自20世紀70年代以來， 全球經濟迅速發展， 高度的工業化、城市化雖然給世界帶來了豐富的物質財富， 但同時也帶來了嚴重的生態危機。人類已經意識到綠色生態環境的重要性， 綠色設計理念應運而生。
以下為本篇論文正文：
摘 要：目的 分析綠色建筑案例， 汲取綠色建筑的設計方法， 通過學科交叉構建具有可控性的啤酒發酵罐設計方法， 改變發酵罐耗能高的現狀。方法 近年來， 中國建筑的運行能耗占全國總能耗的比例較大， 一直維持在20%25%.與此同時， 一些西方國家對綠色建筑設計方法的研究已取得突破性成果。建筑設計與產品設計的本質上都是為人服務， 是功能、技術與藝術的統一體， 具有相互借鑒的可行性。通過分析綠色建筑設計的相關理論及著名零能耗建筑案例， 對輕工產品設計進行可控性指導， 這是十分必要的。以啤酒發酵罐為例， 從產品全生命周期角度出發， 充分考慮設備結構參數、零部件種類及特性， 優化設計流程， 提出設計方法。結論 提出了啤酒釀造設備的綠色設計方法， 為企業真正實現節能、減排、降耗提供參考。
關鍵詞：綠色建筑設計； 零能耗建筑； 啤酒發酵罐設計；
Abstract: It aims to analyze the case of a green architecture, learn green architecture design methods, establish a controllable beer fermentation tank design method through cross-disciplinary research methods, and change the current high energy consumption of fermenters from the source. In recent years, the energy consumption of Chinese architecture operations has accounted for a large proportion of the country's total energy consumption and has remained at 20%-25%. Many countries have obtained the theoretical and practical results of the research on the design methods of green architecture. Architectural design and product design are essentially services for people. They are the unity of function, technology and art. They have the feasibility of learning from each other. It is necessary to analyze the relevant research theories of green architecture design and the case of zero energy green architectures, and to extract the controllability guidance for the design of light industrial products. Taking beer fermentor as an example, the design process is optimized from the perspective of the entire product life cycle with considering the equipments' structure parameters, component types and characteristics, and then a design method is proposed. The green design method of beer brewing equipment is proposed to provide reference for beer brewing equipment companies to truly realize energy saving, emission reduction and consumption reduction.
Keyword:green architecture design; zero-energy consumption building; beer fermentor;
自20世紀70年代以來， 全球經濟迅速發展， 高度的工業化、城市化雖然給世界帶來了豐富的物質財富， 但同時也帶來了嚴重的生態危機。人類已經意識到綠色生態環境的重要性， 綠色設計理念應運而生。由于啤酒釀造行業具有能耗大、耗水量大且排污量大及污染物種類多等特點， 所以啤酒釀造企業開始越來越關注工廠建設和生產成本， 節能、降耗、減排、增效和低碳已成為當前中國啤酒釀造設備發展的新主題[1].從本質上來看， 綠色設計涵蓋眾多領域， 其中對綠色建筑設計的研究已取得突破性進展， 設計師們試圖達到人、自然環境與建筑的和諧統一并據此提出相關準則。從微建筑設計的視角來看， 建筑設計與產品設計的界限是模糊的， 因此， 運用學科交叉的研究方法， 從綠色建筑的設計案例及方法中取其精華， 并應用到輕工產品設計中就顯得十分必要。
1、 綠色建筑設計與綠色產品設計
“綠色建筑”從全生命周期的角度出發， 將人、環境、建筑有機結合， 在建筑的設計和施工的過程中最大限度降低建筑對環境所造成的各種負擔， 同時考慮綠色運營和綠色拆除， 在維持周邊生態環境平衡的基礎上建設環保的生態建筑。與傳統建筑設計相比， 綠色建筑更加注重建設和投入使用之后的能源消耗， 高效利用不可再生資源， 充分利用光能、風能及通過改變自身結構達到目的， 約束人對自然環境的破壞行為， 營造與自然和諧共生的建筑， 實現節能、生態、功能的協調統一[2].
產品設計與建筑設計都是為改善人們的生活水平而生， 本質都是為人服務， 產品設計是解決人造物與人的關系， 建筑設計則是解決人造空間與人的關系， 空間是連接建筑設計和產品設計的重要紐帶。人通過使用產品將建筑空間消化， 產品賦予了建筑空間存在的價值， 同時建筑空間也為產品提供了使用環境， 兩者相互依托。建筑設計和產品設計都是功能性、技術性和藝術性的統一體， 是使用價值與精神價值的統一[3].
