我国绿色工业建筑被动式设计策略探析——以某标准化通用冷加工工业厂房为例

靳 飞

绿色建筑是指在建筑全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、减少污染、保护环境，提供适用、健康、安全、高效使用空间的工业建筑[1]。

为了减少工业建筑在设计与建设层面对于能源的浪费与消耗，工业建筑领域也应引入绿色建筑理念，在设计中予以注重和改进，体现绿色与环保。这对于我国的节能减排任务的完成、降低我国制造业成本、提高产品的国际竞争力以及我国制造业强国战略的实现，都具有重大的战略意义[2]。

1 我国绿色工业建筑发展概况

自2012年以来，我国已经开始对绿色工业建筑进行评审，当年获得绿色工业建筑标识的工业建筑超过36万m2。近几年来，绿色工业建筑保持稳步增长，据不完全统计，截止到2017年12月底，全国约评出56项绿色工业建筑评价标识项目，总建筑面积约823万m2（图1～2）。

图1 绿色工业建筑评价标识项目数量逐年发展状况（数量）

图2 绿色工业建筑评价标识项目面积逐年发展情况（面积）

其中，2012年—2017年（以自然年为统计单位），绿色工业建筑项目信息如下：设计标识项目48项，占总数的85.7% ，建筑面积为682.5万m2；运行标识项目8项，占总数的14.3%，建筑面积为140.2万m2。

绿色工业建筑项目分布于我国16个地区，与民用绿色建筑分布特点相似，东部经济发达地区项目数量优势明显。绿色工业建筑项目整体星级较高，获得绿色工业建筑标识的项目中，各星级的组成比例为：一星级8项，占14.3%，面积69.2万m2；二星级24项，占42.9%，面积108.0万m2；三星级24项，占42.9%，面积645.6万m2；获得评价标识的绿色工业建筑中，以广东、上海、江苏、天津分布较多（图3～4）。

图3 2012—2017绿色工业建筑评价标识项目星级分布

获得绿色工业建筑标识的58个项目中有10个项目为运行标识。所占比例为17.2%远远高于民用绿色建筑的比例（5.1%）。从一定程度上说明，工业建筑领域节能环保技术措施相比于民用绿色建筑的落实率较高[3]。

2 被动式设计策略的概念与意义

被动式设计策略（passive design strategy）：就是顺应自然界的阳光、风力、气温、湿度的自然原理，尽量不依赖能源的消耗，以规划、设计、环境配置的建筑手法来改善和创造舒适的居住环境，充分利用自然资源，降低对机械设备的依赖程度。

被动式设计策略的几个主要途径：合理的朝向、自然通风、外围护结构设计、遮阳体系设计以及基于被动式设计的绿色建筑模拟分析。

对于绿色建筑来说，建筑设计策略大致分为被动式设计策略和主动式设计策略。从广义上说，被动式设计策略主要是指“前空调系统时代”中，建筑设计所采用合适朝向、自然通风、蓄热材料、遮阳装置等策略的设计类型（图5），在我国各个地区的经济社会发展水平更加参差不齐。这都使得能够结合中国国情的，以“因地制宜”为重要原则的被动式设计策略在我国的绿色建筑设计中突显重要意义[4]。

图4 2012—2017绿色工业建筑评价标识项目地区分布

图5 绿色建筑设计两大策略分析图

3 绿色工业建筑基于被动式设计策略的分类

3.1 绿色工业建筑的类型特点

首先，在民用建筑中：住宅建筑特别重视室内环境，公共建筑特别注重整体建筑服务系统。而工业建筑则需特别考虑生产工艺。相应地，绿色工业建筑也因此需要照顾生产工艺而无法应用某些绿色技术，或者结合生产工艺应用特别的绿色技术。其次，绿色工业建筑在一些基准的设计标准上，也与一般民用建筑有所不同，除了一些工艺上对热、湿、风速或空气质量等环境参数有要求的厂房（恒温恒湿），大多数的加工、改造和组装等工艺类型的厂房对环境的要求是比较宽泛的。在厂房空间内，温度、湿度和风速参数基本的依据标准为《工业企业设计卫生标准》（GBZ1）。主要考虑的是低温高温对生产人员影响的职业卫生指标，而对于厂房内的办公室、值班室和操控室等有人员驻留的生产辅助空间，可以适当考虑热舒适性。

