靳 飛

綠色建筑是指在建筑全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、減少污染、保護環(huán)境，提供適用、健康、安全、高效使用空間的工業(yè)建筑[1]。

為了減少工業(yè)建筑在設(shè)計與建設(shè)層面對于能源的浪費與消耗，工業(yè)建筑領(lǐng)域也應(yīng)引入綠色建筑理念，在設(shè)計中予以注重和改進，體現(xiàn)綠色與環(huán)保。這對于我國的節(jié)能減排任務(wù)的完成、降低我國制造業(yè)成本、提高產(chǎn)品的國際競爭力以及我國制造業(yè)強國戰(zhàn)略的實現(xiàn)，都具有重大的戰(zhàn)略意義[2]。

1 我國綠色工業(yè)建筑發(fā)展概況

自2012年以來，我國已經(jīng)開始對綠色工業(yè)建筑進行評審，當(dāng)年獲得綠色工業(yè)建筑標識的工業(yè)建筑超過36萬m2。近幾年來，綠色工業(yè)建筑保持穩(wěn)步增長，據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2017年12月底，全國約評出56項綠色工業(yè)建筑評價標識項目，總建筑面積約823萬m2（圖1～2）。

圖1 綠色工業(yè)建筑評價標識項目數(shù)量逐年發(fā)展狀況（數(shù)量）

圖2 綠色工業(yè)建筑評價標識項目面積逐年發(fā)展情況（面積）

其中，2012年—2017年（以自然年為統(tǒng)計單位），綠色工業(yè)建筑項目信息如下：設(shè)計標識項目48項，占總數(shù)的85.7% ，建筑面積為682.5萬m2；運行標識項目8項，占總數(shù)的14.3%，建筑面積為140.2萬m2。

綠色工業(yè)建筑項目分布于我國16個地區(qū)，與民用綠色建筑分布特點相似，東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)項目數(shù)量優(yōu)勢明顯。綠色工業(yè)建筑項目整體星級較高，獲得綠色工業(yè)建筑標識的項目中，各星級的組成比例為：一星級8項，占14.3%，面積69.2萬m2；二星級24項，占42.9%，面積108.0萬m2；三星級24項，占42.9%，面積645.6萬m2；獲得評價標識的綠色工業(yè)建筑中，以廣東、上海、江蘇、天津分布較多（圖3～4）。

圖3 2012—2017綠色工業(yè)建筑評價標識項目星級分布

獲得綠色工業(yè)建筑標識的58個項目中有10個項目為運行標識。所占比例為17.2%遠遠高于民用綠色建筑的比例（5.1%）。從一定程度上說明，工業(yè)建筑領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保技術(shù)措施相比于民用綠色建筑的落實率較高[3]。

2 被動式設(shè)計策略的概念與意義

被動式設(shè)計策略（passive design strategy）：就是順應(yīng)自然界的陽光、風(fēng)力、氣溫、濕度的自然原理，盡量不依賴能源的消耗，以規(guī)劃、設(shè)計、環(huán)境配置的建筑手法來改善和創(chuàng)造舒適的居住環(huán)境，充分利用自然資源，降低對機械設(shè)備的依賴程度。

被動式設(shè)計策略的幾個主要途徑：合理的朝向、自然通風(fēng)、外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、遮陽體系設(shè)計以及基于被動式設(shè)計的綠色建筑模擬分析。

對于綠色建筑來說，建筑設(shè)計策略大致分為被動式設(shè)計策略和主動式設(shè)計策略。從廣義上說，被動式設(shè)計策略主要是指“前空調(diào)系統(tǒng)時代”中，建筑設(shè)計所采用合適朝向、自然通風(fēng)、蓄熱材料、遮陽裝置等策略的設(shè)計類型（圖5），在我國各個地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展水平更加參差不齊。這都使得能夠結(jié)合中國國情的，以“因地制宜”為重要原則的被動式設(shè)計策略在我國的綠色建筑設(shè)計中突顯重要意義[4]。