在過去的幾十年里， 各國建筑界越來越意識到能源效率和二氧化碳排放對全球變暖起著至關重要的影響。據統計， 全球日氣溫每十年上升約0.1℃[4], 環境污染使人們開始反思并倡導綠色設計， 提倡將環境問題融入到設計當中。設計師們也開始尋求新的綠色設計方法， 將綠色建筑設計與綠色產品設計聯系起來， 探索新的設計方向。
2、 零能耗建筑
零能耗建筑主要是指以太陽能、地熱能等綠色可再生能源為建筑提供能量的綠色建筑類型， 也被稱為零的凈能量建筑[5], 即可再生能源系統產生的能量與建筑運行所消耗的能量相抵為零[6].零能耗建筑通過充分利用節能技術， 以此減少建筑能耗而非完全不消耗能源， 主要方法有提高能源利用率使建筑耗能與建筑產能達到平衡�？稍偕茉磳τ诹隳芎慕ㄖ䜩碚f十分重要， 一般使用的種類有太陽能、風能、地熱、生物質能等。
世界綠色建筑的案例數不勝數， 其中較為著名的有美國哈佛大學的哈佛House Zero大樓、挪威Plus House Larvik傾斜小屋、日本首幢環境生態高層住宅、英國的BRE環境樓等。國內也有相關嘗試， 例如華中科技大學的教學樓改造工程、清華大學的游泳館等。本文以美國哈佛House Zero大樓為例， 詳細分析其設計思路， 并提取綠色建筑的設計方法。
2.1、 美國哈佛House Zero大樓翻新案例分析
House Zero大樓是一幢建于1940年的3層建筑， 建筑占地427㎡， 由哈佛大學CGBC, Sn?hetta及Skanska Technology聯手設計， 設計團隊將其命名為“House Zero”, 目的是要使之成為世界上最環保的可持續建筑之一。House Zero外觀見圖1.
圖1 House Zero外觀Fig.1 House Zero appearance
該建筑為實現全生命周期零排放， 將各獨立空間融合統一， 采用100%自然通風與采光設計， 在大樓屋頂安置太陽能光伏板， 并將剩余的電能輸入城市電網供其他用戶使用；在室內設置傳感器檢測空氣質量， 并在玻璃上加置可調節遮陽板， 以達到自然降溫的效果；設計師在房屋東側設置有煙囪， 使熱氣流逆向推移， 實現室內自然的空氣循環；大樓本身具有3層的木質結構， 采用天然粘土、石膏、樺木、超高性能混凝土以及納米陶瓷等低碳排放材料， 在低碳的同時保證使用者的舒適度；除此之外， 為應對氣候變遷， 大樓還增加了保溫隔熱層， 地源熱泵可以通過輻射樓板加熱或制冷， 其內部結構見圖2.
圖2 內部結構Fig.2 Internal structure
2.2 綠色建筑設計方法
綠色建筑設計通常會從建筑體形、朝向、平面布置、門窗位置、墻體和屋頂這幾個方面考慮， 具有系統協同性、地域性、高效性、自然性、健康性、經濟性、進化性7個原則[7].House Zero綠色建筑設計方法見表1.
3、 啤酒釀造設備
3.1、 我國啤酒行業的現狀
中國啤酒產業發展迅速， 2001年的啤酒產量為2274萬噸， 2003年的啤酒產量已經達到2386萬噸， 首次超過美國成為世界第一啤酒生產大國[8].中國啤酒年產量趨勢見圖3.
