化工项目的建设地点, 基本都在偏远边陲地区, 自然环境恶劣, 气候条件严酷, 且远离该地区的行政中心。设计人员获取的该地区第一手气象资料, 往往为该地区气象台站的官方资料, 其气象数据采集点均在行政中心, 距项目建设地点较远;在某些地区, 例如新疆、青海、内蒙古等地, 有时两地相距达百公里以上, 外加海拔、地形、风向、地表等因素, 使用官方气象资料中的参数便失去了准确性 (个别案例两地间温差可达5℃以上) 。建议设计人员根据现场的实际情况, 对设计参数进行合理分析, 谨慎选用, 适当调整。
在供暖设计中, 常用热媒为蒸汽和热水。蒸汽系统相对稳定性较差, 出于环保及节能的需要, 其凝结水回收较困难, 有些情况下, 高温冷凝水直接进行散点排放, 能源浪费严重。基于上述问题, 蒸汽热媒已逐渐被淘汰。热水系统的稳定性较好, 运行中可以进行较为精准的量调节, 与蒸汽热媒相比可明显节约能源, 建议热水为首选采暖热媒, 只在条件有限, 技术论证合理, 经济分析适宜时, 才可选用蒸汽热媒。因此在设计中, 热媒应采用热水, 常规生产装置中优先选用110/70℃热水, 防爆建筑及辅助民用建筑等选用95/70℃热水。
一般认为, 供热管网同程式布置各环路长短接近, 较易达到水力平衡。通过对同程式和异程式两种系统的水力特性的理论分析及大量工程实践, 表明同程式系统水力稳定性不如异程式系统 (特别是中间支环路) , 调节不易, 经济性差。考虑到经济性原则及检修方便, 实际设计中, 室外供热系统管网一般设计为异程式枝状管网, 室内供热系统管道设计为同程式;而对于异程式各环路远近不一致造成的不平衡问题, 可在设计时适当加大靠近末端干管管径来解决。
供热管网的敷设有架空敷设、地沟敷设和直埋敷设三种形式。在化工工程中, 因各种管道较多, 为了方便施工及检修, 节约建设成本, 供热管道架空敷设的情况较为常见, 但其由于热损失大而并不为首选;直埋敷设由于施工快、投资少而被广泛采用, 但其敷设维修时需挖开地面, 严寒地区由于冻土较深, 此项工作很不方便。所以从运行管理方面考虑, 主干管宜采取半通行或通行地沟敷设较好, 通往各单体建筑的支管应尽量采用直埋敷设。
由于室外供热管网的复杂性, 集中供热系统中, 建筑物热力入口设置静态平衡阀是解决树立失调的有效措施。静态平衡阀作用在于消除环路剩余压头、限定环路设计工况的水流量。因此, 在各热力入口处的供回水管道之间均应设置静态平衡阀, 保证各用热点水力平衡, 节约能源, 保证供热质量。在设计水系统时, 先进行管网各支路的水力平衡计算, 然后根据计算数据合理地选择平衡阀的规格。关于是否设置动态平衡阀, 如自力式流量控制阀、自立式压差控制阀等, 应根据室外管网的水力平衡要求和建筑物内供暖系统制式以及所采取的条件方式决定。笔者发现在很多设计文件中, 直接引用图集中“自立式流量控制阀 (带热量表) 供暖入口装置”或“自立式压差控制阀 (带热量表) 供暖入口装置”作为入口装置, 而不进行是否需要设置动态平衡阀的计算, 这种做法可能达不到既定的平衡调节效果, 反而会增大系统阻力, 使运行效率大大降低。
热网系统的动态多变性决定了阀门调节的有限性。实践证明, 在设计阶段合理划分并均匀布置环路, 相对减少管网干管的压降, 或相对增大用户系统压降, 是提高供暖管网水力稳定性的主要方法。
在供暖设计中, 很多设计人员有个误区, 认为“系统比摩阻越小越好, 对于整个系统 (包含末端设备) 尽可能采用较小的比摩阻, 例如按不大于60Pa/m计, 这样系统的阻力就会很低, 且有利于水力的平衡”。这种想法有一定的片面性, 实际上对于管路比摩阻的确定, 主干线各管段比摩阻应根据经济比摩阻范围来确定, 而分支管路的比摩阻则是根据各分支管段起点和终点间的压力降来确定。系统阻力越大的供暖外网, 越不易产生水力平衡失调的情况。反之, 末端系统的比摩阻选取过小, 管径相对较大, 会造成管道中水流速过慢, 在严寒地区, 尤其是在严寒A区, 由于冷辐射及室内外温差、压差较大造成的冷空气渗入, 靠近外墙、外门、外窗等部位的管道将极易产生冻结现象。
在化工项目中, 对散热器的防腐措施应给予足够的重视, 将散热器的材质与供热热源的具体情况进行分析比对, 选用合适的散热器类型。考虑到成本造价、使用寿命、本体强度以及检修方便等, 工厂内宜采用钢制散热器。有些设计在厂内辅助民用建筑的卫生间设置钢制卫浴型散热器, 而在其它房间设置铝制散热器, 此做法较为不妥, 同一系统中, 由于钢、铝两种金属的电位不同而产生电化学腐蚀, 此时将加速铝制散热器的电化学腐蚀。
散热器的布置应考虑到日后业主的方便与有效使用, 在严寒地区, 散热器的布置上应首选布置在外窗下, 其主要作用有两点:一是节约占地, 不影响厂房内其他设备及管路的综合布置, 二是在严寒地区应优先考虑将冷风渗透处的空气迅速加热, 避免冷风急剧压入, 冻结厂房内的靠窗、墙等处的设备及管道。由于化工建筑上下贯通的情况比较多, 存在空气热浮现象, 造成建筑物底层温度偏低, 所以散热器宜较多地布置在底层。很多化工车间内粉尘污染较严重, 宜选择适合清扫擦拭的光面管散热器。
化工项目中, 很多主体生产厂房的空间巨大, 若单纯使用散热器采暖, 其作用半径和使用效果都将大打折扣, 实测温度场不均匀, 笔者建议在较大空间的车间内采用散热器和暖风机相结合的联合供暖方式, 即设置散热器值班采暖, 车间维持5℃的值班采暖温度, 工作时再由暖风机把室温提高到需要温度。由于车间大门经常开启, 冷风侵入量较大, 常造成底层大门附近空气温度较低, 宜在大门处安装热水型空气幕。当采用散热器和暖风机、空气幕等联合供暖, 系统应在入口处分开, 暖风机和空气幕为一个系统, 散热器单独一个系统;当生产建筑有多层, 且每层净空均较高时, 若使用单管供暖系统, 宜在5层以上车间采用分层系统的供暖方式, 或在最上面2-3层立管处采用增设跨越管的方式, 其做法的优势是防止垂直方向水力失调, 而且增加底层散热器的进水温度, 使其加热渗入的冷空气效果更好, 防止管道冻结。
[摘要] 新疆XXX位于严寒地区，冬季寒冷，冰冻时间长，火电工程施工困难。本文根据北疆地区冬季的气候特点，总结了严寒气候条件下火电发电厂施工各专业需要采取的技术措施。
新疆XX电厂四期工程地处新疆XXX市。根据本工程施工工期的要求，有一部分施工任务必须在冬季施工完成。由于本期工程地处北疆，冬季时间较长，每年10月中旬左右，随时都有可能有寒流入侵，造成气温急剧下降。因此冬季施工准备措施应提早准备，提早预防，确保施工进度、施工质量及人员、设备不受到影响和损害，当最低温度连续三天低于5度时，即转入冬季施工。XXX市冬季施工时间一般为每年10月15日到次年3月31日。以下是水文气象概况：
7.3-36.8 累年最冷月平均气温：-15.3(1月)（2）累年最大积雪深度：
首先应有切实可行的冬季施工措施（以下简称施工措施）和冬季预防设备受损及人员冻伤措施（以下简称预防措施），这要求各专业在编制作业指导书时，其内容必须要有可靠的施工措施和预防措施。如有必要，应针对主要设备和关键施工过程制订专门的施工措施和预防措施，如锅炉水压后保养防护措施。
1.1在冬季施工到来之前，应组织有关施工人员学习施工措施和预防措施，并制订严格的冬季施工管理制度，严格执行有关冬季施工的规程、规范及制订的施工措施和预防措施，确保人、机、物、料顺利过冬，确保工程质量及工程进度不受影响。
1.2进入冬季施工前，应根据已制订好的施工措施和预防措施，做好材料计划，物资部门应根据计划，确实做好所需物资的供应工作，包括保温材料、防冻、防寒、防滑、取暖物资及搭设相关设施所需的材料。
1.3严格审核图纸及各类技术资料，确定施工过程对施工环境、温度的要求，对不符合要求的项目应采取有效措施，做过施工准备工作，待环境温度满足后，再行施工。对不同部位的设备、材料和施工，要有针对性的制订施工和预防措施。
1.4应及时与有关部门联系，了解气温变化情况，要有每日天气预报、每周天气预报及每月天气变化趋势预报。