圖4 2012—2017綠色工業(yè)建筑評價標識項目地區(qū)分布

圖5 綠色建筑設(shè)計兩大策略分析圖

3 綠色工業(yè)建筑基于被動式設(shè)計策略的分類

3.1 綠色工業(yè)建筑的類型特點

首先，在民用建筑中：住宅建筑特別重視室內(nèi)環(huán)境，公共建筑特別注重整體建筑服務(wù)系統(tǒng)。而工業(yè)建筑則需特別考慮生產(chǎn)工藝。相應(yīng)地，綠色工業(yè)建筑也因此需要照顧生產(chǎn)工藝而無法應(yīng)用某些綠色技術(shù)，或者結(jié)合生產(chǎn)工藝應(yīng)用特別的綠色技術(shù)。其次，綠色工業(yè)建筑在一些基準的設(shè)計標準上，也與一般民用建筑有所不同，除了一些工藝上對熱、濕、風(fēng)速或空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)有要求的廠房（恒溫恒濕），大多數(shù)的加工、改造和組裝等工藝類型的廠房對環(huán)境的要求是比較寬泛的。在廠房空間內(nèi)，溫度、濕度和風(fēng)速參數(shù)基本的依據(jù)標準為《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標準》（GBZ1）。主要考慮的是低溫高溫對生產(chǎn)人員影響的職業(yè)衛(wèi)生指標，而對于廠房內(nèi)的辦公室、值班室和操控室等有人員駐留的生產(chǎn)輔助空間，可以適當(dāng)考慮熱舒適性。

3.2 綠色工業(yè)建筑基于被動式設(shè)計策略的分類

現(xiàn)代工業(yè)廠房因為制造和儲藏物品類型的不同，所以分類相對也比較復(fù)雜。一般可以按用途劃分、按生產(chǎn)狀況劃分、按照生產(chǎn)的火災(zāi)危險性分類等。 在綠色工業(yè)建筑中，如果要基于被動式設(shè)計策略來進行分類，就要對廠房類型和性質(zhì)做出具體研究，分析出不同類型廠房各自適用的被動式策略措施（表1）。

表1 我國目前的綠色工業(yè)建筑基于被動式建筑設(shè)計分類

4 被動式設(shè)計策略在某類型綠色工業(yè)建筑設(shè)計中的應(yīng)用分析

在我國目前的綠色工業(yè)建筑設(shè)計中，由于各種原因及條件的限值，以及不同類型的工業(yè)建筑的工藝流程有著很大區(qū)別，在各種各樣已建的綠色工業(yè)建筑中對于被動式設(shè)計策略的應(yīng)用的方面與深度各有不同，也就無法對某單一綠色工業(yè)建筑案例進行綜合全面的被動式設(shè)計策略分析。所以本文就以一棟模擬的標準化冷加工車間通用工業(yè)廠房模型為例，去進行被動式設(shè)計策略在綠色工業(yè)建筑設(shè)計中的應(yīng)用分析。擬通過對模型分析后得出的圖片和計算數(shù)據(jù)比較，深入淺出分析被動式設(shè)計策略的各個要點的節(jié)能效果并研究其各自的節(jié)能特點，以期用可視化的圖片和具體數(shù)據(jù)提供被動式設(shè)計策略在綠色工業(yè)建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢。

4.1 模型信息

本文建立一棟標準化的通用冷加工車間工業(yè)廠房建筑模型（圖6），其基本信息如下：建筑位于上海市（界于東經(jīng)120°52′-122°12′，北緯30°40′-31°53′之間），屬夏熱冬冷氣候區(qū)，建筑朝正南向，為板式一層框架結(jié)構(gòu)，平面為長方形：長為81m、寬為45m，柱間距均為9m；建筑物高度為5.4m，外窗尺寸為3.6m（寬）×2.4m（高），計算建筑面積為3645m2，建筑表面積為5005.8m2，建筑體積為19683m3，體形系數(shù)為0.254。

