工业厂房外窗节能设计研究

Energy-saving design for industrial building windows

摘要

通过对工业厂房外窗的开启位置、朝向、形状等进行对比分析和设计研究，得出基于综合节能效应的外窗节能设计方案，不仅能够满足工业厂房采光要求，还有利于通风、散热、除尘、除湿等综合物理环境质量，对工业厂房综合节能设计起到一定借鉴作用。

Abstract

This article combines practical projects to conduct comparative analysis and design research on the opening position, orientation, shape, and other aspects of external windows in industrial buildings. Based on comprehensive energy-saving effects, an energy-saving design scheme for external windows is proposed, which not only meets the lighting requirements of industrial factories, but also benefits the comprehensive effects of physical environmental quality such as lighting, ventilation, heat dissipation, dust removal, and dehumidification inside the factory, The purpose is to provide some reference for the comprehensive energy-saving design of industrial buildings.

Graphical abstract

关键词

工业厂房 / 外窗 / 节能设计

Key words

industrial workshop / outside the window / energy saving design

工业建筑外窗不仅是严寒和寒冷地区冬季保温节能设计的重要影响因素，也对室内通风、采光、散热、除湿除尘等产生影响。一方面，工业厂房由于进深大，净空高，自然采光和通风组织具有一定难度；另一方面，由于生产过程中机器设备运转、生产人员聚集等因素均会造成高温高湿、灰尘多、二氧化碳排放量大，甚至有些厂房内部会产生粉尘或各种有毒气体，影响生产人员的生理健康和安全。为消除这类影响，工业厂房需要利用机械设施进行除尘、通风、降温、降噪等，致使厂房附加设备增加，用电量大，这些都与绿色生态建筑理念相悖。

因此，工业厂房的节能设计需要进行物理环境综合效应分析。我国现行的《工业建筑节能设计统一标准》^[1]针对采暖地区冬季限制能耗提出了相应的设计要求，其中外窗作为外围护结构的一部分，通过限定窗墙比和传热系数，达到工业建筑保温节能的目标。而厂房的节能应是多种影响因素的综合作用结果。科学合理的外窗设计不仅满足采光和自然通风，还应能最大限度地减少人工照明、机械排烟、除尘，同时避免夏季室内高湿高温等。另外，寒冷地区的工业建筑外窗还应考虑如何在冬季高效利用太阳能，夏季遮光隔热，综合体现绿色节能设计理念^[2]。本文基于建筑节能理念，通过对工业厂房的外窗进行科学分析和合理设计，以此来进一步确定工业厂房外窗节能设计影响因子相关性并对工业建筑外窗提出合理设计建议。

在我国节能政策的推动下，工业厂房的外窗设计相继推出了各类规范和标准，如《工业建筑节能设计统一标准》(GB 51245—2017^[1] )中对外窗窗墙比和传热系数、气密性和水密性给出了限定指标；《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013^[3] )中对于窗户玻璃的规格、颜色、透射比、光热比进行了概括与总结，为厂房外窗材质选择提供参考。杨国强^[4]通过对室内采暖能耗及平均温度模拟分析，总结出其方案所在地的屋顶安装采光板与高位布置下沉式天窗及东西向布置外窗的更适宜窗墙比，为不同地区外窗形式选择提供参考。以上规范与标准并未涉及外窗设计的影响因子综合作用效应。本文将采用斯维尔软件对工业厂房的外窗进行模拟分析，并结合图表对比，主要从工业厂房的综合节能效应方面进行外窗设计研究。

1 厂房外窗节能设计影响因子

工业厂房利用自然采光、通风能够对保温、隔热、除湿、散热等取得被动式节能效果，有效减少冬季供暖、夏季空调的负荷，同时减少因排气、排烟、室内消除热效应等对机械设备的使用量，从而降低能耗，节约用电，减少能源依赖，起到综合节能的作用。与之相关的厂房外窗设计影响因子包括外窗朝向、形状、开启位置、开启方式及外窗尺寸等，这些因素均不同程度地影响厂房内部自然光的照射方向、光照量、照射面积，空气流动的组织形式、室内余温余湿等排放情况^[5]。对各影响因子的相互关系和作用效果进行科学研究，能够对工业建筑外窗节能产生综合效应。因此，本文对常规工业厂房（火灾危险性等级非甲、乙类，无防爆要求）在设计时，在满足建筑冬季保温节能的前提下，通过外窗各因子变量的相关性分析，合理设计厂房外窗，探索使工业厂房的综合能耗降至最低的设计策略。

2 厂房外窗节能设计分析

本文以河北某变压器厂为例，对其通用厂房外窗进行节能设计研究。该厂房所在地属于我国寒冷气候分区。厂区内某厂房面积为36 m×18 m，柱跨为6 m，室内建筑净高为8 m，空间钢桁架结构，功能为变压器生产车间。在该厂房其他条件不变的情况下，通过对外窗设计影响因子进行变量分析，比较不同外窗对工业厂房综合节能效应的作用效果。该工业厂房的平面、剖面图如图1、图2所示。依据《工业建筑节能设计统一标准》要求，工业建筑各朝向随着窗墙比增大，外窗的传热系数限值缩小。本次研究以南向窗墙比0.3、北向0.2，东西向不设外窗为例，屋顶设采光窗时，总面积与屋顶面积比不大于0.1；在外窗面积为不变参数的前提下，通过外窗开启位置和形状的对比分析，探讨有利于厂房综合节能效应的外窗设计^[6]。

