嚴寒地區(qū)煤炭物流園廠前區(qū)建筑設計

趙大千

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司， 北京 100120）

1 研究背景

煤炭作為我國的主要能源，在我國的經濟結構中占據著重要的地位。而煤炭資源的分布和消費情況決定了我國煤炭的調運量是非常巨大的。這就決定了我國煤炭物流市場具有廣闊的前景，煤礦選煤廠向新型煤炭物流園轉型是一個必然的結果。

新型煤炭物流絕不等同于貨物運輸。因為在煤炭資源得到潔凈生產和高效利用的同時，過程中貫穿著物流企業(yè)所提供的物流服務。隨著《物流業(yè)調整和振興規(guī)劃》的出臺，煤炭物流也迎來了前所未有的發(fā)展機遇。當前，在整個物流業(yè)發(fā)展的過程中，煤炭物流顯得更為重要。

新型煤炭物流園大多都是原煤炭生產企業(yè)、煤炭需求企業(yè)自營物流。而全國目前大部分儲煤能源隸屬我國嚴寒寒冷地區(qū)，屬大陸性氣候，即冬冷夏熱，冬季寒冷且漫長，夏季燥熱而時短，雨熱同季。受季風氣候影響，大部分地區(qū)冬季主導風向西北風，夏季主導風向東南風。由于緯度位置高，太陽輻射較我國其他地區(qū)強，所以有著豐富的太陽能資源。長期以來，煤礦設計的重點在開采、運輸、通風等生產環(huán)節(jié)，而對廠前區(qū)的設計不太重視。隨著煤炭物流園興起，煤礦企業(yè)也越來越重視自己的企業(yè)形象，希望形成獨特的、個性鮮明的企業(yè)文化，而廠前區(qū)的設計無疑是企業(yè)文化最好、最重要的載體。同時，據統(tǒng)計，在公共建筑（特別是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等）的全年能耗中，大約 50%-60%消耗于空調制冷與采暖系統(tǒng)，20%-30%用于照明。而在空調采暖這部分能耗中，大約 20%-50%由外圍護結構傳熱所消耗（夏熱冬暖地區(qū)大約20%，夏熱冬冷地區(qū)大約35%，寒冷地區(qū)大約40%，嚴寒地區(qū)大約 50%）。

基于對地域及建筑能耗特點的分析得出：（1）嚴寒地區(qū)的新型煤炭物流園區(qū)，建筑節(jié)能設計的重點是冬季防寒保溫避風沙。（2）由于新型煤炭物流園區(qū)別于老舊的選煤廠，作為新型智能自動化園區(qū)，建筑的室內環(huán)境品質要求高，還要兼顧夏季的制冷以及室內濕度的要求。（3）太陽能將是嚴寒地區(qū)新型煤炭物流園設計中最優(yōu)越豐富的可再生能源。（4）在嚴寒地區(qū)，減少建筑外圍護結構的傳熱量將是新型煤炭物流園區(qū)建筑節(jié)能設計中最有效的方式之一。

本文以暖水煤炭物流園廠前區(qū)建筑設計為例對嚴寒地區(qū)煤炭物流園廠前區(qū)的建筑設計特點加以分析、探討。

2 項目概況

準格爾旗暖水煤炭物流園區(qū)位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗暖水鄉(xiāng)，地處準格爾煤田核心區(qū)域，項目依托新巴準鐵路建設，主要吸引區(qū)域—準格爾中南部資源整合區(qū)和東勝南礦區(qū)，屬于鄂爾多斯市重要煤炭生產區(qū)。暖水煤炭物流中心總建設規(guī)模 2000 萬噸/年。本次工程建設規(guī)模 1000 萬噸/年，其中篩分破碎干選能力 500萬噸/年；預留二期工程建設規(guī)模 1000 萬噸/年。

場地條件，廠前區(qū)是在工業(yè)廣場中最西端比較方正的一塊用地，主入口在這塊場地的正南側，東北方向與工業(yè)區(qū)銜接的部位為裝車區(qū)，以東的主要區(qū)域為工業(yè)場地用地范圍。

甲方主要的意向。生活區(qū)主要兼顧三個功能，辦公，居住，生活服務，行政辦公樓正對主入口，完全對稱，面積控制在 3000㎡，包括辦公室、會議室、集控室等[1]；職工生活服務要求布置食堂餐廳、領導包間、會議廳及室內球館；職工公寓包括標間、套間，套間要求配有廚房功能[2]。