1.5进入冬季施工前，应先摸清施工范围内的施工过程、设备、管道等情况，定点、定人负责，制定措施，组织实施。
1.6在施工中为了提高环境温度，必须要有热源，根据现场实际情况，常用手段所采用的热源有以下三种：
1)采用明火。在现场制作一定数量和规格的火炉当热源，此办法适用于空间大且通风较好或无法使用后两种办法的环境。考虑到减少对环境的污染，应采用焦炭生火。派专人负责看管，并在周围设置一定的消防设施，防止发生煤气中毒及火灾事故。
2)采用电加热。利用电炉、电暖气、电加热器等来提高环境温度，此办法适用于空间小，引电源方便且对环境要求高的施工范围内。在使用过程中应注意漏电及线路老化，应安排专业人员接线，并定期检查，防止漏电伤害人员及设备。
3)采用蒸汽加热。从老厂引出一趟蒸汽管线已到施工区域。在需要的地方加装一定的散热器，以提高环境温度，此办法适用于空间大且环境封闭较好的场所。采用此办法，管线及放水点应合理布置，管线安装质量应达到要求，并定期派人巡视。1.7在施工现场可根据具体情况，搭设一定的防护设施及暖棚，其材料宜采用保温、隔热性能好，且应有一定的阻燃性。
1.8对于突发事件（如停电、停汽），不但要制定好相应的应急预防措施，而且要做好一定的物资储备。冬季施工采取主要措施
2.1在现场各主要施工点及重要设备旁悬挂温度计，在其他部位合理布置一定的监测点，派人定要巡视、记录，对于损坏的温度计要及时更换。
2.2及时了解气温变化趋势，随时有针对性的对施工措施和预防措施做出相应的调整。2.3对于重点部位，安排专人定时巡视，做好检查、维修、记录工作，发现异常情况应及时上报处理。
2.4在施工中，施工人员应穿着统一发放的冬季劳保防护用品，对有特殊要求的工种，应根据具体情况，配备相应的冬季劳保防护用品。冬季施工中,进入施工现场的施工人员要穿棉衣、棉裤、棉鞋、戴棉手套和棉安全帽，不能用手直接触摸铁器。
2.5在施工中，用电、用火、用蒸汽取暖，应办理相应的用电、用蒸汽、动火手续，并要有专人管理，严禁未经批准擅自用电、用火、用蒸汽取暖加热。
2.6对施工中的机械应派专业人员进行维护、保养，并及时更换符合要求的冬季油料，进行入冬前的维护保养，经常性的补充防冻液，确保施工过程中的机械正常使用。2.7对各类气、汽、油、水管道应做好相应保护、保温工作，对于有需要的可与业主/监理单位协商后加装临时伴热管线对于生活取暖，应有防止煤气中毒和防止火灾事故发生的措施，并定时对生活取暖设施进行检查，对检查出的问题应及时整改并落实整改后的效果，保证施工人员人身安全。2.9对于消防设施，派专人对消防设施进行检查，做好防冻、保温措施，确保其可靠性。2.10对于施工时间也可以根据现场施工实际情况进行调整，尽量在环境温度较高的情况下进行施工作业。2.11对于到现场的设备，在厂家进行过水压试验的应对其内部进行吹扫，尽可能减少设备内的积水及其他容易受冻的介质，然后采取一定的保温措施，必要时可在设备周围搭设暖棚。增加热源，以提高设备周围环境温度。
2.12对于设备内的油及其他有防冻要求的介质，应根据技术文件规定和规程规范要求，使其周围环境温度达到要求，根据设备的要求不同，采用不同的热源。
2.13对于在高空作业，应采取有效的防滑措施，由于初入冬季，降雨雪频繁，空气湿度大，在高处容易形成较滑的薄冰层，为了保证人身安全，可采用以下方法：
1)在施工人员活动区域内，提高周围环境温度，使薄冰层融化，并使水分蒸发干净。2)在施工人员活动区域内，铺设毛毡等增大摩擦力的东西，并固定可靠，使其不宜滑动，方便施工人员同行。
2.14对于环境温度有要求的电气、热控仪表设备及电缆等，在存放中应使其环境温度达到要求，可放置在库房内或其他已封闭的环境中，采用暖气包（即汽加热）来提高环境温度，对于确实无法采用蒸汽加热的，可采用火或电加热来提高环境温度，但必须要有切实可行的隔离措施及消防措施。
2.15对于设备材质对环境有最高或最低要求时，除采用加热外，还应对设备进行一定的保温措施，以满足施工需要。
2.16冬季天气干燥，易引起火灾,因此施工现场动火时要格外注意防火,施工必须开动火操作票，现场备有充足干粉灭火器，并及时消除施工中存在的火灾隐患。3锅炉专业冬季施工措施
3.1 现场通道以及脚手架、平台、走道应及时清除积水、霜雪，并采取可靠的防滑措施； 3.2个人防护物品如防滑棉鞋、棉安全帽、棉衣等要齐备并正确使用； 3.3雾、霜、雪及六级以上大风等恶劣天气，严禁露天高处作业； 3.4施工现场严禁明火取暖，以防失火；
3.6电动扭矩扳手在环境低于-10℃时，扳手扭矩会发生变化，应及时进行校验及调整，确保施工扭矩在规定范围内；
3.8对于锅炉本体或其他在现场需进行或已进行水压试验的系统，冬季施工和防护，应采取以下措施：
1)锅炉本体及其他系统周围已封闭，首先应先确认其系统内的积水应尽量排净，打开排污、疏水门，利用压缩空气进行吹扫，尽可能减水系统内积水的存量。另一方面尽量提高封闭环境中的温度，使其不低于规定要求温度，这样还可以保证其封闭环境内其它项目的施工。
2)锅炉本体及其他系统周围未封闭，可采用对存有积水的部位进行局部加热，以提高积水设备周围环境温度。如锅炉本体高、低过及屏过内的积水无法排出，可在锅炉底部放置若干火炉，加热的空气通过锅炉排渣口进入炉炉膛内，保证带水设备所处环境温度达到规定要求。另一方面也可采用蒸汽加热，在炉膛内布置一定数量的散热器保证其温度符合要求。对于采用蒸汽加热，考虑到有可能发生停汽，还应在锅炉底部放置一定数量火炉作为备用。
3)水压试验结束后，立即开始进行连续不间断的保温工作，直至锅炉本体保温完毕。3.9对于必须在冬季进行水压试验的系统除应采取以上预防措施外，在水压过程中还应注意以下几点：
1)水压试验用水温度既不能过高，也不能过低。温度过高，设备内外温差大，容易对设备造成损伤。由于水压试验时间较长，温度过低，设备内的水易冻结。
2)上水时间不能过长，由于外部环境温度较低，上水时间过长容易使水温降低。系统上水的过程中，水温较低时应采取有效的加热措施。3)在水压期间应采取必要的预防措施，在上水和升压初期，加热设施应处于工作状态。在水压试验中期至超压试验时，应撤除加热设施，待水压试验结束后即刻投入使用。4)放水时，应注意水温与环境温度的温差，进行锅炉系统排水工作。4汽机专业冬季施工措施
4.1 汽机房内设备比较多，特别是汽轮机、发电机安装对环境温度要求高，在冬季汽机房施工环境温度应达到 5℃以上。
4.3发电机定子、转子风压时，应充入干燥、清洁的压缩气体，防止线圈内部受潮，破坏绝缘。
4.5设备、系统分部试运，要保证室内温度。在最低点加装放水管，试验完毕，将系统内的水放尽并吹扫干净，特别是泵内、阀门内的积水。
4.6临时取暖设施应布局合理，能保证汽机房温度适合汽轮发电机的安装工作。4.7对泵类润滑油脂定期检查，防止受冻。5电气热工专业冬季施工措施
西北地区进入冬季，寒冷时间较长、气温低。热工专业必须充分利用冬季施工阶段，完成施工任务。为确保设备及人身安全，提高施工质量和保证施工进度，采取切实有效的冬季施工措施是尤为重要。5.1热工电缆敷设措施
2)根据现场的实际情况，控制电缆及计算机电缆的电缆轴,运至厂房0米比较平坦的地方，在室外要搭设苫布棚, 苫布棚内安装数个暖风机（2000W）对电缆进行加热, 加热时应设专人监护，并在棚内放置温度计进行监测，加热温度应达到5℃以上，并保持2天后方可进行电缆敷设。3)在集控楼、汽机房、锅炉房及附属车间内增设采暖设备，确保电缆敷设环境温度在5℃以上，满足电缆敷设的整个施工过程。
4)电缆轴运输装卸必须用汽车、吊车或插车，且轻拿轻放。严禁推、砸、碰电缆。5.2汽水仪表管的伴热
冬季安装调试阶段，汽水仪表管路在不用时尽量把管路内的水放掉,当不具备条件时，以下仪表管的伴热措施必须完成。
2)电伴热电缆从主设备取样处（留有一米余量）开始敷设，按施工图纸环绕仪表管路缠绕或S形两侧缠绕，固定绑扎好，接至保温箱，设备取样处的终端接终端接线)汽水仪表管路的一次门、二次门、三通阀组、排污门及排污管是伴热的关键部位，故伴热电缆采取W或M形两侧缠绕敷设。
