我國綠色工業建筑被動式設計策略探析
——以某標準化通用冷加工工業廠房為例

靳 飛

綠色建筑是指在建筑全壽命周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、減少污染、保護環境，提供適用、健康、安全、高效使用空間的工業建筑[1]。

為了減少工業建筑在設計與建設層面對于能源的浪費與消耗，工業建筑領域也應引入綠色建筑理念，在設計中予以注重和改進，體現綠色與環保。這對于我國的節能減排任務的完成、降低我國制造業成本、提高產品的國際競爭力以及我國制造業強國戰略的實現，都具有重大的戰略意義[2]。

1 我國綠色工業建筑發展概況

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

圖1 綠色工業建筑評價標識項目數量逐年發展狀況（數量）

圖2 綠色工業建筑評價標識項目面積逐年發展情況（面積）

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

綠色工業建筑項目分布于我國16個地區，與民用綠色建筑分布特點相似，東部經濟發達地區項目數量優勢明顯。綠色工業建筑項目整體星級較高，獲得綠色工業建筑標識的項目中，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綠色工業建筑評價標識項目星級分布

獲得綠色工業建筑標識的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，工業建筑領域節能環保技術措施相比于民用綠色建筑的落實率較高[3]。

2 被動式設計策略的概念與意義

被動式設計策略（passive design strategy）：就是順應自然界的陽光、風力、氣溫、濕度的自然原理，盡量不依賴能源的消耗，以規劃、設計、環境配置的建筑手法來改善和創造舒適的居住環境，充分利用自然資源，降低對機械設備的依賴程度。

被動式設計策略的幾個主要途徑：合理的朝向、自然通風、外圍護結構設計、遮陽體系設計以及基于被動式設計的綠色建筑模擬分析。

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

圖4 2012—2017綠色工業建筑評價標識項目地區分布

圖5 綠色建筑設計兩大策略分析圖

3 綠色工業建筑基于被動式設計策略的分類

3.1 綠色工業建筑的類型特點

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

3.2 綠色工業建筑基于被動式設計策略的分類

現代工業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雜。一般可以按用途劃分、按生產狀況劃分、按照生產的火災危險性分類等。 在綠色工業建筑中，如果要基于被動式設計策略來進行分類，就要對廠房類型和性質做出具體研究，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建筑基于被動式建筑設計分類

4 被動式設計策略在某類型綠色工業建筑設計中的應用分析

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

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120°52′-122°12′，北緯30°40′-31°53′之間），屬夏熱冬冷氣候區，建筑朝正南向，為板式一層框架結構，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，體形系數為0.254。

圖6 普通標準通用廠房模型平面圖

4.2 應用分析

（1）合理的朝向

合理的建筑朝向一般是根據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據，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 風環境與朝向

項目建筑的室外風環境模擬分析，不僅可以得知其建筑周邊活動區域的風速分布，也可知曉建筑在過渡季節（春季與秋季）迎風面與背風面的風壓差，從而算得建筑室內主要功能區域的換氣次數。項目建筑呈現矩形，分別在過渡季節（春季與秋季），實現三種朝向：①長邊朝南北，短邊朝東西；②長邊朝東西，短邊朝南北；③長邊朝春季季風方向（東偏南22.5°），短邊朝秋季季風方向（北偏東22.5°）。

室外風模擬所用季風方向數據參照上海市地方標準《建筑環境數值模擬技術規范》DB 31/T922—2015中提供的上海市典型氣象年風向、風頻統計選取各季節主導風向和風速（表2～3）。其中春季東南偏東向風的頻率最大和秋季東北偏北向風的頻率最大。因此，本文模擬分析均采用過渡季季節風速風向：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 不同朝向換氣次數統計表

表3 秋季工況 不同朝向換氣次數統計表

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平均換氣次數為5.75次/h；長邊朝東西工況下過渡季節平均換氣次數為4.65次/h；長邊朝季風風向工況下，過渡季節平均換氣次數為7.07次/h。由圖7所示，場地室外風環境得出的建議項目建筑設計朝向為：長邊朝季風方向>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統計對比圖

b 自然采光與朝向

建筑不同的朝向對于室內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統計表

《建筑采光設計標準》GB50033—2013以采光系數平均值作為采光設計的關鍵性評價指標。采光系數指在室內給定平面上的一點，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生的天空漫射光照度（Ew，lx）之比，即：