3 建筑設計

3.1 建筑平面的設計——選用集中式平面形式，減少體形系數

生活區(qū)雖用地方正，但整個場地為東西向延伸的長方形，用地偏窄。起初，生活區(qū)根據甲方要求采用不對稱的三個建筑藝術形態(tài)，但在嚴寒地區(qū)的建筑設計過程中發(fā)現，減少建筑的外界面面積，即減小建筑的體型系數（K=S/V），從而降低能量流失，是嚴寒地區(qū)保溫防寒行之有效的方法之一。繼而在建筑平面設計過程中，可以優(yōu)先選用類似圓形、三角形、正方形等相對集中規(guī)則的平面形式。地面單體建筑原包括行政辦公樓、生活服務中心及職工公寓三部分。經過結合氣候特點、場地條件、甲方的要求等因素，最終方案在場地規(guī)劃上劃分了兩個分區(qū)：主要包括行政辦公區(qū)——門衛(wèi)、前廣場、辦公樓文體聯建；生活區(qū)——職工公寓及食堂聯建，如圖1所示。全部平面形式選用長方形，生活區(qū)建筑平面較長，可通過加大建筑進深來減小體系系數。三個分區(qū)的分配與重組，在差異與類同、集約與分散、核心與邊緣三方面考慮建筑布置。

圖1 暖水物流園區(qū)廠前區(qū)總平面布置圖

3.2 建筑立面的設計——合理控制窗墻比，有效利用節(jié)能門窗

在嚴寒地區(qū)物流園民建的節(jié)能設計中，首先考慮建筑立面在滿足自然通風的情況下，不同的立面朝向，根據房間功能的不同，開窗的面積應有區(qū)別。面對冬季主導風向且太陽輻射少的立面，應盡量減少開窗面積且不用設置凸窗。而南向立面則加大開窗面積，以獲得更多的太陽輻射，但是窗墻比也是有限制的，嚴寒地區(qū)居住建筑窗墻比應不大于0.45，嚴寒地區(qū)公共建筑窗墻比不大于0.6[3]。其次，考慮建筑立面引入攀藤植物式的綠化及建筑的外門應設置門斗，可以起到夏季降低建筑外表面溫度和冬季防寒防沙的作用。

外窗保溫性能主要取決于外窗的傳熱系數和遮陽系數，嚴寒地區(qū)更適宜用低傳熱系數高遮陽系數類型的外窗。[4]因此，新型保溫節(jié)能門窗也能有效減少熱工的損耗，通過利用先進的技術和環(huán)保材料，提高建筑門窗保溫和隔熱性能，現代的新型保溫節(jié)能門窗有鋁合金節(jié)能門窗、塑料節(jié)能門窗、鋁塑節(jié)能門窗、鋁木節(jié)能門窗、木塑鋁節(jié)能門窗、玻纖增強聚氨酯節(jié)能門窗、外卷簾遮陽一體化集成型節(jié)能門窗、彩鋼節(jié)能門窗等。合理化設計結合新科技門窗的運用，把能耗熱損降到最低。

3.3 建筑剖面的設計——引入中庭，打造天然日光房

對與嚴寒地區(qū)的建筑來說，耗能特點主要是冬季的散熱器保暖，夏季空調制冷，而經合理引入中庭的設計則可以同時降低這兩方面的能耗。這里經合理設計的中庭從節(jié)能方面考慮要求中庭底部設有景觀綠化，頂部設有可開啟的玻璃采光通風頂，嚴寒地區(qū)建筑的屋面天窗面積與中庭屋面面積的比值不應大于0.10。

中庭底部采用室內綠化，植物成活率有保證，不僅豐富室內空間層次，創(chuàng)造良好的景觀環(huán)境，也改善室內微氣候，調節(jié)室內空氣。在節(jié)能設計中最重要的作用是降低了底部空間的溫度，加強了室內通風的力度。頂部或側墻設有的可開啟的玻璃采光通風設計，不僅可以使室內有良好的自然采光，而且其由于加熱頂部空氣，起到冬季采暖，夏季通風的效果。夏季，開啟中庭上部的采光通風玻璃，由于中庭的高度，使其有一個空氣上流的作用，室內的空氣產生的由下向上流動的自然風，結合建筑外表面的窗戶很好的組織通風。而中庭底部因綠化設計使建筑底部的空氣溫度比其他層高較低，中庭上部因可開啟采光通風玻璃，由于太陽光的照射使頂部空氣溫度比其他地方高，這種自然的溫差加速了建筑內部空氣流動，強化了自然通風效果。冬季關閉上部的采光通風玻璃窗，充足的太陽光能源，加熱中庭內空氣溫度，形成高于其它室內房間的大太陽房，從而作為熱交換的遞進過渡空間，起到了提升室內整體溫度的效果，達到節(jié)能減耗。

