基于Ecotect模擬建筑熱工分析研究
——以漢中農(nóng)村建筑為例

陳 婕，田海寧

(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000)

基于Ecotect模擬建筑熱工分析研究
——以漢中農(nóng)村建筑為例

陳 婕，田海寧

(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000)

通過(guò)對(duì)漢中農(nóng)村建筑的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，在Ecotect Analysis軟件中賦予模擬建筑模型材質(zhì)，計(jì)算各個(gè)構(gòu)件環(huán)境溫度、室內(nèi)熱舒適等熱工指標(biāo)，并對(duì)結(jié)果加以分析。針對(duì)漢中農(nóng)村建筑室內(nèi)熱舒適度差現(xiàn)象，通過(guò)改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體、屋頂材質(zhì)及構(gòu)造可以提高其室內(nèi)的熱舒適度。模擬結(jié)果表明，模型中逐月能耗最高的7月不舒適度峰值未到50%。對(duì)農(nóng)村既有建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提出了針對(duì)性較強(qiáng)的數(shù)字化節(jié)能設(shè)計(jì)措施，可為陜南及同類地區(qū)的鄉(xiāng)村民居設(shè)計(jì)提供理論參考。

農(nóng)村建筑； 漢中； Ecotect； 熱工分析； 熱舒適

1 研究背景

近年來(lái)全國(guó)農(nóng)村自建住宅不斷增加，已占到全國(guó)總建筑面積的51%以上[1]。由于農(nóng)村住宅規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)近年來(lái)才實(shí)施而且頒布的較少，大部分農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單[2]，沒(méi)有采取保溫隔熱等措施，門(mén)窗氣密性較差，導(dǎo)致建筑能耗較大，室內(nèi)熱舒適度較差。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，一些適合建筑設(shè)計(jì)方案階段使用的簡(jiǎn)單靈活的分析軟件相繼問(wèn)世。建筑物理模擬工具Ecotect Analysis，涵蓋熱、風(fēng)、光、聲、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響與可視度等方面。在方案最初階段，利用計(jì)算機(jī)模擬建筑的體型、空間構(gòu)成等對(duì)其模型進(jìn)行多種性能的預(yù)測(cè)，通過(guò)可視化結(jié)果進(jìn)行充分比較，可以確立最終最佳的設(shè)計(jì)方案[3]。建筑的熱工性能測(cè)試，就是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬建筑，賦予材質(zhì)，計(jì)算熱性能。建筑室內(nèi)熱環(huán)境的舒適要求在冬季和夏季尤為重要，建筑設(shè)計(jì)師利用軟件可視化的模擬結(jié)果，可以通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)手段協(xié)調(diào)建筑熱環(huán)境與建筑造型、空間之間的矛盾，不斷改善熱環(huán)境。

漢中地區(qū)位于陜西省西南部，在建筑熱工分區(qū)中屬于夏熱冬冷地區(qū)，城市居住建筑相關(guān)的節(jié)能規(guī)范較少[4]。由于該地區(qū)熱工分區(qū)原因，冬季沒(méi)有市政集中供暖，夏季采用空調(diào)制冷，能耗較大。該地農(nóng)村大部分建筑多為自建住宅，沒(méi)有按照現(xiàn)行農(nóng)村居住建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)[5]設(shè)計(jì)施工，同時(shí)簡(jiǎn)化施工程序，減少保溫、隔熱措施，導(dǎo)致室內(nèi)熱舒適更差[6]。針對(duì)漢中農(nóng)村建筑室內(nèi)熱舒適度差的現(xiàn)象，本文通過(guò)實(shí)地調(diào)研，利用Ecotect Analysis軟件進(jìn)行建模、預(yù)測(cè)并分析其熱工性能，擬對(duì)農(nóng)村既有建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提出針對(duì)性強(qiáng)的建筑數(shù)字化節(jié)能設(shè)計(jì)措施。

2 研究方法

前期對(duì)漢中地區(qū)的勉縣、鎮(zhèn)巴、西鄉(xiāng)等農(nóng)村建筑進(jìn)行實(shí)地考察。調(diào)研該地區(qū)典型農(nóng)村建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其他構(gòu)件，室內(nèi)熱舒適在極端季節(jié)冬季和夏季的感受。隨著建筑節(jié)能和舒適度要求的攀升，既有建筑的節(jié)能本身具有一定的局限性[7]。要改善農(nóng)村建筑的室內(nèi)熱舒適度差的現(xiàn)狀，對(duì)建成并在使用中的建筑是有難度的，沒(méi)有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)，節(jié)能設(shè)計(jì)及措施的實(shí)施沒(méi)有目標(biāo)性和預(yù)測(cè)性。然后結(jié)合調(diào)研結(jié)果，利用Ecotect Analysis軟件進(jìn)行建模分析。