4)敷设、接线完毕后，接通电源，检查伴热电缆散热情况，工作正常后按隐蔽工程验收，验收合格后，仪表管再用石棉卷壳保温材料缠绕一层，外加铝皮作壳。（按保温规范执行）
5)保温箱内部，必须有热源和温控装置。伴热电缆随仪表管进入保温箱，留有一定余量后截断。接至保温箱控制电源，伴热电缆屏蔽层接至接地端子。6焊接专业冬季施工措施
本工程主要钢种有：20G、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10CrMo910。四大管道用钢为12Cr1MoV和20G，主蒸汽管道和热段采用12Cr1MoV，冷段和给水管道为20G。各类钢材施焊前应注意满足焊接技术规程中最低环境温度的要求。焊接时允许的最低环境温度如下：A-Ⅰ类为-10℃（本工程属于此类的钢材有Q235，20，20G，SA210C，SA106B，ST45.8）；A-Ⅱ、A-Ⅲ、B-Ⅰ类为0℃（本工程属于此类的钢材有20MnMo，15CrMo，12Cr1MoV，10CrMo910）；B-Ⅱ、B-Ⅲ类为5℃（本工程属于此类的钢材有12Cr2MoWVTiB）；如果自然环境温度不满足以上的要求，应在焊接施工现场采取措施局部加热取暖，有效提高环境温度。
6.2锅炉部分施工时炉本体尚未完全封闭，而炉本体高压焊口数量较多，均采用全氩弧焊或氩弧焊打底工艺。因此，必须采取封闭措施，用苫布将施工部位全部密封，以达到挡风、防雪、保温的效果。
6.3当施焊时的环境温度低于各种钢材允许施焊的环境温度时，对待焊件采取有效的预热措施。
6.4焊件在0℃以下施焊时，散热较快，宜应采取相应的预热措施。预热使用的设备，预热温度及范围将根据焊件的材质及规格在《焊接技术措施》及《施工工艺卡》中进行详细说明。
6.5焊完的合金焊口如不能马上进行热处理，需将焊口用保温材料包好，使之缓冷；部分钢材应进行后热处理）。
6.6热处理的焊口严格执行《热处理技术措施》要求。处理完毕的焊口不要马上将加热片（器）拆除。待焊口冷却至室温后再拆除加热片（器）。
6.7冬季气候干燥、风大，焊工在现场进行作业时，应在焊前认真清理周围易燃物，有电缆线的地方注意用石棉布遮盖，高空作业时，有专人监护，并在作业区附近准备一定量的消防器材，防止火灾发生。
6.8焊条库除了作好冬季防火工作外，还必须作好库房的保温工作，保证库房内的温度大于5℃。
6.9在有焊接作业的施工环境中，应首先进行试焊，并制定相关的工艺，经检验符合要求后，方可进行正式施焊。在焊接前应搭设暖棚，其热源可根据周边环境，采用其中的一种或多种手段来提高施焊的周边环境温度。在施工过程中，根据材质不同和厚度不同，按要求进行预热和热处理，在焊前和焊后应及时对焊口进行处理。在施焊结束后，不应立即拆除暖棚。应在其温度缓冷下来，达到要求温度后再进行拆除。对于施焊完毕的焊口应按规范要求，立即进行外部检验、无损检测。及时提供检测结果，对于有质量问题的焊口，应及时查明原因，确因环境影响的，应重新制定切实可行的施焊措施和有关预防措施。
冬季施工，气温严寒，当气温低于零下20°C时对于大型起重机械结构和转动部分影响较大，应重视大型起重机械在冬季施工的安全管理，要更换冬季用油，保证大型起重机械正常运行。7.1用油标准：
大型施工机械使用的各种润滑油和冷却液，根据新疆石河子地区冬季气温，全部更换冬季施工用油和冷却液。具体为：龙门吊：各减速箱润滑油使用GL-5齿轮油，并适当兑加5W-40机油。履带吊：使用牌号为5W-40机油，冷却水箱100%使用最低温度-45°C的防冻液，液压油使用经询问厂家，使用46号抗磨液压油。发动机燃油根据气温的变化，及时调整高标号，液压吊车（包括汽车吊、履带吊）在室外温度达到零下20°C后燃油要采用－35＃柴油，柴油机油采用CD级SAE10W/30（严寒宜采用CD级SAE5W/30）。履带吊还应特别检查蓄电池是否老化，连接桩头是否腐蚀，是否连接牢固。保持电解液的液面高度，保持足电状态。如有必要更换，使用干式荷电铅酸蓄电池。7.2防护措施：
1)电动吊车在气温过低时，可采用电褥保温方法，对油箱、油缸进行保温。但必须注意用电安全，防止漏电、触电事故发生。
2)液压吊车可采用24V电褥子、防寒毡、棉被保温方法，对油箱、油缸等进行保温。或者采用先进的电加热设备对油、水进行加热。
苏宁置业已在全国建设60多个物流基地，总仓库面积已达450多万m2，严寒地区（沈阳、长春、哈尔滨等地）物流项目仓库天沟内漏、雨水立管冻裂、月台结冰等问题一直困扰着仓库的日常使用，对仓库的作业形成较大影响。经对严寒地区同类仓库的雨水排放方式进行考察分析，并分别对哈尔滨、沈阳、长春等物流基地进行天沟、雨水立管甚至月台进行了改造，现结合考察成果与改造经验，对严寒地区物流仓库屋面雨水排放设计提几点改进意见：
采用内置月台的优点：雨排水系统位于作业区域之外，外挂天沟是处于仓库整体最外缘，作业区域与天沟之间有仓库的外墙阻隔，做好天沟与屋面、天沟与外墙、外墙的搭接等工作后就能有效防止雨雪水侵入仓库内部。
天沟与屋面、墙面的连接方式直接关系到雨雪水能否侵入室内。见下面两图天沟做法：
上图一为已建哈尔滨、长春、沈阳等物流基地屋面天沟做法，下图二为新的屋面天沟做法：
通过上面两图的比较可以看出，下图二的天沟外檐比屋面檐口低，一旦天沟内的雨雪水位上升，超过天沟外檐时会直接溢流出去，而上图一天沟内的雨雪水位上升，会同构屋面板与檩条之间的间隙往库内溢流。所以天沟做法应改为下图二。
改雨篷外倾的目的是减少雨雪水靠近作业区的机会，没有雨雪水也就没有了侵入的机会。见下面图纸：
由上两图可以看出，由于雨篷内倾，导致雨篷还需设置天沟，且一旦雨水立管冰堵，雨篷天沟内雨雪水位上升，水将无处可溢，只能顺着墙面雨篷天沟与墙面接缝、墙面彩钢板接缝渗溢，雨雪水就会侵入库内。若改成雨篷外倾，就不存在以上问题，雨篷上的雨雪水自然散排掉。
雨水立管管材有彩钢板、UPVC、钢管、HDPE虹吸专用排水管等多种，经考察对比，严寒地区仓库雨水立管管材多采用彩钢板，其主要有以下优点：质量轻、易加工安装、价格便宜、结实耐用、易修复，有一定的抗变形及修复能力等，因此从性价比上，选择彩钢板作为雨水立管管材是最适合的。
立管与横管之间的连接方式往往取决于立管与横管的管材，立管采用彩钢板已定，月台下埋地横管可选择钢管、HEPE塑料管（双壁波纹和虹吸专用排水管）、UPVC、水泥管等；因埋管处于冰冻线以上，故HDPE塑料管，UPVC管均不适用，水泥管密封性不高，容易渗漏，不利于月台回填土的密实性，故严寒地区月台下埋管需采用钢管。钢管与彩钢板雨水立管无法直接连接（钢管为圆形，彩钢板雨水立管多为方管），需要设斗或者集水坑汇集后再由钢管排掉，考虑到大库月台的美观与防撞，所以采用小集水井。下面提供两种小井做法，设计中心建议采用钢板现场制作小井。
严寒冬季雨水立管肯定会有不同程度的冻胀，立管附近墙面会有结冰现场，故雨水立管左右1m附近屋面墙面均需做密封处理，防止融化的冰水沿墙面彩钢板搭接处渗入。
相比彩钢板雨水立管的应用广泛和性价比，钢管价格高（综合造价是彩钢板管的2.0倍，），但钢管更结实耐用，抗内压能力强，不易冻坏，能有效防止因立管冻裂而产生雨雪水外流的现象。
随着科学技术的迅速发展, 建筑节能已成为可能, 并且随着我国供热分户计量的逐步实施, 房屋使用过程中的能源消耗势必由用户承担, 节约能源、节约支出将成为广大居民的自觉要求, 建筑节能已成为共同关注的焦点。《“十二五”节能建筑专项规划》中提出, 到2015年, 城镇新建建筑执行不低于65%的建筑节能标准, 城镇新建建筑95%达到建筑节能。
我国地域辽阔, 热工气候区被划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。严寒地区, 建筑必须充分满足冬季保温要求, 一般不考虑夏季防热。对于严寒地区建筑的总得热包括采暖设备供热、太阳辐射得热和建筑物内部得热 (包括炊事、照明、家电和人体散热) 。这些热量通过围护结构的传热和通过门窗缝隙的空气向外渗透热损失向外散失。建筑物的总失热包括围护结构的传热热损失和通过门窗缝隙的空气渗透热损失, 其中, 围护结构的传热热损失约占70%~80%, 门窗缝隙的空气渗透热损失约占20%~30%。通过表1[1]可以看出, 门窗的传热系数远大于其他围护部分的几倍, 我国寒冷地区的住宅, 在一个采暖周期内通过窗与阳台门的传热和冷风渗透所引起的热损失, 占房屋能耗的45%~48%。因此, 严寒地区门窗节能是建筑节能的重点, 建筑门窗节能就是尽量减少室内外空气通过门窗这个介质进行热量传递。