圖6 普通標準通用廠房模型平面圖

4.2 應(yīng)用分析

（1）合理的朝向

合理的建筑朝向一般是根據(jù)建筑太陽的照射方位長度角和建筑高度方位角進行綜合測量數(shù)據(jù)，確定好最合適的住宅建筑整體朝向和位置方位，在目前我國最佳建筑朝向一般都是位于正南方向。

a 風(fēng)環(huán)境與朝向

項目建筑的室外風(fēng)環(huán)境模擬分析，不僅可以得知其建筑周邊活動區(qū)域的風(fēng)速分布，也可知曉建筑在過渡季節(jié)（春季與秋季）迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差，從而算得建筑室內(nèi)主要功能區(qū)域的換氣次數(shù)。項目建筑呈現(xiàn)矩形，分別在過渡季節(jié)（春季與秋季），實現(xiàn)三種朝向：①長邊朝南北，短邊朝東西；②長邊朝東西，短邊朝南北；③長邊朝春季季風(fēng)方向（東偏南22.5°），短邊朝秋季季風(fēng)方向（北偏東22.5°）。

室外風(fēng)模擬所用季風(fēng)方向數(shù)據(jù)參照上海市地方標準《建筑環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)規(guī)范》DB 31/T922—2015中提供的上海市典型氣象年風(fēng)向、風(fēng)頻統(tǒng)計選取各季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)速（表2～3）。其中春季東南偏東向風(fēng)的頻率最大和秋季東北偏北向風(fēng)的頻率最大。因此，本文模擬分析均采用過渡季季節(jié)風(fēng)速風(fēng)向：春季ESE 3.8m/s，秋季 NNE 3.9m/s作為模擬分析的邊界條件。

表2 春季工況 不同朝向換氣次數(shù)統(tǒng)計表

表3 秋季工況 不同朝向換氣次數(shù)統(tǒng)計表

在春季ESE 3.8 m/s與秋季 NNE 3.9m/s的工況下，項目建筑長邊朝南北工況下過渡季節(jié)平均換氣次數(shù)為5.75次/h；長邊朝東西工況下過渡季節(jié)平均換氣次數(shù)為4.65次/h；長邊朝季風(fēng)風(fēng)向工況下，過渡季節(jié)平均換氣次數(shù)為7.07次/h。由圖7所示，場地室外風(fēng)環(huán)境得出的建議項目建筑設(shè)計朝向為：長邊朝季風(fēng)方向>長邊朝南北方向>長邊朝東西方向。

圖7 不同朝向建筑換氣次數(shù)統(tǒng)計對比圖

b 自然采光與朝向

建筑不同的朝向?qū)τ谑覂?nèi)主要功能空間的采光性能也有一定的影響，在斯維爾采光計算軟件Dali2020中，建模并模擬計算，比較項目建筑長邊朝南北方向與長邊朝東西方向的采光性能（表4）。

表4 建筑不同朝向采光系數(shù)統(tǒng)計表

《建筑采光設(shè)計標準》GB50033—2013以采光系數(shù)平均值作為采光設(shè)計的關(guān)鍵性評價指標。采光系數(shù)指在室內(nèi)給定平面上的一點，由直接或間接地接收來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產(chǎn)生的照度（En，lx）與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度（Ew，lx）之比，即：

式中：En：室內(nèi)照度；Ew：室外照度（lx)

由圖8可以得出，建筑長邊朝南北之后有了更好的太陽光攝入室內(nèi)，有著更好的采光性能。

圖8 不同朝向采光系數(shù)分布圖

圖9 房間換氣次數(shù)統(tǒng)計對比圖

c 日照輻射量與朝向

日照輻射量是指：選取太陽日照輻射量最小的12月21日（即冬至日），模擬計算朝向?qū)τ谔柸照蛰椛淞康挠绊懀嬎愕贸龆寥諘r單位面積累計太陽日照輻射量。經(jīng)過計算，通過表5可以看出，長邊朝南的日照輻射量比短邊朝南多大約32.4%，但對于采光卻影響較小。由此可以得出，為了保證充足的太陽日照輻射量，減小廠房在冬季的采暖能耗，我們應(yīng)當(dāng)選取長邊朝南的方案。