3.2 绿色工业建筑基于被动式设计策略的分类

现代工业厂房因为制造和储藏物品类型的不同，所以分类相对也比较复杂。一般可以按用途划分、按生产状况划分、按照生产的火灾危险性分类等。 在绿色工业建筑中，如果要基于被动式设计策略来进行分类，就要对厂房类型和性质做出具体研究，分析出不同类型厂房各自适用的被动式策略措施（表1）。

表1 我国目前的绿色工业建筑基于被动式建筑设计分类

4 被动式设计策略在某类型绿色工业建筑设计中的应用分析

在我国目前的绿色工业建筑设计中，由于各种原因及条件的限值，以及不同类型的工业建筑的工艺流程有着很大区别，在各种各样已建的绿色工业建筑中对于被动式设计策略的应用的方面与深度各有不同，也就无法对某单一绿色工业建筑案例进行综合全面的被动式设计策略分析。所以本文就以一栋模拟的标准化冷加工车间通用工业厂房模型为例，去进行被动式设计策略在绿色工业建筑设计中的应用分析。拟通过对模型分析后得出的图片和计算数据比较，深入浅出分析被动式设计策略的各个要点的节能效果并研究其各自的节能特点，以期用可视化的图片和具体数据提供被动式设计策略在绿色工业建筑中的应用优势。

4.1 模型信息

本文建立一栋标准化的通用冷加工车间工业厂房建筑模型（图6），其基本信息如下：建筑位于上海市（界于东经120°52′-122°12′，北纬30°40′-31°53′之间），属夏热冬冷气候区，建筑朝正南向，为板式一层框架结构，平面为长方形：长为81m、宽为45m，柱间距均为9m；建筑物高度为5.4m，外窗尺寸为3.6m（宽）×2.4m（高），计算建筑面积为3645m2，建筑表面积为5005.8m2，建筑体积为19683m3，体形系数为0.254。

图6 普通标准通用厂房模型平面图

4.2 应用分析

（1）合理的朝向

合理的建筑朝向一般是根据建筑太阳的照射方位长度角和建筑高度方位角进行综合测量数据，确定好最合适的住宅建筑整体朝向和位置方位，在目前我国最佳建筑朝向一般都是位于正南方向。

a 风环境与朝向

项目建筑的室外风环境模拟分析，不仅可以得知其建筑周边活动区域的风速分布，也可知晓建筑在过渡季节（春季与秋季）迎风面与背风面的风压差，从而算得建筑室内主要功能区域的换气次数。项目建筑呈现矩形，分别在过渡季节（春季与秋季），实现三种朝向：①长边朝南北，短边朝东西；②长边朝东西，短边朝南北；③长边朝春季季风方向（东偏南22.5°），短边朝秋季季风方向（北偏东22.5°）。

室外风模拟所用季风方向数据参照上海市地方标准《建筑环境数值模拟技术规范》DB 31/T922—2015中提供的上海市典型气象年风向、风频统计选取各季节主导风向和风速（表2～3）。其中春季东南偏东向风的频率最大和秋季东北偏北向风的频率最大。因此，本文模拟分析均采用过渡季季节风速风向：春季ESE 3.8m/s，秋季 NNE 3.9m/s作为模拟分析的边界条件。