严寒地区南向开窗在冬季照射的太阳辐射热量最大, 而夏季辐射热量略小;在夏季东西向的辐射热量大于南向, 因此采用南向窗可以得到“冬暖夏凉的效果”, 因此为满足建筑物的采光通风要求而设置窗时, 尽量多设置南向窗户, 并从单层窗、双层窗、3层窗中选择合适层数, 采取有效措施减少热耗;而对其他朝向的窗户, 应在满足居室采光环境质量要求的条件下尽量少设置。
窗在建筑物中主要起采光、日照、通风、围护的作用。在建筑设计时需要根据建筑物的不同采光要求、使用特点、结构类型等因素确定窗洞口的面积。现在很多建筑设计中, 为了追求房间内的明亮, 窗洞口的面积比普遍偏大。但是在建筑物的结构中, 窗户 (包括阳台门的透明部分) 的保温隔热性能比外墙差很多, 而且窗和墙连接的周边又是冷风渗透的主要部位, 这就造成了建筑物内部的采暖能耗向外散失大的问题。因此, 从降低建筑能耗和提高室内热舒适的角度出发, 应限制窗墙面积比。我国《民用建筑热工设计规范》 (GB50176—93) 中规定:采暖建筑中, 当外墙热阻低于规定的最小传热阻时, 居住建筑各朝向的窗墙面积比, 北向不应大于0.20;东西向不大于0.25 (单层窗) 或0.30 (双层窗) ;南向不大于0.35。在建筑设计过程中必须满足规范规定以减少能耗。
窗按开启方式可以分为平开窗、推拉窗、悬窗、转窗、固定窗等。目前, 我国建筑物中用的比较广泛的是平开窗、推拉窗。
平开窗具有其构造简单, 制作、安装、维修、开启都很方便, 并且通风面积大的特点。平开窗分内开、外开两种。平开窗在关闭锁紧状态, 橡胶密封条在框扇密封槽内被压紧并产生弹性变形, 形成一个完整密封体系, 隔热、保温、密封、隔音性能较好。适用于寒冷、炎热地区建筑或对密封、保温有特殊要求的建筑。
推拉窗具有不占据室内空间的优点, 外观美丽、价格经济、密封性较好, 开启方便, 采光性能好。窗扇的受力状态好、不易损坏, 但通气面积受一定限制。但无论采用哪种材料制作推拉窗, 窗扇与窗框间不可避免存有一定的间隙, 室内外冷热空气对流造成较大热损失。为提高推拉窗隔热性能, 设计生产人员安装和改进了密封毛条, 但随着时间的延长, 在使用过程中, 密封毛条表面磨损, 空气对流逐步加大, 节能效果不断降低。但总体来说仍然无法达到平开窗的热工性能, 能耗较高, 所以在先进国家很少采用这种窗。
目前, 工程中普遍使用的门窗为铝合金门窗和塑钢门窗。铝合金型材由于导热系数大, 大大增加了门窗整体的传热系数, 使得其保温隔热性能较差, 且极易结露, 这些都促使了铝合金门窗的改进。解决铝合金门窗导热问题的最为常见的方法是设置隔热断。断桥铝门窗又叫铝塑复合门窗, 其原理是利用塑料型材 (隔热性高于铝型材1 250倍) 将室内外2层铝合金既隔开又紧密连接成一个整体, 构成一种新的隔热型铝型材, 用这种型材做门窗, 彻底解决了铝合金传导散热快、不符合节能要求的致命问题, 同时采取一些新的结构配合形式, 彻底解决了“铝合金推拉窗密封不严”的老大难问题。
玻璃钢门窗是以不饱和聚酯树脂作为基体材料, 采用中碱玻璃纤维无捻粗纱及其织物作为增强材料, 并添加其他矿物材料, 通过加热固化, 拉挤生产出不同截面形式的空腹型材, 然后加工制成的门窗。玻璃钢型材导热系数为0.39W/ (m·K) , 只有金属的1/1000~1/100, 是优良的绝缘材料。而且玻璃型钢为空腹结构, 所有的缝隙均有胶条、毛条密封, 隔热保温效果显著。玻璃钢窗还具有轻质高强、隔音效果好、耐温性好、尺寸稳定、耐腐蚀耐老化、使用寿命长等优势。
除此之外, 目前保温较好的型材还有多腔塑料型材、铝木复合型材、铝塑复合型材等。用这些型材组成的窗, 最低传热系数可达到1.5W/ (m2·K) , 甚至更好[2]。
在严寒地区, 希望在白天使室外的短波热能更多地辐射到室内, 在夜间避免或减少室内的长波热能向外辐射, 增强室内的温室效应, 中空玻璃可以达到这样的要求。这些玻璃有普通中空玻璃、Low-E中空玻璃、多层Low-E中空玻璃, 甚至是充惰性气体的中空玻璃、真空玻璃等。研究表明, 采用双层玻璃窗时, 其空气间层的厚度应≥40mm, 空气间层隔热作用才能更好地体现[3]。而普通玻璃几乎没有任何的隔热保温性能, 在严寒地区不宜直接单层用于住宅中。
首先, 合理减少可开启窗扇的面积, 再满足夏季通风的条件下, 扩大固定窗扇的面积。其次, 采取密封和密闭措施。在门窗的四边与墙体之间的空隙, 通常使用聚氨酯发泡体进行填充, 还可使用硅胶、三元乙丙胶条等。框与扇间可用橡胶条、泡沫密闭条以及高低缝、回风槽等。扇与扇间可用橡胶条、高低缝及缝外压条等。窗扇与玻璃之间的密封可用密封膏、弹性压条等。
门窗安装过程中, 造成质量缺陷也会影响到门窗的保温, 进而影响到整个建筑物的节能。在门窗采购过程中, 应选择有性能标识的门窗材料、检查材料质量检测报告、选择合适的门窗配套件。施工过程中应注意门窗洞口进行防水处理, 门窗安装洞口应该用防水砂浆修整并且预留混凝土埋块;塞缝时注意发泡剂的密封质量;保证门窗周围防水涂料的粉刷质量。
门窗在整个建筑节能中所处地位不容忽视, 而且随着人们对居所美观性和通透性追求的提升, 大开度、落地式门窗应用越来越广泛, 这进一步增加了门窗散热所占比例, 提升了对门窗隔热性能要求。既要注重新的隔热材料的应用, 也要从建筑设计、施工过程控制等方面努力。随着门窗材质、密封和多项隔热技术的综合应用, 门窗的美观性和隔热性都将得到持续提升, 也给建筑的设计和使用提供了更加多种的选择。
1.1外墙外保温的技术已经成熟, 国家和地方已制定了技术规范。设计和施工部门有案可循, 有法可依。在建筑节能的工作中已有10多年的工程实践经验, 并已证明外墙外保温技术的可操作性。
1.2外保温可提高外墙主体结构的耐久性, 耐久性是与内保温对比而言。内保温层板缝开裂主要是因主体结构变形引起的。由于采用外保温可减少或降低因外部气候不断变化引起墙体内部的温度变化所产生的不均匀变形。冬季墙体温度提高, 湿度降低, 温度变化较平缓, 因此墙体的变形, 裂缝大为减轻, 寿命得以延长。工程实践证明, 只要墙体的保温材料选择适当, 厚度合理, 保证施工质量控制达标, 外保温即可有效防止和减少墙体的温度变化, 从而有效地提高了主体结构的耐久性。
1.8 外保温适用范围较广泛, 对采暖空调, 建筑民用及工业建筑等一律适用。
2.3对保温板缝防裂、防水、外饰面应经受风吹、日晒、雨淋和冻融等技术问题有待于在工程应用中进一步考验和总结提高。
从20世纪90年代初期开始, 在建筑节能工作的推动下, 国内一些科技和企业单位共同开发了多种外墙保温技术, 其中典型的有:
首选国家推荐的五种外保温形式, 标准《外墙外保温工程技术规程》 (JGJ144-2004) , 提供了五种外保温系统:
b.用钢丝网架及锚钉后将岩棉板固定与墙体上。保护层可选自EPS板的做法。
用轻质材料 (陶粒、粉煤灰、炉渣等) 预制成保温砌块或加工成预制的保温挂板与墙体复合形成保温系统。施工快, 工艺简捷。
其核心问题往往是;保温材料的选用和保温系统的开发。益达用户注册下面有发展前途的保温材料:
5.2 岩棉胶粉聚苯颗粒外墙外保温技术。防火性能佳, 耐久性好, 无毒无害, 在欧洲, 北美、北欧用广。
金属面夹心板从20世纪90年代开始已用于发电厂主厂房的围护结构保温构件。金属夹心板有:金属面聚氨酯夹心板, 金属面聚苯乙烯夹心板和岩棉夹心板。
[1]新型墙体材料手册 (第二版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2001.
