夏热冬冷地区纺织工业建筑节能设计探讨

申佳琼

(西南交通大学，四川 成都 610000)

1 概述

“绿色、健康、低碳、智慧”已成为当下时代主题，绿色居住建筑和公共建筑方面的低碳节能技术已经相对成熟，从而绿色工业建筑也得到了一定推广发展。工业建筑作为能耗大头，废气、废渣、废水排放量巨大，严重影响人们生活质量和建设资源节约型、友好环境型社会，因此绿色工业建筑推广和发展已经是当下工业建筑行业的趋向。2008年4月1日，《节能法》经实施修改后，明确将节约资源作为中国的一项基本国策。纺织行业作为传统工业，其后期运行能耗使用巨大，维修费用多，在国民经济中占据了重要地位，解决了部分劳动就业问题。

2 纺织工业建筑能耗分析

纺织工业建筑在建成后期运行使用中产生的能耗主要包括电量使用情况、天然气的使用。电量使用包含了生产用电和辅助生产用电。生产用电主要指在生产过程中设备运行所产生的电量。辅助生产用电则主要指的是照明系统、空调系统、室内通风系统和其他等。天然气的使用用于纺织厂锅炉运作，我国寒冷地区一般采用煤炭进行集中供暖。

纺织工业建筑的室内温湿度要求，依据GB/T 50481—2019棉纺织工厂设计标准进行参考设计，其厂房室内温湿度常年处于高温高湿,根据产品生产工艺流程，各工序温湿度要求如表1所示。

表1 纯棉纺织车间温湿度表

由表1可知，各部分车间的冬季和夏季的温湿度都维持在一个相对稳定状态，而如何保证温湿度的相对稳定状态，空调系统、新风换气系统、除尘系统等的使用也就成了建筑后期产生能耗的大头。当建筑本身未做好冬季保温、夏季隔热、自然采光、自然通风等方面，那么后期的一个耗电量则更加加大，造成资源浪费，同时增加企业成本。

3 夏热冬冷地区气候特征

按照《民用热工设计规范》将我国分成了5个各具特征的气候分区，分别为：温和地区、夏热冬暖地区、夏热冬冷地区、寒冷地区、严寒地区。夏热冬冷地区整体大气热环境特征可从温度、湿度、风速等方面进行分析。

夏热冬冷地区极端高温现象是其最显著的特征，大部分地区最高气温都有可能超过40 ℃，极端最高气温甚至有可能超过42 ℃。由于地球自转，纬度低，使得夏季辐射强烈，与世界同纬度相比的情况下，温度一般要高2.0 ℃左右，且成了除沙漠干旱外最炎热地区。该地区的另外一个显著特征是冬季寒冷，与世界其他同纬度地区相比，其1月份的温度低8 ℃～10 ℃左右。夏热冬冷地区常年潮湿，夏季的平均相对湿度75%，加上夏季高温，使得人体热舒适极差，倍感闷热。而冬季相对湿度也不低，容易感到阴冷潮湿。夏热冬冷地区白天风速大，室外气温高，开窗进行自然通风，无疑使得室外热风吹入室内，导致室内气温上升，影响室内热环境。夏季静风天多，夜间静风频率高，风速小，白天积蓄的热量多，室内难以散发，高温不下，室内热环境难以得到有效改善。

4 节能设计策略

4.1 建筑规划设计

4.1.1 规划布局

纺织厂由于其噪声巨大，设备在一天中长时间运转，选址应远离住宅小区和办公楼，以免影响他人的正常休息和工作。建筑群体组团形式包括平面和空间，可综合这两种组团形式对建筑做出较为合理的规划布局设计。平面形式包括行列式、错列式、斜列式、周边式、自由式。行列式是目前较多的工业厂房所采取的方式，既可满足日照需求，也有利于营造良好的通风环境。除此之外，错列式和斜列式有利于建筑的通风。自由式结合周围地形地貌进行平面不同类型组合，不经济节能，不宜采用。周边式适用于冬季寒冷地区，对于夏热冬冷地区来说，也不宜采用。

建筑总是高低错落，所以空间形式的设计整体规划上，需考虑其中各建筑物高低和间距之间的空间关系。前高后低布局形式，造成前方高建筑对后面低建筑形成了遮挡，当风迎面吹向高建筑，会形成较大旋涡区，低建筑则会风环境变差现象。当建筑呈现前低后高的形式，在前方低建筑之间出现旋涡区，引起风速增大和改变风向，吹起地面污染物，造成空气质量变差。可在后方高建筑下面设置开口，形成风槽，改善周边空气环境质量。

