研

意库创意产业园位于天津市红桥区,早年为“天津外贸地毯厂”,还是国际评比上的获得过金奖的品牌。意库园区记载了城市工业历史文化。天津意库产业园于2007年9月开放迎客,是天津市第一家通过既有工业建筑改造而成的新兴创意园区,有着天津“798”的称号。在工业遗产改造的过程中将玻璃、钢材等现代材料跟老旧的厂房建筑进行搭配改造,使老厂房焕发出新的活力(见图2)。意库园区基地面积很大,达3万m2,建筑面积也有2.5万m2,现有16栋保存完好的建国后到上世纪90年代不同类型的工业建筑。天津意库创意产业园既有工业建筑改造后的用途是商业办公。现有主要企业类型为:文化创意、科技、现代服务三类。结合实地调研,意库园区的改造主要分为三方面:一是外围护结构的彩色粉刷,二是各类装饰构件的创意搭配,三是多种个性空间的协调加建。在意库园区的改造中未考虑绿色节能方面的问题,如外维护结构保温、节能构件等,因此,意库园区未达到绿色节能的使用要求。

2天津意库既有建筑现存问题

2.1屋面外墙结构热工性能弱

屋面和外墙的建筑材料、构造方式对建筑室内热环境影响显著[2]。对现存的厂房进行调研如表1所示,屋顶有平屋顶和坡屋顶两种形式。屋面只做一层20mm厚水泥砂浆抹面,无保温层。此种屋面保温,在夏季隔热与冬季保温中会损失大量热量,增加了采暖保温的能量消耗。厂房建筑外墙由普通实心粘土砖砌筑而成,厚度为370mm。虽然建筑外墙较厚但是由于粘土砖热工性能较差,墙面无保温结构,因此工厂外墙没有达到节能标准。

2.2门窗结构能耗大

众所周知,建筑门窗是建筑能耗最多的部位,约占建筑总能耗的50%。工业建筑对采光要求较高,门窗面积较大,在满足通风条件下可适当减少门窗面积[3]。门窗的热交换主要包括玻璃部分的热辐射和热传导、门窗框部位的热传导和门窗缝隙发生的对流换热。意库的厂房建筑大门基本为金属单层玻璃门,窗为塑钢框的单层玻璃窗。尤其是大门为了美观采用了单层玻璃门,门间缝隙较大,增加了热对流,保温隔热效果极差,夏季冬季尤其增加能耗。

2.3通风性较差

意库厂房开窗为纵向细条形窗。夏季通风较差,部分厂房北向没有开窗,而且工业建筑开间大,进深较大,南北通透性较差,夏季时期只能通过风扇或空调设备来降低室内温度,增加了建筑能耗。

3既有工业建筑节能改造措施

3.1改善建筑周围微气候

建筑周边小气候会对建筑能耗产生影响。建筑周围的小气候在一定程度上能够缓解建筑的能源消耗。工业建筑周围应该增加绿地面积,种植草丛、灌木、乔木,形成垂直和水平的绿色空间。在夏季可以形成荫凉,减少太阳曝晒,降低工业建筑周围的温度。如果条件允许,可以在院落中适当种植树冠高大的树木,在炎热的夏季形成自然阴凉减少建筑外墙面被暴晒的时间,延缓室内温度增加而减少空调设备的能耗。

3.2自然通风

为了加强厂房建筑夏季自然通风的效果,可以在建筑内增加若干风通道形成通风烟囱,利用室内外的空气压强差来增加空气的流动性,改善室内环境。

3.3门窗节能

建筑外围护结构中外窗是热量损失最大的构件。例如意库的厂房建筑B6南侧窗原有12个,后人为封闭一个,现有11个,大门两个。目前窗框材质为塑钢窗框,隔热保温性能较差。而断桥铝门窗框具有优良的隔热性能[4],断桥铝门窗框可以阻挡外部热量通过门窗传入到屋内,在很高程度上的保证了屋内温度的稳定,这种门窗在夏季和冬季更能体现出其优势。在夏季炎热时能够维持建筑室内的凉爽,在冬季寒冷时也减少屋内的热量的散失。并且断桥铝门窗的隔声、防水、密闭性都有显著提高。意库的厂房建筑玻璃均为单层玻璃,考虑到保温性能提高,可将单层玻璃更换为双层玻璃。表2为意库工业建筑改造前后窗户的传热系数对比。

3.4墙面节能策略

节能墙体包括单一材料节能墙体和复合节能墙体,对于天津意库的既有工业建筑来说,在砖混结构的基础上,可以使用复合节能墙体。既有工业建筑中砖混结构占有相当大的比例。若要使砖墙的保温隔热性能达到节能的标准,外墙厚度增加并不能有效的提高保温性能,过厚的建筑外墙会减少建筑使用面积。因此建议使用复合节能墙体[5]。墙体外保温、墙体内保温和夹芯保温外墙是复合型保温墙常见的三种形式。对于既有工业建筑夹心保温墙的施工技术操作复杂,不建议采用。外墙外保温具有保护建筑主体不受损坏、可避免“热桥”的影响、增加室内温度的稳定性、可以避免保温层因内部装修而受到的损坏等优点。外墙外保温缺点是:造价高、施工工艺高、对建筑外墙装饰有影响等。总的来说,从施工、材料、效果等方面墙体的外保温具有很大的优势。外墙内保温是指在结构墙内壁增加保温层,表面添加装饰层的做法。外墙内保温具有造价低、施工简单、天气状况对施工进度不产生影响等优点。然而其劣势为建筑使用面积减少、施工时使用者需要搬离房间、相对于外保温容易产生冷桥、不利于室内装修等。而考虑到既有工业建筑外观和园区风格,工厂建筑的外表皮需要保留,因此外墙内保温这种做法适用既有工业建筑的墙面节能策略。