被动式节能建筑与主动式节能建筑采用机械设备干预手段节能不同,主要是指建筑的设计者注从建筑本身出发的理念,通过对建筑的规划布局、单体设计、色彩选择、形体结构等的规划,充分利用建筑周围的自然资源(太阳内、植被、水源等),为居住者提供舒适环境的一种建筑[1]。
第一,被动式节能建筑基于特定的自然环境和地理环境,它将建筑本身看作一种动态因素,建筑设计师要充分考虑其与周边环境的融合和反应。以哈尔滨市阿城庆云希望小学为例,校舍能源消耗高,平顶的建筑与周围建筑格格不入,学校以绿色建筑设计原则为指导,充分结合当地的地域特色对校舍进行改造,不仅起到了节能保温的效果,还利用秸秆、夯土等特色材料将平顶改为斜顶,保持了建筑的地域特色。
第二,被动式节能建筑的终极目标是“低能耗、零能耗、负能耗”,设计者希望通过利用被动式节能技术降低周围环境对自身的影响,甚至在一定程度上能够充分利用周围的环境实现自身能耗的弥补,以达到“低能耗、零能耗、负能耗”的目标。在德国考夫博伊伦,诞生了世界首座最高级被动建筑“能源之屋”,可谓世界上最具可持续性的建筑。屋顶布置了250平方米的太阳能光伏发电系统,而通过被动式建筑设计,其建筑每年供暖需求仅为8k Wh/平方米。这座建筑的年发电量可达到其用电量的五倍。
第三,被动式节能建筑的建材和能耗大多采用可再生资源,既能实现生态的可持续发展,也能节约成本,避免过度装饰和经济上的浪费。例如山东荣成北港西村小学,在建设过程中充分利用秸秆、黄土和草砖进行外墙和围堵建设,不仅降低了学校的工程造价,也不会对环境造成污染,同时还能起到良好的保温效果,十分适用于寒冷地区农村学校建筑。
随着城镇化进程的加快,我国建筑事业发展迅猛,建设工程中需要消耗大量的水泥、砖、混泥土等建筑材料,建筑使用过程中暖气、空调、冰箱、电视等电器还需要消耗大量能源。当前建筑能耗占社会总能耗的三分之一以上,并且呈逐年上升趋势。有关专家估计,到2020年,我国建筑年能耗将达到11亿吨标准煤,建筑能耗占社会总能耗的比重将上升到45%左右,我国将会成为世界上建筑能耗最大的国家,社会经济负担加重,严重制约了可持续发展战略的实施。被动式节能建筑设计理念的出现,改变了传统建筑设计模式,因地制宜,结合建筑当地气候环境,充分利用太阳能、地热能等可再生资源,趋利避害,减少化石能源的使用,使“零能耗”建筑的建造成为可能。被动式节能建筑是实现可持续发展的重要途径,是未来建筑发展的主要方向。
被动式节能建筑通过科学合理的设计,采用环保材料,充分利用自然环境优势,能有效改善建筑内部温度、湿度、采光、空气循环等微环境,能提高建筑的舒适性,具有提高生活品质、降低疾病概率的作用。此外,还能最大限度地减少对化石能源的使用,减少有害气体、烟尘的排放,改善空气的质量,从而实现建筑低碳化。
首先,在学校的选址上充分考虑建筑与周边环境的关系。建筑风环境是影响室内人体舒适性的主要因素之一,同时与建筑节能降耗直接相关,是可持续发展的“绿色建筑”的重要主题。学校西北方向最好能有天然的山坡或者茂盛林木作为抵风御寒的屏障,东南方向最好能有天然水体或者人工水体,一方面可以保障校园内空气的湿润,另一方面也能避免校园温度的骤降,有利于为学生营造舒适的校园环境。其次,要合理确定教学楼、宿舍、办公楼等建筑的建筑,只有适当的间距才能保证所有建筑都获得太阳辐射,增加室内的温度;再次,严寒地区的学校建筑要确定合理的朝向,相关研究资料已表明,严寒地区建筑的最佳方位是正南东西偏向十度以内,为了获得足够的光照,建筑物也要尽量选择平坦、无遮挡物的向阳基地;最后在学校的走道两侧开设高窗,实现空气的流动,促进校舍内的自然通风[3],空气在受热不均时,受热的空气会膨胀上升,受冷的空气会下沉,同一高度的空气再发生水平运动,于是就形成了空气对流。
严寒地区学校的建筑形态将会直接影响到校舍的性能。第一,校舍的体形系数要尽量减少,这样才能降低热量的损失,保持室内的温度;第二,开窗的位置和面积都要进行严格的控制,由于受气候的影响,严寒地区的冷空气主要来自于西北和东北方向,因此在控制整体开窗面积的前提下,要尽可能的将南向开窗面积扩大,减少东、北、西三向的开窗面积。最后,在校舍的屋顶建筑上,要形态规整,减少北侧屋顶面积,增加南侧屋顶面积,保证校舍能获的足够的太阳辐射热能。
被动式节能建筑技术的围护结构涉及到墙体、屋顶、玻璃幕墙、门窗以及热桥五个方面。
第一,墙体设计。严寒地区学校的墙体设计既要注重保温性,也要注重保密性。用于墙体的所有材料都必须具有良好的保温性能,如苯板、金属夹芯板、聚碳酸酯及酚醛等。针对校舍本身的缝隙,则需要做好特殊部位加强处理,避免热桥的出现。当前被动式节能建筑常用的墙面保温策略主要包括外墙自保温、外墙内保温、外墙夹芯保温、外墙外保温四类。
第二,屋顶设计。将被动式节能技术应用于严寒地区的学校建筑,就要在设计和构造过程中充分利用周围的自然资源,实现用与防的平衡。在校舍屋顶建筑上,要注重其保温性能,并考虑到防止内部结露和屋顶承重等因素。以蓄水式屋顶为例,需要对屋面进行刚性混泥土防水处理,这样既能减少外界温湿度变化引起的屋顶防水层急剧伸缩性,又能有效降温,减少室内空调能耗,具有良好的隔热性能。
第三,幕墙设计。幕墙是校舍建筑中必不可少的部分,也是热量散失非常大的部分,将被动式节能技术引入校舍幕墙设计和施工当中,就要控制幕墙的遮阳系数和传热系数,尽量采用多层幕墙以实现对幕墙热量散失的有效控制。
第四,门窗设计。校舍的门窗是室内与室外进行直接热量交换的关键部位,如果采取的门窗设计方案不正确或者材料保暖性能不足,则会导致室内热量源源不断地流向室外,造成热量的损耗。严寒地区学校的门窗设计可以使用被动式节能屋研究所研制出的一款符合被动式房屋用窗标准的产品—森鹰队,其超强的保温性能完全满足严寒地区学校的需要。
第五,热桥设计。严寒地区学校建筑的热桥设计运用被动式节能技术要注意坚持以下几项原则:避开规则(热桥要避开围护结构,不能破坏围护结构)、击穿原则(当不得不破坏围护结构时,要使外围护结构上的热穿透阻力尽可能地大)、几何原则(热桥必须要在棱角处选择钝的角度)、连接规则(确认保温层在建筑部件连接处全无间隙——整个平面相接)。
当前,光伏建筑一体化应用太阳能发电和海绵城市低影响开发雨水系统构建概念的出现,让被动式节能建筑设计更加完善。虽然被动式节能建筑有非常多的优点,但是在我国依然存在诸多因素的制约,影响了被动式节能建筑和技术的发展,阻碍因素一般包括缺乏市场认可、投资收益期不明朗、效益实现较慢且参数难以计算、缺乏政策资金的支持等。在我国,大力推广被动式节能建筑的发展,不仅需要市场的自发性调整,更需要政府的宏观调控,培育社会节能意识、建立健全法规制度,并出台相应的激励政策,形成政府主导、市场主体、全社会参与的良好格局[4]。
首先,宣传被动式建筑的节能优势。社会公众的节能意识直接关系到被动式建筑的市场前景,政府单位和相关职能部门要充分利用自身的资源优势,通过广播媒体、网络杂志等途径培育公众的节能意识,并通过形式多样的建筑节能专题宣传活动和培训活动,宣传被动式建筑的节能优势,提高社会公众对被动式节能建筑的认可,打开被动式节能建筑的市场。其次,社会公共组织(学校、科研机构、建筑协会等)要充分发挥自身的专业技能培训职能,加强对建筑人才的被动式建筑节能理念,不断提高建筑师的创新能力。
其次,建立健全被动式节能建筑的法律法规和认证制度。被动式节能建筑理念相对于其它建筑理念而言,更加重视设计而不是技术,因此需要在现有行业规章制度的基础之上充分考虑被动式节能建筑的特殊性,建立专门针对被动式节能建筑的法律法规和规章制度。当前,我国的而建筑行业对节能理念不太重视,需要相关监督机制的制约,被动式建筑的节能理念要落到实处同样需要相关机制的约束。因此建筑行业应当成立权威的管理委员会并建立认证制度,对建筑行业进行规范和监督,促进被动式节能建筑的健康发展。
最后,要出台相应的优惠政策,刺激开发商建设被动式建筑,鼓励居民购买被动式建筑。在美国、日本、德国等地区,通过财政补贴、贷款优惠、减免税收等方式,促进了国内被动式节能建筑行业的繁荣。我国应当借鉴国际上的先进做法和经验,加大政府支持力度,在税收、贷款、贴息上都给予相应的优惠力度,对于完全符合被动式节能建筑技术标准的开发商可给予零税收优惠,创新融资机制,推动被动式建筑的发展。当前,我国在建筑行业的财税政策都具有非常明显的强制性色彩,要继续将这种强制性推广到被动式节能建筑上,推动被动式节能建筑的发展。
被动式建筑作为新兴的建筑理念被提出以来,对其的研究多停留在住宅建筑上,公共建筑的被动式建筑甚少提及。被动式节能建筑不仅应当在严寒地区的学校大力推广,也要在全国范围内推行,通过经济政策优惠和相关法规制度的约束和激励,促进国内被动式节能建筑行业的发展。
[1].魏园园.被动式节能技术在建筑改造中的应用策略研究[D].浙江大学,2015.