我國雖已成為啤酒生產大國， 但啤酒企業的生產設備水平參差不齊， 生產技術相對落后， 導致其只能占據國內的中低端市場， 使很多啤酒企業高投入低產出， 經濟效益差。在發酵過程中存在能耗較高、污染物種類多、污水處理不徹底等問題， 現有污水處理技術的種類較多， 例如活性炭過濾、納濾、反滲透技術等， 但由于設備及成本問題， 國內并未完全普及。
表1 House Zero綠色建筑設計方法Tab.1 Architectural design method on House Zero
圖3 中國啤酒年產量趨勢Fig.3The trend of annual output of beer in China
從產品的全生命周期角度來看， 在生產、制作與使用這些設備的過程中， 會產生新的能耗污染， 當這些用來處理污染問題的設備退出自己的生命舞臺時， 還需對其采取新的回收處理機制， 這又會產生新的問題， 因此， 設計一個讓啤酒釀造設備自身降低能耗和污染的綠色方法十分必要， 實現設備真正意義上的全生命周期零碳排放。
啤酒設備的設計方法離不開啤酒制作工藝， 保證啤酒口感是首要前提。啤酒釀造過程主要分為制麥、糖化、發酵、包裝4大環節， 主要污染物的產生和能量消耗發生在發酵環節， 發酵罐是啤酒生產的主要設備之一。本文以發酵罐為例， 將綠色建筑設計方法與傳統發酵罐設計方法相結合， 進行符合發酵罐特點的綠色設計方法研究。
3.2、 啤酒發酵罐設備的主要結構
發酵罐是啤酒釀造過程中的反應設備， 其作用主要是使物料均勻混合， 利用酵母菌使麥汁低溫發酵， 啤酒發酵罐基本組成部分見表2.
表2 啤酒發酵罐基本組成部分Tab.2 Basic components of beer fermentor
3.3、 發酵罐設計方法
發酵罐屬于密閉容器的范疇， 需有足夠的強度、密封性、耐腐蝕性及穩定性以及具有清潔系統， 在反應過程中可以有效控溫以便酵母菌發酵， 同時應有降溫裝置， 能及時將發酵過程中產生的熱量帶走。從微建筑的視角來看， 它可以被看作一個微型封閉的圓形建筑， 為解決啤酒在發酵過程中能耗高、排污大的局面， 需要在保證啤酒口感的前提下借鑒綠色建筑設計方法進行學科交叉探討， 提煉出更節能的發酵罐設計方法。發酵罐設計方法見圖4.
首先通過物料衡算， 按照用戶需求與工藝要求確定結構參數， 通過能量衡算找出設備中的熱負荷和耗能情況， 尋找可替代能源。其次， 選擇結構形式時尤其要注意傳熱形式的選擇， 由于啤酒在發酵過程中會不斷產生熱能， 所以如何回收再利用熱能變得十分必要。
圖4 經過優化的啤酒發酵罐設計方法Fig.4 Optimized beer fermentation tank design method
可以通過選擇合適的地理位置， 利用空氣對流原理對發酵罐進行自然降溫， 減少冷卻裝置的能耗， 再通過傳感器讓酵母菌更好地工作以及把控啤酒口感。高新技術節能方法同樣適用于發酵罐， 讓產品更具智能化。最后， 根據工藝要求， 確定啤酒發酵罐的結構形式及尺寸， 例如容積、外形尺寸、封頭尺寸， 再確定罐體的占地面積、酵母的凝聚、沉降程度。罐體直徑越大， 散熱速度越快， 但容易引起酵母菌的凝聚、沉降， 影響發酵質量。罐體在保證容積的情況下可根據改變形狀及構造達到節省材料的目的， 因此， 設計時應盡量讓罐體接近球形以節省用料。
現階段大多數啤酒的發酵罐都采用不銹鋼制作， 其耐腐蝕性高， 對環境污染小， 可以回收再利用， 比以往碳鋼加涂層的方式更加經濟適用， 選擇需根據《鋼制壓力容器》選擇材質[9].根據零部件的結構形式、受力條件及材料的機械性能腐蝕情況進行強度計算， 確定結構尺寸， 例如封頭壁厚、軸徑等[10].在總體設計完成后采用LCA評價方法對能耗及污染物進行量化評價， 對結果不滿意的產品重新進行設計， 直至結果滿意為止， 最后出設計圖紙。
4、 結語
當今社會倡導綠色低碳， 將保護環境放在首位。想要實現綠色建筑設計， 就需要將建筑功能的各個子系統和各種節能技術相結合， 這涉及到建筑行業的方方面面， 其中建筑新能源技術的影響尤為明顯[11].隨著探索的不斷深入， 建筑設計的方法和理念將不斷應用到更多的實踐中， 給輕工產品設計提供借鑒， 輕工產品的設計方法也需要變革， 以適應新的挑戰和機遇。只有從產品的全生命周期角度出發， 輕工產品的綠色設計體系才會更加完善。
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