3 研究結(jié)果

3.1 Ecotect Analysis建模

在Ecotect Analysis 2010軟件界面中，平視圖中建立一個(gè)4.0 m×5.0 m的平面。切換到透視圖，在南墻開(kāi)窗2.1 m×1.5 m，窗臺(tái)高度0.6 m，在北墻開(kāi)門(mén)1.5 m×2.1 m，在屋頂建立4.0 m×5.0 m平面作為天花板，并在此天花板創(chuàng)建坡屋頂。建模中定義區(qū)域高度為2.8 m。幾何模型建立完成，如圖1所示。

(a) 3D編輯頁(yè)面 (b) 可視化頁(yè)面圖1 Ecotect Analysis軟件建模房屋模型

3.2 模型賦予材質(zhì)

各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件具體構(gòu)造做法及構(gòu)造詳圖見(jiàn)表1和圖2所示。

表1 模型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 模型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造詳圖

3.2.1 墻 體

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，漢中地區(qū)農(nóng)村建筑的外墻共有兩種形式：磚墻、土墻[8]。目前，外墻的主要形式為磚墻，以240 mm實(shí)心粘土磚為主。外墻內(nèi)部石灰粉刷，外部裸露磚體，少數(shù)磚外墻裝飾以水泥抹面，或是在外墻面貼上瓷磚，多數(shù)外墻基本不做保溫。根據(jù)農(nóng)村建筑維護(hù)構(gòu)件常見(jiàn)具體做法，在Ecotect Analysis 2010中，對(duì)建好的模型墻體賦予材質(zhì)。材質(zhì)庫(kù)可以添加改進(jìn)新的材質(zhì)，所以選擇新構(gòu)造墻體。即墻體內(nèi)外各有10 mm水泥砂漿，加上75 mm EPS(模塑聚苯板，一種隔熱保溫性能非常優(yōu)良的材料，其修正系數(shù)a=1.20)外保溫[9]，主體是370 mm實(shí)心粘土磚，不同于該地多數(shù)使用的240 mm實(shí)心粘土磚，其熱穩(wěn)定性更好。

3.2.2 窗 戶

農(nóng)村建筑的門(mén)窗類型主要為木門(mén)窗和鋁合金門(mén)窗，僅有極少建筑采用了塑鋼門(mén)窗。在Ecotect Analysis 2010中窗戶的材質(zhì)選擇單層玻璃木制窗框(SingleGlazed-TimberFrame)。

3.2.3 門(mén)

農(nóng)村建筑中木門(mén)窗的使用率高達(dá)67%，然而木門(mén)窗由于氣密性較差，因此冬季冷風(fēng)滲透厲害，會(huì)造成了大量的熱損失；夏季大量熱量滲透室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)的防熱極其不利[10]。門(mén)的材質(zhì)選擇實(shí)芯松木框門(mén)(SolidCore-PipeTimber)。

3.2.4 天花板

隨著農(nóng)村居住條件的改善，部分房屋內(nèi)的吊頂與屋面有一定距離作為通風(fēng)間層，但是吊頂上基本沒(méi)有鋪貼保溫隔熱材料。漢中地區(qū)住宅多數(shù)是坡屋頂，天花板多為竹木編制的薄板。在Ecotect Analysis 2010中，在建模的天花板選擇懸掛的抹灰托梁吊頂(Plaster-Joists-Suspended)比較貼合實(shí)際。

3.2.5 屋 頂

漢中農(nóng)村建筑屋頂形式主要有兩種：木制屋架坡屋頂和混凝土平屋頂。木屋架主要建造于20世紀(jì)90年代左右，檁條上鋪屋面瓦。平屋頂是在2000年以后采用預(yù)制混凝土屋面結(jié)構(gòu)，然后在結(jié)構(gòu)層上抹水泥砂漿找平層及防水層。由于漢中屬于夏熱冬冷地區(qū)，降雨量大，潮濕，農(nóng)村建筑屋頂多數(shù)為木制屋架坡屋頂，在上鋪設(shè)小黑瓦片。所以在建模的屋頂選擇覆瓦屋面(ClayTiledRoof)符合實(shí)際情況。