近年来, 国家高度重视严寒地区的节能减排工作, 并把这一工作的重要性放在维护中华民族长远利益的战略高度上。要求各方面要坚持不懈地推进这一工作的开展, 明确提出了建设资源节约型社会的战略任务。由此可以看出, 在公共环境中进行节能设计这一课题已经刻不容缓。当低碳经济成为经济发展的热门话题时, 如何推广新型建筑材料、节约能源、提高资源利用率, 已成为严寒地区公共环境如何设计及节能所亟需解决的问题。
与此同时, 我国相关部门加紧确立了有关建筑节能的法规和标准。这一措施促使生产施工方在建筑节能产品和减轻环境污染等各方面都获得了可观的经济效益和社会效益, 在节能政策交流以及宣传活动方面也都取得了很好的效果, 在严寒地区的节能效果尤为可观。因此有必要对严寒地区公共环境的节能设计进行探讨并形成认识体系, 从而促进该地区的节能工作。
建筑物体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。外表面积中, 不包括地面、不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。严寒、寒冷气候区的建筑宜采用紧凑的体形, 缩小体形系数, 从而减少热损失。严寒、寒冷地区公共建筑的体形系数应小于或等于0.40。当不能满足规定时, 必须按相应的标准进行围护结构热工性能的权衡判断。寒冷地区居住建筑的体形系数为:3层或3层以下的建筑, 应不大于0.55;4~6层的建筑, 应不大于0.35;7~9层的建筑, 应不大于0.30;10层以上的建筑, 应不大于0.26。严寒、寒冷地区应调整外墙和屋顶等围护结构的传热系数, 使建筑物的耗热量指标达到规定的要求。
建筑外围护结构主要部位包括屋面、外墙 (包括非透明幕墙) 、外窗、底面接触室外空气的架空或外挑楼板、非采暖房间与采暖房间的隔墙或楼板、采光顶。室内热量通过围护结构的部位和不采暖楼梯间散发到室外, 各部位的散热量分别是:外墙25%~28%;门窗散热25%~28%;门窗渗透23%~25%;屋顶8%~10%;楼梯门隔墙10%;地面3%。其中, 对于体形系数小于0.4的多层、高层建筑, 外墙、外窗在外围护结构节能中占的比重更大。控制外墙及外窗的能耗是节能建筑能否达标的关键。
外窗是由玻璃与其它透光材料以及框架组成的透光围护结构, 保温隔热性能窗可减少由于热量传递从室内散失至室外的热能, 透光围护结构的热能传递过程与非透光围护结构相比有很大不同。冬季白天时, 通过外窗建筑吸收大量的热能可降低能源的消耗;夜晚外窗良好的保温性能又能防止室内热量的损失。同时, 通过外窗的通风能迅速调节室内温度。外窗玻璃的节能设计主要有玻璃的保温节能及太阳辐射节能设计, 单层玻璃的热阻很小, 几乎等于玻璃两个表面换热阻之和。所以通过窗户的热量很大, 使得整个墙面的保温节能效果相对减弱。利用双层窗或双层玻璃和合成树脂薄膜的玻璃, 可大大提高窗玻璃的保温能力。目前, 我国采取的单框双玻窗多为中空玻璃。外窗在墙、框与玻璃之间会不可避免地产生装配缝隙, 从而产生内外空气交换, 房间的气密程度将影响其换气次数。通过窗户缝隙的空气渗透量过大, 窗的气密性不好, 就会导致热耗增加;空气渗透量小, 则房间的换气次数就比较少。由于节能率随换气次数的改变变化很大, 因此外窗的气密性不好。从而造成冷风或热风的渗透, 导致了冬季、夏季的能耗均会上升。不仅并会在室内产生较大的空气流动, 甚至会产生吹风感, 对住宅的舒适性有较大影响。在满足房间卫生条件的前提下, 保证人对新鲜空气需求量的范围内, 减少换气次数可以达到较好的节能效果。
建筑设计时应避免过大的窗墙比。研究表明, 控制窗墙比是降低外窗能耗的关键。
(1) 随着窗墙比的增加, 夏季冷负荷逐渐增加, 接近线性关系。耗冷量随窗墙比增大而逐渐增加, 呈二次曲线) 随着窗墙比的增加, 冬季热负荷逐渐增加, 接近线性关系。耗热量随窗墙比增大而逐渐增加, 呈二次曲线) 耗冷、耗热量之和随窗墙比增大而增加, 变化趋势接近线的过程中, 窗墙比每增加0.1, 冷负荷增加32%, 耗冷量增加73%, 热负荷增加24%, 耗热量增加5%, 冷负荷对窗墙比的变化更加敏感。
另外, 随着窗墙比的增加, 太阳辐射的热量逐渐增加, 且呈线. 公共环境中冷热源的节能选择
严寒地区必须满足冬季保温要求, 一般可不考虑夏季防热。并且宜采用紧凑的体形, 缩小体形系数, 从而减少热损失。除此之外, 在选择冷热源方面应该根据建筑物所在地的能源价格情况、气象水文情况等综合考虑选择一套环保高效的冷热源设备。如可以选择水源热泵系统、地源热泵系统、高效电制冷设备加冰蓄冷系统、吸收式制冷系统以及热电冷联产系统等。
水源热泵系统能够将水源与热力有机有效地结合起来, 通过对严寒地区公共环境的建筑物进行铺设水源热泵系统可以将水能有效地转化为热源, 对公共环境建筑物中有效补充热能。一方面节约水能, 一方面节约热能。冰蓄冷的应用虽然对于具体的建筑物而言并没有直接且明显的节能效果, 但由于该应用可以大大降低需求侧用电量的峰谷差, 减少新建调峰谷电厂的装机容量。因此从广义上讲, 该应用可以使公共环境的建筑物达到节能减排的目的。
在严寒地区公共环境的建筑中应用太阳能供暖、制冷, 不仅可以节省大量电力和煤炭能源, 还不会污染环境。由于严寒地区中常年日照时间长、空气洁净度高、阳光充足且缺乏其它能源, 采用太阳能这一常规能源的替代能源尤为有利。
目前, 在公共环境中大面积采用太阳能能源还存在投资大、回收年限长等诸多问题。但是对于严寒地区的公共建筑来说, 节能材料的选择以及节能设计的应用能够一劳永逸。用长远眼光可以看出投资的回报率非常高, 涉及到了经济、社会、生态等各方面的利益。
公共环境中的节能设计充分利用太阳能已得到世界各国的普遍重视。在这一阶段, 太阳能为公共环境建筑物提供采暖、照明等用电, 完全能满足这些要求。在公共环境新的建筑中进行一体化和模块化的设计, 能够实现太阳能技术和建筑艺术的完美结合。这一模式目前已经在我国取得了初步成就, 实现了特殊设计的太阳能建筑。该建筑是完全依赖太阳能提供热水、取暖、制冷、照明的“零能耗”新型太阳能建筑示范楼。该建筑物中的耗热量指标小于10 W/m2, 并且该建筑物自身节能水平达到75%, 综合节能率超过了90%。从建筑使用中节约的能源费用角度来计算的话, 其具有非常明显的社会效益和经济效益。
在公共环境的建筑物设计中采用一体化和模块化的设计思想, 可以使建筑艺术和太阳能技术取得完美结合。太阳能集热器与建筑一体化设计安装, 不仅不会破坏小区良好的人文景观, 还可为建筑物起到点缀作用;集热器与热水罐分体, 将水罐置于室内不仅安全、美观、而且保温效果好, 且易于与常规能源结合;太阳能节能系统与常规能源若能自动联控, 可以将使用舒适度和节省常规能源费用最完美地结合起来;最后, 选用全铜板芯平板集热器, 可基本实现太阳能集热器与建筑物使用寿命相同。
严寒地区具有丰富的太阳能资源, 对多层建筑, 完全可以利用太阳能采暖结合地源热泵采暖系统来完成房间冬季的用热需求。宁夏银晨太阳能科技有限公司与宁夏大学共同研发的多热源太阳能采暖系统已经成功, 并已进入推广应用阶段。
我国公共环境的建筑物占到了总建筑物的30%~40%。虽然比居住面积少很多, 但从其单位面积能耗来看往往高出住宅建筑的6~8倍, 在我国严寒地区这一倍数甚至更高。由此, 严寒地区的公共环境节能设计亟待探讨。
严寒地区公共环境的节能主要集中在建筑物领域, 因此解决公共建筑物的采暖、用水、通风、照明等问题就需要在建筑设计中加入节能元素。本文从建筑的围护结构设计、水暖利用、太阳能能源利用等方面分析了节能与建筑如何完美结合等问题。通过分析公共建筑的墙面、地面、屋顶, 公共环境中的冷热源设计应用以及太阳能能源应用, 来解决严寒地区公共环境下的节能设计。
摘要：本文通过对严寒地区公共环境下的围护结构设计、建筑体形、建筑材料的选择、外窗设计、太阳能能源利用等几方面的讲解和研究, 对严寒地区公共环境下的节能设计问题进行了探讨。
[1]高森.公共建筑节能设计——以科技部节能示范楼为例[J].科技导报, 2011 (06) .