表2 春季工况 不同朝向换气次数统计表

表3 秋季工况 不同朝向换气次数统计表

在春季ESE 3.8 m/s与秋季 NNE 3.9m/s的工况下，项目建筑长边朝南北工况下过渡季节平均换气次数为5.75次/h；长边朝东西工况下过渡季节平均换气次数为4.65次/h；长边朝季风风向工况下，过渡季节平均换气次数为7.07次/h。由图7所示，场地室外风环境得出的建议项目建筑设计朝向为：长边朝季风方向>长边朝南北方向>长边朝东西方向。

图7 不同朝向建筑换气次数统计对比图

b 自然采光与朝向

建筑不同的朝向对于室内主要功能空间的采光性能也有一定的影响，在斯维尔采光计算软件Dali2020中，建模并模拟计算，比较项目建筑长边朝南北方向与长边朝东西方向的采光性能（表4）。

表4 建筑不同朝向采光系数统计表

《建筑采光设计标准》GB50033—2013以采光系数平均值作为采光设计的关键性评价指标。采光系数指在室内给定平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度（En，lx）与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度（Ew，lx）之比，即：

式中：En：室内照度；Ew：室外照度（lx)

由图8可以得出，建筑长边朝南北之后有了更好的太阳光摄入室内，有着更好的采光性能。

图8 不同朝向采光系数分布图

图9 房间换气次数统计对比图

c 日照辐射量与朝向

日照辐射量是指：选取太阳日照辐射量最小的12月21日（即冬至日），模拟计算朝向对于太阳日照辐射量的影响，计算得出冬至日时单位面积累计太阳日照辐射量。经过计算，通过表5可以看出，长边朝南的日照辐射量比短边朝南多大约32.4%，但对于采光却影响较小。由此可以得出，为了保证充足的太阳日照辐射量，减小厂房在冬季的采暖能耗，我们应当选取长边朝南的方案。

表5 冬至日立面累计太阳辐射量统计表

（2）自然通风

建筑通风是指建筑物内部和外部的空气交换、混合的过程与现象，是影响室内空气质量的最主要因素，通过有利的自然通风，可以为建筑物提供新鲜空气、降低室内温度，在工业厂房类建筑中，自然通风对于延缓过渡季节空调开启的时间，减少空调的能耗尤为重要。

a 建筑间距与自然通风

在厂区建筑中，厂房往往成组布置，建筑与建筑之间会产生通风的影响，从而会对项目建筑的室内空气质量有着很大的影响，所以我们对厂房的间距也提出了方案进行研究。创造6栋厂房，并设计了从5～50m若干种不同的楼栋间距，模拟实际情况，从而取得最合适的建筑间距。

本项目的自然通风计算方法采用多区域网络法对该建筑室内换气次数进行计算，多区域网络法即把室内各房间分为不同的通风换气区域，以门窗风压作为边界条件，不同区域之间通过联通的门窗作为连接，进行数据的传输，最终获得各个房间的换气次数。

房间换气次数的计算源于通风路径空气质量流量的计算，基于多区域网络法的空气质量流量计算如下式：

其中：

Q——房间体积流量（m3/s）；

∆P——相邻房间之间门窗的风压差；

Cd——流量系数，对于大的建筑洞口，取0.5，对于狭小的洞口取0.65，本项目计算取0.6；

A——洞口面积（m2）；

ρ——空气密度（kg/m3）；

通过上述方法获取一个房间的体积流量Q之后，即可进行房间换气次数的计算：

其中：

Q——房间体积流量（m3/s）；

Acr——换气次数（次/h）；

V——房间体积（m3）；

通过计算得出在不同间距的情况下，建筑的换气次数统计表和对比图（表6，图10）。

表6 房间换气次数统计表

图10 有无外围护结构设计能耗对比图

由图9可以得出，当间距为20m以上时，室内自然通风换气次数达到2次/h，满足绿建国标要求，由此可知，该类型大小的厂房，最小设计间距应满足20～25m以上会达到比较好的通风效果。

b 天窗与自然通风

因为厂房建筑一般的进深都比较大，在本文中选取了建筑模型中，建筑的进深达到了45m，室内的通风会因为进深大而无法很好的通过南北墙面上的开窗形成较好的自然通风，所以拟在屋顶增加了屋顶天窗之后，经过计算由（表7）可以发现，设置中庭天窗明显增加了室内的换气次数，减少过渡季节室内空调能耗。