表5 冬至日立面累計太陽輻射量統(tǒng)計表

（2）自然通風(fēng)

建筑通風(fēng)是指建筑物內(nèi)部和外部的空氣交換、混合的過程與現(xiàn)象，是影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的最主要因素，通過有利的自然通風(fēng)，可以為建筑物提供新鮮空氣、降低室內(nèi)溫度，在工業(yè)廠房類建筑中，自然通風(fēng)對于延緩過渡季節(jié)空調(diào)開啟的時間，減少空調(diào)的能耗尤為重要。

a 建筑間距與自然通風(fēng)

在廠區(qū)建筑中，廠房往往成組布置，建筑與建筑之間會產(chǎn)生通風(fēng)的影響，從而會對項目建筑的室內(nèi)空氣質(zhì)量有著很大的影響，所以我們對廠房的間距也提出了方案進行研究。創(chuàng)造6棟廠房，并設(shè)計了從5～50m若干種不同的樓棟間距，模擬實際情況，從而取得最合適的建筑間距。

本項目的自然通風(fēng)計算方法采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)法對該建筑室內(nèi)換氣次數(shù)進行計算，多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)法即把室內(nèi)各房間分為不同的通風(fēng)換氣區(qū)域，以門窗風(fēng)壓作為邊界條件，不同區(qū)域之間通過聯(lián)通的門窗作為連接，進行數(shù)據(jù)的傳輸，最終獲得各個房間的換氣次數(shù)。

房間換氣次數(shù)的計算源于通風(fēng)路徑空氣質(zhì)量流量的計算，基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)法的空氣質(zhì)量流量計算如下式：

其中：

Q——房間體積流量（m3/s）；

?P——相鄰房間之間門窗的風(fēng)壓差；

Cd——流量系數(shù)，對于大的建筑洞口，取0.5，對于狹小的洞口取0.65，本項目計算取0.6；

A——洞口面積（m2）；

ρ——空氣密度（kg/m3）；

通過上述方法獲取一個房間的體積流量Q之后，即可進行房間換氣次數(shù)的計算：

其中：

Q——房間體積流量（m3/s）；

Acr——換氣次數(shù)（次/h）；

V——房間體積（m3）；

通過計算得出在不同間距的情況下，建筑的換氣次數(shù)統(tǒng)計表和對比圖（表6，圖10）。

表6 房間換氣次數(shù)統(tǒng)計表

圖10 有無外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計能耗對比圖

由圖9可以得出，當(dāng)間距為20m以上時，室內(nèi)自然通風(fēng)換氣次數(shù)達到2次/h，滿足綠建國標要求，由此可知，該類型大小的廠房，最小設(shè)計間距應(yīng)滿足20～25m以上會達到比較好的通風(fēng)效果。

b 天窗與自然通風(fēng)

因為廠房建筑一般的進深都比較大，在本文中選取了建筑模型中，建筑的進深達到了45m，室內(nèi)的通風(fēng)會因為進深大而無法很好的通過南北墻面上的開窗形成較好的自然通風(fēng)，所以擬在屋頂增加了屋頂天窗之后，經(jīng)過計算由（表7）可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置中庭天窗明顯增加了室內(nèi)的換氣次數(shù)，減少過渡季節(jié)室內(nèi)空調(diào)能耗。

表7 有無天窗室內(nèi)房間換氣次數(shù)統(tǒng)計表

（3）外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑的外圍護結(jié)構(gòu)部分保溫性能對于工業(yè)廠房類建筑的能耗有著非常大的影響，建筑的保溫隔熱性能越好，室內(nèi)的溫度就越不容易流失，對于降低空調(diào)能耗有著顯著的作用，通常我們設(shè)計的圍護結(jié)構(gòu)為：屋頂、墻體與窗戶。