4.1.2 周围绿化环境

适当的绿化环境设计，植被的栽种，可使得纺织厂内的热环境得到改善，以此来降低空调制冷、通风换等设备耗电量。绿化环境的原因主要有以下几点：植被吸收热量，可通过自身的光合作用和蒸腾作用；植被可以引导风向；植被可经过光合作用吸收建筑排出的废气。

4.2 建筑设计

4.2.1 平面功能布局

纺织厂的平面功能布局应满足工艺生产流程的便捷性，纺织厂的整个工艺流程包括纺纱工艺和织造工艺，车间分布布局应按照每个工艺流程的环境控制要求和连贯性进行整体划分再布局。总平面图设计上，首先将生产工作车间、储货仓、办公楼、锅炉房、机械零配库等位置布局需合理，以此缩短货物运距，达到减少人员劳动力、动力能源浪费。

4.2.2 建筑朝向

建筑朝向与室内采光、室内通风、太阳辐射得热息息相关。结合厂房的使用性质，宜尽量使厂房在冬季获得更多的太阳辐射吸收，在夏季减少太阳辐射吸收。东朝向采光时间短，通风效果差。东南朝向采光好，通风效果不佳，容易发生潮湿现象。南朝向阳光充足，采光、通风好。西朝向采光时间短，且午后暴晒严重。北朝向采光差。我国的传统建筑采用形式多为坐北朝南，纵观现代建筑中，建筑最佳朝向也以南或者南偏东，可有效避免建筑外立面墙体东、西晒。

4.2.3 建筑体型系数控制

一般情况下，在纺织工业建筑设计中，严格合理控制建筑体型系数，对建筑节能具有重要意义。建筑体型大小可直接影响建筑采暖和空调耗电量，进一步影响厂房的室内热环境。建筑体形系数(S)是指建筑物与室外大气接触的外表面积(F)(不包括地面、不采暖楼梯间隔墙和户门的面积)与其所包围的体积(V)的比值，即：S=F/V。

4.3 围护结构热工设计

4.3.1 设计依据

在进行围护结构热工设计时，围护结构的设计依据夏热冬冷地区的设计标准，对墙体、屋面、外窗的传热系数应控制在此范围内。夏热冬冷地区围护结构传热系数见表2。

表2 夏热冬冷地区围护结构传热系数和太阳得热系数限值

4.3.2 墙体

墙体作为建筑主要外围护结构，其传热阻大小、热量的传入和传出，不同朝向的太阳热辐射作用于墙体表面，使得通过墙体传热到室内的多少具有密切关系。针对夏热冬冷地区纺织工业建筑墙体的热工设计，应基于室内高温高湿环境，考虑保温、隔热、防结露一体化设计。墙体应具备一定的保温性能，在设计中，根据材料和构造不同，采取不同方式，围护结构的热稳定较好，则传热系数可大些；若不好，则应减少传热系数。保温层应设在结构外层，可采用外保温形式，避免墙体冷凝现象发生，延长建筑使用寿命。隔热设计时，应当考虑东西墙太阳辐射、设置通风间层、采用浅色饰面装饰或涂刷外墙面。

4.3.3 屋面

屋面作为重要围护结构，处于纺织厂最表面层和最上层。夏热冬冷地区，需考虑保温隔热，冬季减少室内热量通过作用于屋顶流失，夏季减少室外向屋顶的传热。纺织厂的屋面设计包括主车间工作区屋面和辅助用房屋面。屋顶构造层次和材料的选用，应综合考量，选出合理方案进行屋顶热工设计。倒置式保温屋面具有保温性能好的优点，将防水层设置在保温层的下面，基于难进易出原则，可有效解决屋面的内部冷凝。一般屋顶隔热构造可采用自身隔热、通风隔热、蓄水隔热、种植隔热、反射隔热等方式。而对于纺织厂这样的工业厂房来说，尽量采用自隔热和反射隔热相结合。蓄水和种植屋面荷载过大，后期维修麻烦，不宜采用。

4.3.4 地面

冬季的地下土壤温度要低于室内的空气温度，由于地面所占面积大，若不做保温处理，则会有大部分的室内热量传入到地下，导致室内气温下降，增加空调采暖或者集中供暖的能耗输出，造成能源浪费。纺织厂室内温湿度环境要求高，所以必须对地面做保温处理，特别是采暖房间。大部分以前的纺织厂和其他建筑的地面未曾考虑到地面保温，常见的地面做法有水泥砂浆地面、水磨石地面、轻骨料混凝土垫层水泥砂浆地面、塑料地面，使得热量从地面传入土壤多，室内温度易下降。对于地面的保温方式有细石混凝土、地砖、木地板、地砖面层底板保温。