表7 有无天窗室内房间换气次数统计表

（3）外围护结构设计

建筑的外围护结构部分保温性能对于工业厂房类建筑的能耗有着非常大的影响，建筑的保温隔热性能越好，室内的温度就越不容易流失，对于降低空调能耗有着显著的作用，通常我们设计的围护结构为：屋顶、墙体与窗户。

为使建筑模型具有代表性，围护结构的构造采用常用做法，具体材料由外到内依次如下所述。

a 外墙：（自外而内）水泥砂浆 20mm＋挤塑聚苯板（ρ=25-32）20mm＋水泥砂浆20mm＋钢筋混凝土200mm＋石灰砂浆20mm。

b 屋面：（自上而下）碎石、卵石混凝土（ρ=2300）40mm＋挤塑聚苯板（ρ=25-32）20mm＋水泥砂浆20mm＋加气混凝土、泡沫混凝土（ρ=700）80mm＋钢筋混凝土120mm＋石灰砂浆20mm。

c 外窗：12A钢铝单框双玻窗（平均）：传热系数2.200W/m2·K，太阳得热系数0.652。

由建筑节能率I0的定义可知，建筑设置保温隔热后的设计建筑能耗（W0）与未设保温隔热时的基准建筑能耗（WJ）存在差值，此差值与基准建筑能耗的比值即为建筑节能率[5]。在斯维尔BESI中并未设置基准建筑能耗这一参数，软件计算时所采用的参照建筑能耗（W）即为刚好达到基准能耗50%节能标准时的能耗值（表8）。依据以上分析可以推导出建筑节能率的计算公式为：

表8 有无外围护结构设计能耗统计表

I0=（WJ-W0）/WJ

使用围护结构保温措施之后，通过计算，耗热量与耗冷量有明显的降低，耗热量降低约37.15%，耗冷量降低约40.07%。由此可见，在通用类厂房建筑中做好外维护结构设计对于减少建筑全年的冷热能耗都有着非常重要的作用（图10）。

（4）遮阳体系设计

建筑遮阳体系的作用是通过降低过热和炫光来提高室内的舒适性和视觉的舒适性，还有就是提高隔性，建筑外遮阳是夏季最有效的隔热措施之一。

在不同的季节，太阳照射在建筑表皮，会对建筑室内的温度有一定的影响，在不改变建筑外围护结构的情况下，在建筑立面的透明部分（即建筑的窗户）顶部统一增设宽度为600mm的遮阳板。对比无遮阳工况下，计算对于建筑内部的温度变化以及带来的能耗变化。

经过计算得出：有固定遮阳的情况下，全年的耗热量为280377.574kWh，耗冷量为475167.072kWh；无遮阳工况下，全年耗热量为260950.465kWh，耗冷量为511463.529kWh。耗热同比增加19，427.109 kWh，耗冷量同比减少36，296.457。共计节能16，869.348kWh（图11）。

图11 有无遮阳体系设计的建筑能耗对比图

所以建议设置可调节遮阳体系，夏季能够有效遮挡阳光，冬季则不遮挡阳光。主要是减少夏季的冷负荷耗能（表9）。

表9 有无遮阳体系设计建筑能耗统计表

结语

我国目前正处于工业化加速发展时期，发展绿色工业建筑将是整个工业行业能够可持续发展的必然选择，绿色工业建筑已经成为工业行业发展的必然趋势。经过本文的研究分析可以看到，通过将几种被动式设计策略在绿色工业建筑设计中的应用，可以为主动式技术的高效利用提供一个良好的基础，为可能的设备和能耗减量提供了最有力的基础保证。

资料来源：

文中图表均为作者自绘。