式中：En：室內照度；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，有著更好的采光性能。

圖8 不同朝向采光系數分布圖

圖9 房間換氣次數統計對比圖

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），模擬計算朝向對于太陽日照輻射量的影響，計算得出冬至日時單位面積累計太陽日照輻射量。經過計算，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，我們應當選取長邊朝南的方案。

表5 冬至日立面累計太陽輻射量統計表

（2）自然通風

建筑通風是指建筑物內部和外部的空氣交換、混合的過程與現象，是影響室內空氣質量的最主要因素，通過有利的自然通風，可以為建筑物提供新鮮空氣、降低室內溫度，在工業廠房類建筑中，自然通風對于延緩過渡季節空調開啟的時間，減少空調的能耗尤為重要。

a 建筑間距與自然通風

在廠區建筑中，廠房往往成組布置，建筑與建筑之間會產生通風的影響，從而會對項目建筑的室內空氣質量有著很大的影響，所以我們對廠房的間距也提出了方案進行研究。創造6棟廠房，并設計了從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。

本項目的自然通風計算方法采用多區域網絡法對該建筑室內換氣次數進行計算，多區域網絡法即把室內各房間分為不同的通風換氣區域，以門窗風壓作為邊界條件，不同區域之間通過聯通的門窗作為連接，進行數據的傳輸，最終獲得各個房間的換氣次數。

房間換氣次數的計算源于通風路徑空氣質量流量的計算，基于多區域網絡法的空氣質量流量計算如下式：

其中：

Q——房間體積流量（m3/s）；

?P——相鄰房間之間門窗的風壓差；

Cd——流量系數，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的計算：

其中：

Q——房間體積流量（m3/s）；

Acr——換氣次數（次/h）；

V——房間體積（m3）；

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

表6 房間換氣次數統計表

圖10 有無外圍護結構設計能耗對比圖

由圖9可以得出，當間距為20m以上時，室內自然通風換氣次數達到2次/h，滿足綠建國標要求，由此可知，該類型大小的廠房，最小設計間距應滿足20～25m以上會達到比較好的通風效果。

b 天窗與自然通風

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，室內的通風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，所以擬在屋頂增加了屋頂天窗之后，經過計算由（表7）可以發現，設置中庭天窗明顯增加了室內的換氣次數，減少過渡季節室內空調能耗。

表7 有無天窗室內房間換氣次數統計表

（3）外圍護結構設計

建筑的外圍護結構部分保溫性能對于工業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，室內的溫度就越不容易流失，對于降低空調能耗有著顯著的作用，通常我們設計的圍護結構為：屋頂、墻體與窗戶。

為使建筑模型具有代表性，圍護結構的構造采用常用做法，具體材料由外到內依次如下所述。

a 外墻：（自外而內）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2.200W/m2·K，太陽得熱系數0.652。

由建筑節能率I0的定義可知，建筑設置保溫隔熱后的設計建筑能耗（W0）與未設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能率[5]。在斯維爾BESI中并未設置基準建筑能耗這一參數，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%節能標準時的能耗值（表8）。依據以上分析可以推導出建筑節能率的計算公式為：

表8 有無外圍護結構設計能耗統計表

I0=（WJ-W0）/WJ

使用圍護結構保溫措施之后，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構設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，太陽照射在建筑表皮，會對建筑室內的溫度有一定的影響，在不改變建筑外圍護結構的情況下，在建筑立面的透明部分（即建筑的窗戶）頂部統一增設寬度為600mm的遮陽板。對比無遮陽工況下，計算對于建筑內部的溫度變化以及帶來的能耗變化。

經過計算得出：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。共計節能16，869.348kWh（圖11）。

圖11 有無遮陽體系設計的建筑能耗對比圖

所以建議設置可調節遮陽體系，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 有無遮陽體系設計建筑能耗統計表

結語

我國目前正處于工業化加速發展時期，發展綠色工業建筑將是整個工業行業能夠可持續發展的必然選擇，綠色工業建筑已經成為工業行業發展的必然趨勢。經過本文的研究分析可以看到，通過將幾種被動式設計策略在綠色工業建筑設計中的應用，可以為主動式技術的高效利用提供一個良好的基礎，為可能的設備和能耗減量提供了最有力的基礎保證。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。