纺织厂由于有大量重型设备需要排布放置，故在选择地面时，应采用细石混凝土类，保证地面长期不受损稳定性。地表层材料应具有一定吸湿作用，能充分吸收地表产生的凝结水。地面应减少通过地面向土壤传热，应自身具有一定热阻。地面的表层材料应不具蓄热性，使表面温度随着室内空气温度上升而上升。

4.3.5 门窗

门窗是建筑围护结构最薄弱的一块，建筑能耗最大的部分，门窗的保温隔热应一体化考虑，传热系数和隔热系数控制在最佳范围内。就纺织厂而言，室内特殊高温高湿环境和高噪声环境，对门窗节能要求应更加严格，包括门窗材料的型号选用、门窗框材料型号选用、门窗开口大小等。可选用塑钢型门窗或者断热桥铝合金门窗，玻璃采用双层的中空Low-E玻璃。门窗的开口大小和尺寸不宜过大，门窗的缝隙做好密封处理，减少冬季冷风渗透，做好保温措施。

4.3.6 遮阳技术

外立面的遮阳可设置遮阳构件或者采用绿化遮阳，种植爬藤等植物，进行光合作用，减少墙体室外传热。建筑窗口的遮阳形式包括固定式外遮阳、可调式外遮阳、玻璃遮阳。可调式外遮阳灵活度高，适用于任何朝向窗口。可根据室内环境需求和外界环境进行随意调节，不受限制。玻璃自遮阳能阻断部分阳光进入室内，体现自身遮阳性能，常见的有吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃。

5 可再生资源的利用

5.1 厂房内余热回收处理

纺织厂的空调系统使用能耗占比大，尤其细纱车间特殊性，细纱车间设备集中放置，运转快，导致温度高，余热过多，合理回收其余热和浆纱房有效散热处理，对于纺织行业的节能减排具有重要意义。刘恩海,孙昆峰等[8]针对细纱车间余热、浆纱房散热方面的余热集中回收利用，进行了技术性研究。细纱车间、浆纱房以及前纺车间三者之间如何实现热量转换方面，研究得出：一种是将热管技术使用在浆纱房内的高温气体热量回收系统，首先在浆纱房内布置吸热端面，在空调室内设置放热端面，然后再经过空调室，最后将处理后的热量送入至前纺车间。另外一种是采用反气流吹风移动带式新型除尘技术实现空调室回风的过滤除尘，该方式的使用先是让棉絮、纤维、粉尘下沉至地上，然后地板沟槽末端风机进行喷雾处理，最后再聚集到一起排出。

5.2 空调节水

根据纺织厂各流程特殊性，空调循环水系统的设置分成了两类：空调循环水系统和冷冻循环水系统。

空调循环水系统可用在清花、梳棉、络筒等车间空调室调控。在空调室内设置间接蒸发冷却装置，对进回风进行预冷，减少机械制冷负荷，增加送风温差，大幅降低人工制冷量。空调室内设置前置式加湿系统，可有效实现纺织车间节能加湿。利用前置式喷雾加湿装置的高效雾化功能，在加湿降温区让空气达到饱和状态，再将饱和空气通过风机传送至车间，达到加湿降温目的。

冷冻循环水系统可用于车间机器运行发热量大的细纱、精并粗车间，只靠循环水喷淋或间接蒸发冷却装置是不能满足车间的温湿度要求的，所以必须空调室冷却水改用人工制冷。

5.3 人工节水

人工节水可将升温后的水首先流送至制冷机，待水冷却后再进行循环反复多次使用，形成封闭的水循环系统，使水的重复使用率可达到90%以上。人工节水系统包括冷冻水系统和冷却水系统。

冷冻水系统的正常运行：第一，必须具备人工冷源，建立冷冻站，春、秋、冬季节可直接利用空调循环水系统排除热量，夏季开启冷冻机散发空调系统产生的热量。第二，增设自动水过滤装置，防止由于车间棉絮、粉尘造成除尘后水脏和喷淋系统喷嘴堵塞。第三，敷设供回水管道500 m，用于空调冷冻回水及冷冻供水。

冷却水系统，为了降低运行成本和冷却塔装置。可选择就近的水源，经过滤处理后输送至制冷机，再经过热湿交换后回流到水源地。

6 结语

为了进一步推进和响应“绿色、健康、低碳、智慧”主题，本文针对夏热冬冷地区的纺织工业建筑，从建筑规划空间组图布局和绿化设计、建筑朝向和体形系数设计、厂房围护结构热工设计以及后期使用的可再生能源的再利用方面提出了相应的节能优化策略。尽量达到和实现纺织工业建筑的低能耗，节约资源，避免能源浪费。