我国严寒地区建筑项目的采暖周期约6个月, 采暖期的能耗和碳排放对生态环境造成了非常严重的影响, 而促进节能措施的实施对解决此问题非常关键。但是, 节能措施不仅初始投资较高, 后续的维修和翻新成本也较高, 业主或开发商会再三考虑是否采用, 或考虑采用哪种节能技术更加经济有效。虽然许多学者研究了节能措施增量成本效益的评价方法[1,2,3], 如Suresh和Sadineni[2]提出了节能措施运营阶段直接经济效益以及经济成本回收期的计算方法。Amstalden[4]构建了节能改造投资经济可行性的评价方法, 但是, 传统经济分析方法主要考虑直接经济效益, 很难有效激励投资者主动减少项目生态环境影响。如学者Jinlong[1]指出, 节能技术增量成本高, 而我国的电价较低, 因采用节能技术而产生的电价成本节约量较低, 增量成本的回收期非常长, 增量成本的直接经济效益低, 导致业主宁愿选择在项目运营期浪费电力, 也不愿采用节能技术。所以, 有效促进节能措施实施的关键因素是构建系统全面的节能措施增量成本效益评价方法, 其不仅需要考虑直接经济效益, 还需考虑间接经济效益。本文基于建筑项目的全寿命周期生态足迹测算模型, 构建了全寿命周期增量成本效益指标, 涵盖全寿命周期增量成本的直接和间接经济效益。应用该方法研究了严寒地区内蒙古某教学楼项目采取4种典型节能措施的增量成本效益, 明确相对于传统方案, 增量成本效益较高的节能措施有利于开发商实现投入较低的增量成本, 获得最大经济效益的目标。
生态足迹已是目前公认的简单、有效和全面的生态环境影响程度评价指标[3,4,5,6]。本文将建筑项目全寿命周期生态足迹定义为:提供项目消耗的能源和资源, 以及吸收产生的碳和固体垃圾所需的土地面积, 用于明确量化项目全寿命周期的生态环境影响程度, 节能措施增量成本间接经济效益的基础由式 (1) 计算:生态足迹以国家公顷 (national hectare, nha) 为单位:
为了简化计算, 本文中建筑项目前期准备和物化阶段的生态足迹EFPAC根据运营和拆除垃圾处理阶段生态足迹由式 (2) 计算:
式中:l基于运营和拆除垃圾处理阶段生态足迹的折算因子, 根据相关文献数据[7,8,9,10], 计算分析后, 推荐取值为1.7。
EFOAD自运营和拆除垃圾处理阶段消耗的资源、能源以及产出的CO2和固体垃圾的生态足迹, 由公式 (3) 计算:
基于全寿命周期生态足迹, 本文构建“全寿命周期增量成本效益”指标, 用于全面评价建筑项目节能措施全寿命周期增量成本所带来的直接和间接经济效益, 其中, 间接经济效益指因减少生态环境影响而获得的效益, 直接经济效益指因减少项目投入运营后成本而获得的效益, 由式 (6) 计算。
EFL相对于传统方案, 采用节能措施所带来的全寿命周期生态足迹消减量, 即产生的生态效益;
ICC相对于传统方案, 采用节能措施所带来的全寿命周期增量成本 (考虑节能措施的使用年限, 翻新次数) ;
ICY相对于传统方案, 采用节能措施所带来的项目投入使用后的年经济成本减少量 (即直接经济效益) 。
式 (6) 中的建议取41.2元/nha。目前我国政府已有节能补助、碳交易以及绿色建筑的补助政策, 本文根据现行国际碳交易市场的价格0.1元/kg;单位建筑面积能耗下降25% (含) 以上的, 按40元/单位进行补助;中国建筑获二星级绿色建筑评价标准的补贴45元/m2以及三星级可获80元/m2等政策推算。本文提倡政府制定值, 从而更有效地鼓励开发商积极采取节能措施, 降低建筑项目的生态环境影响。
该教学楼位于我国北部严寒地区, 1月为最冷月, 平均气温为-10.0℃, 7月为最热月, 平均气温为22.7℃。研究对象为框架结构, 建筑朝南, 总建筑面积4563 m2, 已投入使用, 运营年限50年。本文基于此教学楼, 相对于传统方案, 研究4种典型节能措施的全寿命周期增量成本效益。
传统方案将作为研究项目节能措施全寿命周期增量成本效益的基础。本文设定的研究对象传统方案 (TS) 是内蒙古地区传统建筑常用的设计方案, 见表1。
节能措施众多, 选取4种典型的节能措施进行研究, M1:改变传统外窗;M2:改变传统外墙结构;M3:改变传统楼板结构;M4:改变传统屋面结构, 具体措施见表2。
应用本文提出的方法, 研究相对于传统方案, 4种节能措施的全寿命周期增量成本效益, 明确相对最优的措施。
单位生态生产性面积和均衡因子具体取值及来源见表3;运营阶段的年水资源消耗量根据中国内蒙古用水标准每人80 L/d确定项目运营阶段的用水标准, 此阶段能耗利用Designbuilder软件模拟计算, 能源消耗主要是火电, 其碳转换因子ene, i取0.95 kg (C) / (k Wh) [7];拆除和垃圾处理阶段的垃圾数量应用May T.Watts Appreciation Society在线软件计算, 此阶段能耗和碳排放量分别按运营期能耗的0.012和0.021推算[10,11]。
采用Designbuilder模拟计算的教学楼项目运营期年能耗主要包括房间、照明、制冷和采暖用电, 计算结果见图2。
采用传统方案TS和M1~M4措施的教学楼运营期年能耗仿真模拟结果, 以及与传统方案相比M1~M4的能耗消减量见图3。
图3表明, 屋面节能M4的能源消减量最大, 达到11.56%。外墙节能M2的能源消减量最小, 为0.23%。外窗节能M1和楼板节能M3的能源消减量分别为5.85%和1.48%。
应用式 (1) ~式 (5) , 计算传统方案TS和M1~M4措施的教学楼项目全寿命周期生态足迹, 见表4。
从表4可见, 碳排放量方面, M1~M4中屋面节能M4的碳排放消减量最大, 为11.55%。外窗节能M1和楼板节能M3的碳排放消减量分别为5.85%和1.47%。外墙节能M2的碳排放消减量最少, 为0.21%。
全寿命周期生态足迹方面, M1~M4中屋面节能M4的生态足迹消减量最大, 达到12.68%。外窗节能M1和外墙节能M2的生态足迹消减量分别为5.57%和2.12%。楼板节能M3的生态足迹消减量最小, 为1.41%。
表明相对于TS, 屋面节能M4对改善项目生态环境影响程度起到重要的作用;而外墙节能M2和楼板节能M3对改善项目生态环境影响程度起到的作用不大。
相对于传统方案 (TS) , 根据图3和表4, 计算投入使用后的年经济成本减少量和全寿命周期生态足迹消减量, 相对于TS, 应用式 (6) 计算4种节能措施方案的全寿命周期增量成本效益, 见表5。
根据表5的数据可推算节能措施的全寿命周期增量成本直接和间接经济效益。与传统经济分析只考虑增量成本的直接经济效益比要高约4%~5%, 所以, 本文提出的方法有利于鼓励开发商积极主动采取节能措施, 降低建筑项目的生态环境影响。
从表5还可以看出, 相对于TS, 4种节能措施中, 屋面节能M4的增量成本效益最高。外窗节能M1仅次于屋面节能, 楼板节能M3小于外窗节能M1, 外墙节能M2的增量成本效益最低。
主要原因是传统屋面选型相对较差, 屋面节能M4措施在传统屋面选型上有了很大的改善, 全寿命周期能耗、碳排放和生态足迹消减量较大, 且增量成本较低, 所以全寿命周期增量成本效益高。而传统外墙选型相对较好, 采取外墙节能M2措施后项目全寿命周期能耗、碳排放和生态足迹消减量较少, 且增量成本较高, 导致全寿命周期增量成本效益低。由此可知, 目前严寒地区, 相对于TS, 屋面节能的改进空间较大, 方案设置时可优先选择屋面节能措施。