3.2.6 地 板

漢中農(nóng)村建筑地面一般為3種形式，即水泥地面、磚鋪地面和瓷磚地面，由于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件有限，大部分地面為水泥地面。在模型里選擇水泥地面(ConcSlab-OnGround)符合實(shí)際。

4 模型熱環(huán)境分析

4.1 氣象參數(shù)的導(dǎo)入

模型建好并完成各個(gè)構(gòu)件的材質(zhì)賦予，還需要導(dǎo)入某地區(qū)的氣候才能進(jìn)行模擬熱工分析。Ecotect提供了專用的氣象策略分析和日照分析工具軟件：Weather Tool和Solar Tool，同時(shí)它提供中國(guó)270個(gè)城市的氣象數(shù)據(jù)文件(Weather Data)[11]。在Weather Data中選中CHN-Hanzhong-CSWDEPW.wea后，點(diǎn)擊對(duì)話框中的打開(kāi)，漢中市氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Ecotect軟件。

4.2 熱工計(jì)算

加載漢中地區(qū)的氣候參數(shù)，進(jìn)行熱環(huán)境分析，在Ecotect Analysis 2010界面中第一行“計(jì)算Calculate”的下拉菜單中選擇“熱環(huán)境分析(T)”。在進(jìn)行熱工模擬計(jì)算之前，區(qū)域?qū)傩缘脑O(shè)置大部分參數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值。室內(nèi)設(shè)計(jì)條件(Internal design conditions)包括了衣著量(Clothing)系統(tǒng)默認(rèn)值1，相對(duì)濕度(Humidity)60%，風(fēng)速(Air Speed)為0.5 m/s，室內(nèi)照度(Lighting Level)與光環(huán)境分析有關(guān)。人員與運(yùn)行等條件的設(shè)置包括人員情況(Occupancy)為3人，室內(nèi)得熱情況(Internal Gainss)系統(tǒng)默認(rèn)值，居住建筑使用全天，不同于其他建筑有時(shí)間段。滲透率(Infiltration Rate)設(shè)置包括換氣率(Air Change Rate)為0.5，環(huán)境附加換氣率(Wind Sensitivity)為0.25。熱環(huán)境屬性的設(shè)置包括系統(tǒng)類型(Type of system)，選擇自然通風(fēng)，因?yàn)檗r(nóng)村建筑門(mén)窗冬夏都打開(kāi)。舒適溫度區(qū)間(Comfort Band)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)置冬季18 ℃，夏季26 ℃，運(yùn)行時(shí)間(Hours of operation)全天使用選擇(No Schedule)選項(xiàng)。

4.3 結(jié)果分析與解讀

熱環(huán)境的模擬計(jì)算結(jié)果包括溫度(T)、熱損失和得熱(L)、房間負(fù)荷(S)、熱舒適(h)、數(shù)據(jù)對(duì)比(m)。需要選擇日期或日期范圍，根據(jù)漢中的氣象參數(shù)選擇最熱日7月31日(也可選擇最冷日等)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型熱環(huán)境分析圖

圖3(a)是模型逐時(shí)溫度曲線圖。結(jié)合建好的模型，屋頂?shù)臏囟惹€范圍在30～50 ℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體包括門(mén)窗的溫度曲線范圍在30 ℃左右。圖示中注解顯示的溫度數(shù)值是環(huán)境溫度，不是空氣溫度。

圖3(b)是模型逐時(shí)得熱/熱損失曲線圖。模型逐時(shí)得熱/熱損失結(jié)果顯示在一天24 h中熱量的變化，得熱量或失熱量單位為瓦特(W)。暖通空調(diào)負(fù)荷(HVAC Load)為0 W左右，模型為自然通風(fēng)條件下，在設(shè)置中沒(méi)有暖通空調(diào)方面的參數(shù)設(shè)置。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量傳導(dǎo)(Conduction)峰值為2500 W左右，時(shí)間在一天的16：00～18：00時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱量會(huì)衰減，時(shí)間會(huì)延遲。太陽(yáng)空氣得熱(SolAir)峰值時(shí)間點(diǎn)有多個(gè)，屋頂與外界太陽(yáng)輻射得熱最有關(guān)系。直射太陽(yáng)得熱(Direct Solar)值為0 W左右，由于模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)和屋頂?shù)恼趽?，直射太?yáng)得熱量很小。通風(fēng)熱量變化(Ventilation)值、室內(nèi)熱量變化(Internal)值、室內(nèi)某區(qū)域熱量變化(Inter-zonal)值都為0 W左右。模型是自然通風(fēng)狀態(tài)，沒(méi)有多少得熱量和失熱量。Internal和Inter-zonal說(shuō)明室內(nèi)的熱量變化穩(wěn)定。維護(hù)結(jié)構(gòu)和屋頂做到了維持室內(nèi)的熱量穩(wěn)定，不變或波動(dòng)不大。