2.1 采光分析

工业建筑外窗整体分为天窗与侧窗两类，天窗又分为平天窗、矩形天窗、锯齿形天窗。当窗墙面积比限定后，不同形式的外窗将会带来采光、通风、散热等不同效果，进而对建筑室内环境以及总体综合能耗产生较大的差异性^[7]。对几种典型侧窗与天窗形式进行对比分析，进而得出更适合该厂房的外窗形状。

通过窗墙比计算公式得出该建筑南向外窗总面积不大于86.4 m²，北向外窗总面积不大于57.6 m²，屋顶采光窗面积不大于6.48 m²。鉴于南侧为主要采光面，因此设定南侧为常用分散式矩形外窗，仅对北侧外窗以及天窗进行调整。从厂房内部采光、通风、散热三种物理环境分别进行对比研究，并探讨有利于其综合节能效应的设计策略。

1) 侧窗采光分析

根据南向外窗总面积以及柱网位置等，将南向外窗平均分为6个，每个窗户面积为3.5 m×4.0 m，且该窗台距离地面1.0 m。南向窗户设定为不变参数，北向外窗总面积固定，只改变北向窗户开启位置和形状，分为以下三种情况：

方案一：如图3(a)、图3(b)所示，北向窗分散式布置，平均分为6个，每个窗户的面积为3.0 m×3.2 m，窗台距离地面1.0 m。

方案二：如图4(a)、图4(b)所示，北向窗户为竖向外窗时，平均分为12个，每个窗户的面积为1.0 m×4.5 m，且该窗台距离地面0.6 m。

方案三：如图5(a)、图5(b)所示，北向窗户为水平横向高侧窗布置，平均分为6个，每个窗户的面积为4.5 m×2.0 m，且该窗台距离地面2.0 m。

将三种情况采光效果进行对比，阴影区域为正午太阳高度角为45°，工作面为中间跨地面区域。可见，北侧采取横向高侧窗时更利于减少与工作面相对的冷空气渗透。因此该厂房更适合采取方案三。虽然方案二的平面采光示意图中采光区域范围最大，但是剖面采光示意图中方案一和方案三中工作面（B区域）光线有重合部分，且方案三重合部分面积更大，基于以上分析，方案三更利于本次厂房设计。

2) 天窗采光分析

工业建筑由于进深大，空间高，仅靠侧窗的采光有时难以满足工作面照度需求。适当面积的天窗既能够补充一部分光照，也有利于通风和散热。不同的天窗形式产生的效果如下：

①锯齿形天窗

如图6(a)、图6(b)所示，每间隔6 m锯齿形天窗开口向南布置时，光线南侧射入室内，形成照射面，加强中后部采光面积和照度值。锯齿形天窗采光曲线波动较大，射入室内的光线均匀稳定。

②矩形天窗

如图7(a)、图7(b)所示，矩形天窗可南北向布局，光线从两个方向斜射入室内，受光面积范围较大。矩形天窗形成的采光曲线波动平缓，照度平均值较低，纵向采光均匀性较差，横向采光均匀性较好。

③平天窗

如图8(a)、图8(b)所示，平天窗光线从顶部直接射入室内，采光效率是锯齿形和矩形天窗的2~3倍，光照区域集中，但存在眩光，易形成热辐射，造成室内温度过高，影响室内工作环境。

综合比较分析得出，矩形天窗的光照面积大且更均匀，还能避免室内过热，因此设计采用矩形天窗更合理。

2.2 通风分析

空气流动是外窗的主要功能之一，合理的外窗布置可以促进室内空气循环，有效排出室内有害气体。通风分为热压排气和风压排气两种，由于室内受热的空气膨胀上升，热量往往汇集于室内上部，高侧窗和天窗辅助通风循环，更有利于热空气及时排出。风压通风是由于风压因素，风量在进风口和出风口之间循环流动，气流水平流出^[8]。热压排气和风压排气二者并不冲突，均为工业厂房的自然通风措施，因此窗户在工业厂房布置上应既有天窗竖向排气，又有对应的水平窗户左右通风。本文设定南向外窗为固定值，重点分析北向开窗与顶部开窗两种情况，其中天窗采取平天窗、矩形天窗和锯齿形天窗三种形式进行分析。