3.4 建筑功能的設計——建筑主要功能用房應選用南向

在平面布置時，應全面考慮到各用房空間功能的不同對舒適度要求的不同，建筑所在地理環(huán)境氣候特點的不同對建筑平面不同部位影響的不同，對其進行合理的布局房間。各功能房間中，對舒適度要求相對不高的房間如：服務性用房和交通空間用房等，宜布置于建筑北向，嚴寒地區(qū)此朝向冬季太陽輻射少且自然采光弱，冬季西北風影響下冷風滲透強，室內環(huán)境舒適度相對不高。而主要的功能房間即對舒適度要求高的房間，則可位于建筑的南向，冬季獲得充足的日照，從而保證良好的光環(huán)境，冷熱舒適度，這樣的布局也可以實現減少北部房間開窗面積的設想，降低保溫薄弱部位的熱流失。

3.5 建筑外圍護設計

墻體節(jié)能主要的措施由最初的內墻保溫、外墻保溫、內外墻保溫發(fā)展到現在以外墻保溫為主，屋面保溫為輔的外圍護保溫體系。使用環(huán)保、節(jié)能、防火型建筑材料，可有效減少通過圍護結構的傳熱，從而達到顯著的節(jié)能效果。[5]

3.6 建筑屋頂的設計——建筑宜采用正置式屋面，優(yōu)先選用太陽能熱水器，嘗試運用折疊式太陽能熱水器和屋頂綠化結合設計前文提到太陽能是嚴寒地區(qū)豐富的自然能源之一，因此在屋頂的設計中，從節(jié)能的角度考慮，有兩種可選擇的常用方法：一是種植屋頂綠化，二是屋頂利用太陽能熱水器。種植屋頂綠化，夏季可以降低屋頂表面溫度，是一種很好的適應季節(jié)周期變化的設計。但對于嚴寒地區(qū)，夏季較為短暫，植物生長期受地區(qū)特點限制，不能很好的發(fā)揮其設計優(yōu)勢。所以在有限的建筑屋頂面積中, 對于嚴寒地區(qū)建筑的節(jié)能設計來說，建議優(yōu)先考慮設置太陽能熱水器，而不是種植綠化屋頂。

隨著現在生活質量的不斷提升，人們對居住環(huán)境也有了一個層次的提高，公寓由八人間過渡到四人間，再從四人間過渡到現在標準間，太陽能熱水器數量也在逐步增加，而在屋頂面積一定的情況下，今后在太陽能熱水器技術更加成熟的前提下，也可試設計折疊式太陽能和屋頂綠化相結合的設計手法，將太陽能熱水器設計成折疊式，有效的節(jié)約了屋頂的使用面積，減少了屋面荷載。隨著季節(jié)而變，在冬季，煤炭物流園公寓熱水需求量大的時候，而且植物凋零不需要生長空間的時候，熱水器的面積增大，在夏季，熱水需求量小的時候，而且植物需要生長空間的時候，熱水器的面積縮小。這樣可以結合兩種設計的優(yōu)點，是對一種更好的適應季節(jié)周期變化的設想。

4 小結

能源轉型是我國的大政方針，煤炭企業(yè)近年來投入大量資金在進行煤礦建設與生產方面，重生產輕生活的特點尤為突出，在選煤廠逐步向煤炭物流園轉型的過渡中，通過這次暖水煤炭物流園設計過程中，深刻體會到人們在設計上從過去只注重滿足建筑質量及使用需求，逐步向提高行政居住空間環(huán)境品質發(fā)展。但最為主要的關注點，還是如何能使用最經濟手段達到提高煤炭行業(yè)建筑品質的目標，是目前亟待解決的問題。通過運用建筑氣候設計原理，借鑒地方傳統(tǒng)民居的綠色理念為嚴寒地區(qū)的新型煤炭物流園綠色節(jié)能設計提供了很好的思路。從總平面布局，到建筑不同功能分區(qū)再到建筑細節(jié)的合理化設計，使建筑充分運用契合該地區(qū)的氣候條件，從而實現建筑的可持續(xù)發(fā)展。