3.5资源能源的利用

3.5.1太阳能资源我国有着丰富的太阳能资源,太阳能资源的优势十分显著。它最大的特点是高效率、可再生。现阶段,太阳能技术应用在生活和生产等方面,已经非常成熟了。太阳能光伏发电系统以太阳能光电板为收集装置,把热能高效率的转化为电能后,可以供人立即使用[6]。通常的做法是在建筑的屋面上布置太阳能光伏装置,如在屋顶铺设太阳能光电板,收集电能供其他设备进行供电运行。

3.5.2水资源我国是一个严重干旱缺水的国家。人均水资源量只有世界平均水平的1/4,而用水量却居世界首位。因此,对水资源的节约利用也是城市既有工业建筑绿色改造的重点方向[7]。水资源的利用一般分为三个方面:一是雨水的收集利用。可以利用屋顶来收集雨水并进行净化处理,进行绿化灌溉和冲洗厕所。二是中水的收集利用。通过对生活废水的收集并经过净化处理,进行绿化灌溉和冲洗厕所。三是改善既有工业厂区的用水设备,采用节水型的卫生器具和设备达到节约用水的目的。

4室内逐时温度对比分析

在ECOTECT中建立天津市意库创意产业园的既有工业建筑厂房B6的三维建筑信息模型。包括屋顶、外墙、窗户、大门、地板等都进行了材质及数据的输入。B6厂房为硬山屋顶,长为52m,宽为12m。南向有两个大门,原有12个条形窗,目前有一个被封死,现存11个。采用天津地区的气象数据,在ECOTECT软件中按照表3分别对节能改造前后厂房建筑模型的热工性能参数进行修改,在工作日,未采用空调设备的计算模拟。分别计算在全年最冷日、最热日节能改造前后意库厂房的室内逐时温度[8]。并根据数据进行下一步分析。

4.1全年最热日室内逐时温度模拟

模拟计算天津地区最热日意库厂房建筑B6节能改造前后室内逐时温度,并绘制成图(见图3)。由图可知,改造后的意库厂房建筑在夏季室内最高温度要低于改造前,改造前室内温度最高为32.5℃,改造后下降为30.8℃。改造前厂房建筑则温度变化大,温度波动明显。改造后温度波动范围趋于平缓,改造效果明显。两者的对比可以看出改造后意库厂房建筑B6的隔热性能得到提升。

4.2全年最冷日室内逐时温度模拟

模拟计算天津地区最冷日民居改造前后室内逐时温度,并绘制成图(见图4)。由图可知,改造后的意库厂房建筑在冬季室内最高温度要高于改造前,改造前室内温度最高为-3.8℃,改造后上升为-2.8℃。改造前厂房建筑则温度变化大,温度波动明显。改造后温度波动范围趋于平缓,改造效果明显,热稳定性得到提升。节能改造后厂房保温性能得到提高,建筑间歇性供暖时室内温度变化小。在保证相同室内热环境的状况下,改造后的工业建筑耗能减少。

5结语

21世纪以来,随着我国经济的快速发展,天津市乃至全国大量城市中存留了大量的既有工业建筑。既有建筑的改造也在全国各地如火如荼的进行。在当今绿色节能发展的理念下,我们对既有工业建筑的绿色节能改造具有十分重要的现实意义。本文对天津市既有工业建筑进行实地调研和数据分析,针对天津既有工业建筑存在的问题提出了改善园区小气候、提高维护结构的保温隔热性能,注重太阳能和水的循环使用等适合天津市既有工业建筑的绿色节能设计策略。为天津市既有工业建筑绿色节能改造设计提供参考依据。对天津市降低既有工业建筑能耗,提高绿色节能水平,促进天津市可持续发展具有重要意义。

参考文献:

[1]石克辉,温雯.基于工业遗产价值的适宜性绿色改造方法[J].北京交通大学学报,2015,39(3):76-81.

[2]李雪峰,王吉栋.既有工业建筑节能改造措施浅析[J].应用能源技术,2010,(5):43-44.

[3]韩芳垣.鸡西矿区旧煤矿工业建筑的节能改造技术[J].工业建筑,2011,41(8):30-33.

[4]建筑技术专业委员会.绿色建筑与建筑技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[5]黄德中,沈吉宝.建筑节能技术综述[J].太阳能学报,2007,28(6):682-688.

[6]张峰.太阳能光伏发电控制系统的研究与实现[D].河北:华北电力大学,2009.

[7]余亚奎.深圳旧工业建筑绿色改造设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[8]赵钦,刘蓬晨,朱轶韵,等.基于热舒适改善的陕南乡村民居被动式建筑设计策略[J].西安理工大学学报,2014,30(3):315-319.

作者:刘歆 王旭 高洁 单位:河北工业大学

浅谈既有工业建筑绿色节能改造

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