1) 侧窗通风分析

通过对比分析，分散式外窗与竖向外窗的组合(图10)垂直通风效果更好，其他两种组合方式次之。但分散式外窗与分散式外窗的组合(图9)横向水平通风采光效果更佳，因为外窗水平对应且面积均匀。通过上述采光分析，厂房南侧需要良好的采光，南向窗户为分散式外窗。针对本次设计，虽然分散式外窗与横向高侧窗的组合通风效果不是最佳，但该厂房地处北方，对于保温性能要求较高，因此北向高侧窗更适合。综合来说，分散式外窗与横向高侧窗的组合(图11)对于本次设计更经济适用。

2) 天窗通风分析

通过下图可以看出，通风效果由高到低排序依次为矩形天窗(图13)、锯齿形天窗(图12)、平天窗(图14)。矩形天窗两侧均可通风，而锯齿形天窗仅单侧通风，因此矩形天窗通风效果优于锯齿形天窗；平天窗没有受风面，风压小，难以形成对流，不宜组织通风，因此其通风效果最差。综合来看，矩形天窗通风效果最好，且采光光线均匀稳定，因此，矩形天窗更适合本次设计。

2.3 外窗散热分析

对于工业厂房内部产生大量的余温余热，散热十分重要，合理的外窗设计既可以及时将室内余热有效排出，夏季可以有效除湿降温，减少对空调等机械设备的依赖。

1) 侧窗散热分析

散热需要依靠空气流通，且室内热空气从地面向上流动，往往在室内上部形成热量聚集。因此，当南北两侧均设置外窗的情况下，且南向窗固定时，北侧外窗抬高开启高度，且横向加大散热面积，更有利于热量散失。通过下图对比分析得出，竖向外窗(图16)垂直散热区域面积最大，分散式外窗(图15)和横向高侧窗(图17)次之。但分散式外窗和横向高侧窗的水平散热区域要优于竖向外窗。分散式外窗由于其横向和竖向长度适中，散热效果最好。而上述分析横向高侧窗更利于排出室内热量。综合来看，虽然北侧横向高侧窗通风以及采光效果都一般，但是其更适合该变压器生产厂房，因为随着设备运转产生的热量不断循环上升，横向高侧窗以高度高和横向跨度大等优势更利于排出室内余温余热。

2) 天窗散热分析 厂房良好的自然通风不仅能够排除室内余温余热，补充新鲜空气，改善室内环境，有利于工人的身体健康。内外空气的温度差使得热量向上部聚集，因此，在厂房的上部开设通风换气通道是解决散热问题的有效手段。分析得出，当厂房高度小于等于8.0 m时，南侧的外窗与北侧水平开启的高侧窗形成自然通风，空气流动能够带走室内上部聚集的热量；但当厂房较高（超过8.0 m时），空气流动速度降低，散热效果下降。天窗的散热效果较为明显。平天窗(图20)易于产生眩光，在散热的过程又会吸收较多的太阳辐射热，不适合厂房散热设计。而锯齿形天窗(图19)和矩形天窗(图18)从散热效果来看基本相似，结合上文分析锯齿形天窗的采光方向过于单一，因此，矩形天窗的综合节能效果更佳。

3 结论

工业厂房节能是包括采光、通风、散热等多种因素共同构成的综合节能效应。厂房外窗科学合理的设计，是节能理念的具体体现。通过以上对比分析，总结在开窗面积限定的条件下（满足冬季保温节能），不同外窗形式、位置、开启方式，对厂房综合节能所产生的较大差异。本文从厂房室内采光、通风、散热三种情况进行分析，得出以下结论，希望能对一般性厂房建筑的综合节能设计提供专业参考：

1) 在寒冷地区，对于保温性能要求较高的厂房，当厂房为单跨时，南侧可开设较大面积的外窗；多跨（≥2跨）时，可增加高窗，既有利于采光也有助于吸收太阳能；而北侧以高侧窗为宜，主要解决厂房内部空气流通，同时能够避免北向冷空气渗透；屋顶尽量不开窗。

2) 在温热地区，尤其当厂房有除热除湿要求时，南向外窗面积适当减小，北向对应开窗，形成空气对流，同时可增设矩形或锯齿形天窗，以加大通风和散热量；尽量不开设平天窗，避免阳光直射造成眩光和室内过热现象。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 工业建筑节能设计统一标准: GB 51245—2017 [S]. 北京: 中国计划出版社, 2017.

[2] 周宏坤, 陈国杰, 周曦, 等. 夏热冬冷地区被动式建筑外窗节能参数研究[J]. 城市建筑, 2023, 20(5): 1-5, 15.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑采光设计标准: GB 50033—2013 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2013.

[4] 杨国强. 窗墙比例对工业厂房建筑能耗的影响研究[D].天津: 天津大学, 2011.

[5] 朱明. 火力发电厂绿色建筑技术设计策略研究[D]. 济南:山东建筑大学, 2016.

[6] 闫海仙. 工业建筑节能研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2012.

[7] 蔡茵茵. 建筑外窗节能设计分析[J]. 门窗, 2015(5): 164.

[8] 吴倩. 建筑外窗设计研究[D]. 北京: 北京建筑大学, 2013.

基金资助

内蒙古工业大学横向科研课题“基于绿色生态技术的厂区规划设计研究”