圖3(c)是模型空間舒適度分析圖。由于最初選擇時(shí)間為最熱日，在可視化頁(yè)面中用平均輻射溫度(Mean Radiant Temp)進(jìn)行舒適度分析，圖右側(cè)色標(biāo)從下到上顏色幅度分別代表平均輻射溫度32～72 ℃，房間的地面網(wǎng)格基本為32 ℃，屋檐周圍的地面為40 ℃，室外地面為48 ℃，由于賦予的材質(zhì)有一定的隔熱效果，所以模型的空間舒適度較好，見(jiàn)圖3(d)，50%的舒適度是好的。

圖3(d)是模型逐月能耗/不舒適度(時(shí)間百分?jǐn)?shù)Percentage of Time)，指每個(gè)月達(dá)不到舒適溫度的時(shí)間總和與該月總共小時(shí)數(shù)的百分比，分別為太熱月達(dá)不到舒適溫度的時(shí)間總和與該月總共小時(shí)數(shù)的百分比及太冷月達(dá)不到舒適溫度的時(shí)間總和與該月總共小時(shí)數(shù)的百分比。模擬結(jié)果顯示該地區(qū)建筑的夏季7月不舒適度峰值未達(dá)到50%，冬季1月不舒適度峰值接近50%。

5 小 結(jié)

(1)Ecotect Analysis 2010在熱環(huán)境分析方面提供了逐時(shí)溫度分析、逐時(shí)得失熱量分析、逐月能耗分析、逐月不舒適度分析、溫度分布分析等分析功能與手段，通過(guò)解讀這些模擬結(jié)果，可以有效地幫助建筑師改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的熱工性能，選擇有效的技術(shù)手段提高建筑的相關(guān)性能；

(2)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)不僅需要考慮建筑能耗水平控制，還需要兼顧建筑空間光熱等環(huán)境熱舒適度要求，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐中，節(jié)約成本，更加高效；

(3)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果表明，該地區(qū)農(nóng)村建筑采用適合的技術(shù)可有效提高室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，本研究可為陜南及同類地區(qū)的鄉(xiāng)村民居設(shè)計(jì)提供理論參考。

[1] 江億.深刻認(rèn)識(shí)我國(guó)農(nóng)村用能現(xiàn)狀和用能特點(diǎn)——《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2012》農(nóng)村專題概述[J].建設(shè)科技，2012(9)：12-13.

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[責(zé)任編輯：謝 平]

Thermal analysis based on the Ecotect software simulating building—— A case study on buildings in Hanzhong

CHEN Jie，TIAN Hai-ning

(School of Civil Engineering and Architecture,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,China)

Based on the investigation into the enclosure stuctures and composites in rural areas of Hanzhong,the paper has worked out the such thermal indicators as environment temperature of each composite and indoor thermal comfort index through Ecotect Analysis software simulation of Hanzhong rural construction. Results show that these rural buildings may adopt suitable retaining structure,roof materials and structure to greatly improve the indoor thermal comfort. The simulation results also show that discomfort peak is less than 50% in July when the energy consumption is supposed to be the highest. This study provide stheoretical reference for the rural dwellings design of southern Shaanxi and similar areas.

rural building； Hanzhong； Ecotect； thermal analysis； thermal comfort

2096-3998(2017)03-0042-05

2016-08-18

2016-12-22

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK1156)；陜西理工大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(SLGKY16-06)

陳婕(1982—)，女，陜西省西鄉(xiāng)縣人，陜西理工大學(xué)講師，碩士，主要研究方向?yàn)榻ㄖ夹g(shù)與節(jié)能；田海寧(1981—)，女，陜西省富平縣人，陜西理工大學(xué)講師，碩士，主要研究方向?yàn)槿司迎h(huán)境、民居建筑技術(shù)改造。

TU111.3

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