基于全寿命周期生态足迹测算模型, 构建了全寿命周期增量成本效益指标, 用于全面评价建筑节能措施全寿命周期增量成本的直接和间接效益, 弥补了传统经济分析方法主要考虑增量成本直接经济效益的不足, 拓展了经济分析的研究范围。
通过严寒地区教学楼实例研究, 本文提出的同时考虑增量成本直接和间接经济效益的指标测算结果, 比传统经济分析只考虑增量成本直接经济效益的要高约4%~5%。随着生态足迹消减量和的增大, 增量成本的间接经济效益会随之增大, 全寿命周期增量成本效益评价指标更能有效鼓励开发商积极采取节能措施, 降低建筑项目生态环境的影响。
基于提出模型和指标, 研究了严寒地区某教学楼4种典型节能措施M1~M4的能耗、生态足迹及其全寿命周期增量成本效益。相对于传统方案, 节能改进效果最佳方案是屋面节能M4, 屋面节能M4的能源、碳排放和生态足迹的消减量最大, 且其全寿命周期增量成本效益最大。充分表明, 在严寒地区屋面节能措施对改善项目生态环境影响程度起到重要的作用, 改进空间较大, 所以, 在设置建筑节能方案时, 可优先考虑屋面节能措施。然而, 外墙节能M2和楼板节能M3的能耗、碳排放和生态足迹消减量较小, 且其全寿命周期增量成本效益较低, 说明在严寒地区外墙和楼板节能措施的改进空间较小。本文研究成果有利于开发商选择最佳措施, 实现投入较低的增量成本获得最大经济效益的目标。
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建筑美学是建立建筑学与美学的基础上, 使建筑将技术和艺术完美的结合在一起。并随着社会和科学技术的发展, 相互分工又相互渗透的一门学科。
两千年前, 古罗马建筑师维特鲁威在《建筑十书》中就提到了“适用、坚固、美观”的建筑方针, “美”成为组成建筑的三大要素之一。侯幼彬先生在《中国建筑美学》一书中提出了“硬传统”和“软传统”两种形式, 对传统建筑美学一方面是“式”的发展, 一方面是“法”的传承, 成为了后来数十年来中国建筑的现代转型的思考的出发点和方向。而技术美学的出现, 使技术在建筑艺术中的觉醒, 注重发挥建筑结构和建筑材料的性能特点, 不去掩饰它们, 而是将其作为建筑造型的表现要素之一。使工业技术、信息技术及生态技术等技术措施以造型艺术的形式表现出来。
居住建筑作为中国传统建筑形式中的一种, 从原始人类的“凿户牖以为室”到今天, 有悠久的发展历史。住宅既拥有悠久的历史沉淀、文化传统, 又有着适应新材料、新结构、新使用要求的发展需要。建筑美学之于农宅的设计不仅能保障居住的适宜性, 也可以提高居民的审美情趣、使现存的民俗特色、地域特色得到合理的利用和更多的保护, 从而达到新农村建设的根本目标。
吉林省在我国东北的中部, 可分为三部分, 东南部为松花江上流, 群山环绕, 气候冷湿。中部和西北部是松花江流域大平原地带西部是沙漠与碱土地区, 气候干暖。全省属温带大陆季风气候, 具有明显的四季之分, 年降水量400~1000毫米, 冬季积雪深厚, 尤其是山地, 厚度可达40~50厘米。平原地区的居民以农业为主, 丘陵地区人们有放养柞蚕的习惯, 东北山地森林茂密, 林业工人以伐木为业, 西部地区草原辽阔, 以牧业或半农半牧业为主, 沿海和沿江地区的渔民有不少以水产养殖和捕捞为主业。不同经济方式也影响到了居民的居住文化, 长期定居民族的传统住宅有汉族民居、满族民居、朝鲜族民居等。
传统民居的村落选址基本遵循着背山近水的基本原则, 三间大瓦房的建筑格局, 屋顶都有一定的坡度, 以加快泻水和减少屋顶积雪。为保温需要, 墙壁往往较厚。南侧窗子较大一些, 采光效果较好, 兼顾考虑夏季通风和避开冬季主导风向的影响, 北侧开很小的窗户, 建筑进深应较小, 农宅以一层为多, 每户院子都很大。
目前社会主义新农村建设取得初步成效。但仍然存在这住宅发展落后, 规划建设无序、建筑模式单一;冬季采暖能耗问题突出等问题。尤其是大量现存农宅建筑重复单调的比例、外表与体量, 平淡无奇, 新建住宅在无秩序的规划中胡乱生长, 大多数乡村都以鲁莽而绝对的态度表达着对美学的理解, 人居环境不尽人意。
首先, 要集约利用土地、严格控制建设用地规模、以提高土地利用效率作为主要规划目标。一方面通过统一的规划组织改善目前乡村居住“室内现代化、室外脏乱差”的状况;另一方面利用独立式、联排式、单元式等多种住宅形式引导乡村型居住形态向城市型居住形态过渡。其次, 新农村农宅的建设或改造要与村落的规划和自然环境协调一致。要尊重各地的原有地形地貌和风土人情, 因地制宜, 尽量保护好各地区的原生态, 重视各个区域内的历史、文化积淀, 提取不同地区特有的建筑语言符号, 防止千篇一律, 千村一貌。最后, 村落空间组织既要有明晰的格局, 又要富有变化, 通过不同农宅组团与公共用房、公共绿地的交错设计, 使人在运动中获得一个完整的印象, 从而形成空间的秩序感, 节奏感, 从而激发不同的审美感。从而产生空间的愉悦感。
农宅通过长期的发展演变已经形成固有的特点, 新农宅的设计应该继承和发展民族的、传统的、乡土的做法, 汲取传统住宅的一些因素, 应该从住户的生产生活需要出发, 适应当地居住水平和生产发展的需要, 合理组织各个功能空间, 新农宅的设计要以改善室内的舒适度为首要的问题, 在了解当地人生活习惯的基础上, 组织好住宅的功能与流线。住宅的平面和造型应具备时代与乡土的双重内涵。例如座北朝南是农宅布局的传统, 建筑环抱着阳光地段是寒地四合院、三合院布局形成的重要因素。争取最好的日照条件以保证冬季的补暖。依据传统农宅的审美层面, 房屋造型适宜朴素庄重、温和自在, 色泽、亮度与环境的整体协调。注重文化的传承与文脉的延续, 体现当地的文化特色。尺度宜人的院落, 明媚柔软的建筑轮廓, 就是“小桥流水人家”田园式的传统乡村景象。每一个门楼、檐口, 窗楣……都是美景。
建筑技术是建筑舒适宜居的最终保证, 井干式传统民居的造型也是技术之美的体现。新农宅中建设应该从建筑节能、保温等方面出发, 加强围护结构的构造设计与优化, 改善其保温、防潮、防空气渗透等性能, 达到舒适健康、节能环保、环境优美、经济合理的宜居目的。最大限度利用太阳能、风能等自然资源, 并注重对各种能源的循环回收和利用, 如沼气的利用、中水回收利用、土炕的改进等等。重视农宅的绿化, 改善小气候, 因地制宜地种花、种树, 创造一个环境优美、心旷神怡的居住环境。屋顶和墙面绿化, 夏天可以吸热防晒, 改善建筑屋顶的隔热性能;冬天可以隔寒保暖。不仅扩大了绿化面积, 而且改善了建筑物的热工性能, 起到建筑节能和美观的双重效果。
综上, 只有经济水平发展了一定程度, 人们才会真正关心居住文化, 所以说, 居住文化也就直接代表人类生存的文明层次。“新农宅”是新农村建设的重要组成部分, 宜居宜美的设计应该是崇尚实用性、功能性, 与民族风俗相结合, 与自然环境相协调。有花园、绿地花草树木所带来的景观之美。亦有适当的温度、湿度、新鲜的空气、充足的光线、健康, 清洁的舒适之美。使新农宅成为新农村历史文化的载体, 成为政治、经济、文化、科学、技术和艺术集中反映, 成为新时代的大美田园。