為使建筑模型具有代表性，圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造采用常用做法，具體材料由外到內(nèi)依次如下所述。

a 外墻：（自外而內(nèi)）水泥砂漿 20mm＋擠塑聚苯板（ρ=25-32）20mm＋水泥砂漿20mm＋鋼筋混凝土200mm＋石灰砂漿20mm。

b 屋面：（自上而下）碎石、卵石混凝土（ρ=2300）40mm＋擠塑聚苯板（ρ=25-32）20mm＋水泥砂漿20mm＋加氣混凝土、泡沫混凝土（ρ=700）80mm＋鋼筋混凝土120mm＋石灰砂漿20mm。

c 外窗：12A鋼鋁單框雙玻窗（平均）：傳熱系數(shù)2.200W/m2·K，太陽得熱系數(shù)0.652。

由建筑節(jié)能率I0的定義可知，建筑設(shè)置保溫隔熱后的設(shè)計建筑能耗（W0）與未設(shè)保溫隔熱時的基準建筑能耗（WJ）存在差值，此差值與基準建筑能耗的比值即為建筑節(jié)能率[5]。在斯維爾BESI中并未設(shè)置基準建筑能耗這一參數(shù)，軟件計算時所采用的參照建筑能耗（W）即為剛好達到基準能耗50%節(jié)能標準時的能耗值（表8）。依據(jù)以上分析可以推導(dǎo)出建筑節(jié)能率的計算公式為：

表8 有無外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計能耗統(tǒng)計表

I0=（WJ-W0）/WJ

使用圍護結(jié)構(gòu)保溫措施之后，通過計算，耗熱量與耗冷量有明顯的降低，耗熱量降低約37.15%，耗冷量降低約40.07%。由此可見，在通用類廠房建筑中做好外維護結(jié)構(gòu)設(shè)計對于減少建筑全年的冷熱能耗都有著非常重要的作用（圖10）。

（4）遮陽體系設(shè)計

建筑遮陽體系的作用是通過降低過熱和炫光來提高室內(nèi)的舒適性和視覺的舒適性，還有就是提高隔性，建筑外遮陽是夏季最有效的隔熱措施之一。

在不同的季節(jié)，太陽照射在建筑表皮，會對建筑室內(nèi)的溫度有一定的影響，在不改變建筑外圍護結(jié)構(gòu)的情況下，在建筑立面的透明部分（即建筑的窗戶）頂部統(tǒng)一增設(shè)寬度為600mm的遮陽板。對比無遮陽工況下，計算對于建筑內(nèi)部的溫度變化以及帶來的能耗變化。

經(jīng)過計算得出：有固定遮陽的情況下，全年的耗熱量為280377.574kWh，耗冷量為475167.072kWh；無遮陽工況下，全年耗熱量為260950.465kWh，耗冷量為511463.529kWh。耗熱同比增加19，427.109 kWh，耗冷量同比減少36，296.457。共計節(jié)能16，869.348kWh（圖11）。

圖11 有無遮陽體系設(shè)計的建筑能耗對比圖

所以建議設(shè)置可調(diào)節(jié)遮陽體系，夏季能夠有效遮擋陽光，冬季則不遮擋陽光。主要是減少夏季的冷負荷耗能（表9）。

表9 有無遮陽體系設(shè)計建筑能耗統(tǒng)計表

結(jié)語

我國目前正處于工業(yè)化加速發(fā)展時期，發(fā)展綠色工業(yè)建筑將是整個工業(yè)行業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，綠色工業(yè)建筑已經(jīng)成為工業(yè)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。經(jīng)過本文的研究分析可以看到，通過將幾種被動式設(shè)計策略在綠色工業(yè)建筑設(shè)計中的應(yīng)用，可以為主動式技術(shù)的高效利用提供一個良好的基礎(chǔ)，為可能的設(shè)備和能耗減量提供了最有力的基礎(chǔ)保證。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。