基于Ecotect Analysis軟件的集裝箱建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳咸潼 孫銘一 那森 史佳琪 李正宇

摘? 要：文章首先對大連民族大學(xué)建筑學(xué)院實(shí)踐教育基地集裝箱建筑中的一個(gè)房間進(jìn)行實(shí)地尺寸測量，然后在Ecotect Analysis軟件中進(jìn)行1：1建模，從熱濕環(huán)境及光環(huán)境兩個(gè)方面分析采用現(xiàn)有材質(zhì)窗時(shí)室內(nèi)溫度、太陽輻射、窗自身得熱量等的分布，以及室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱功耗情況，根據(jù)模擬結(jié)果給出透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建議，并對比優(yōu)化前后室內(nèi)熱濕環(huán)境、光環(huán)境的變化。

關(guān)鍵詞：集裝箱建筑;Ecotect Analysis軟件;透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U169.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0052-04

Abstract： In this paper， the field size of a room in the container building of the practical education base of the School of Architecture of Dalian Minzu University is measured， and then the 1：1 modeling is carried out in the Ecotect Analysis software. The distribution of indoor temperature， solar radiation， heat gain of window itself and the power consumption of refrigeration and heating of indoor air conditioning system are analyzed from two aspects of thermal and wet environment and light environment. According to the simulation results， the optimization suggestions of transparent enclosure structure are given， and the changes of indoor thermal and wet environment and light environment before and after optimization are compared.

Keywords： container building; Ecotect Analysis software; transparent envelope

引言

隨著社會的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，人們的生活水平也在不斷的提高，人口增長也越來越迅速，所需要的建筑也越來越多，而土地資源卻是有限的。于是一種新型的建筑理念隨之而生——集裝箱模塊式建筑。這種建筑利用廢舊的集裝箱，隨意組裝，隨時(shí)拆卸，具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，可充分發(fā)揮設(shè)計(jì)師的想象力，這種形式的建筑節(jié)約了土地資源，充分體現(xiàn)了綠色建筑的設(shè)計(jì)理念。但是，集裝箱本身沒有窗戶，人們可分割出用于窗戶孔洞的鐵皮，其窗戶的材質(zhì)對集裝箱內(nèi)的舒適性具有很大的影響。本文就通過Ecotect Analysis軟件[1]模擬，以大連地區(qū)為例，對大連民族大學(xué)建筑學(xué)院集裝箱建筑的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)（窗戶）進(jìn)行分析，并給出優(yōu)化建議。

1 建筑概況

大連民族大學(xué)建筑學(xué)院實(shí)踐教育基地是由多個(gè)集裝箱拼接而成的二層建筑，每層高2.25m。墻體內(nèi)部設(shè)有內(nèi)保溫，外部保持了集裝箱原有的鐵皮外形。整體建筑是典型的“坐北朝南”，墻體傳熱系數(shù)0.24W/（m2·℃）。本研究選取其中一個(gè)房間進(jìn)行模擬建模分析。

選取的房間尺寸為6600mm×5700mm×2250mm（長×寬×高），南向墻裝有四個(gè)940mm×1230mm的窗戶，材質(zhì)為雙層中空玻璃，窗框?yàn)殇X合金，空氣層厚度6mm。窗墻面積比0.3。

2 計(jì)算機(jī)模型建立

本文利用Ecotect Analysis進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模與模擬，該軟件利用有限差分法，根據(jù)所提供的氣象數(shù)據(jù)，可以快速地對模型進(jìn)行采光、熱工等方面的模擬，相關(guān)研究也驗(yàn)證了其比較好的準(zhǔn)確性。

2.1 模型與網(wǎng)格信息

在軟件中，按照1：1的比例進(jìn)行建模，模型尺寸為6600mm×5700mm×2250mm，南向安裝有940mm×1230mm的子物體（窗），共4個(gè)，且距離地面260mm。并導(dǎo)入大連地區(qū)氣象數(shù)據(jù)。模型外觀草圖與渲染圖見圖1和圖2。

計(jì)算機(jī)模擬選用網(wǎng)格尺寸為6500mm×5600mm，x與y方向各20格，為避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)的影響，選用網(wǎng)格采用非適應(yīng)性尺寸（比地面尺寸略?。?。網(wǎng)格位置距地面100，分析界面為垂直地面向上。大致位置及外觀見圖3和圖4。在網(wǎng)格中，采用等值線，三維數(shù)值顯示模式，可更直觀地看出各點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù)以及各點(diǎn)的差異。由于本文僅討論透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，故將墻與窗分別設(shè)定為兩個(gè)計(jì)算區(qū)域（區(qū)域1和區(qū)域2），分別進(jìn)行計(jì)算。

2.2 材質(zhì)信息

在本模型中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括屋頂、墻、窗。其中窗結(jié)構(gòu)及各部位物性參數(shù)見圖5、表1、表2[2]。

本模型墻與屋頂天花板均為固定變量，其他研究已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出本建筑的墻與天花板導(dǎo)熱系數(shù)為0.24W/（m2·K）。

3 集裝箱建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果分析

3.1 采光

將Ecotect Anaysis軟件采光模擬圖像進(jìn)行分割，如圖6所示。通過模擬可知，該集裝箱建筑現(xiàn)有透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝較為密集，導(dǎo)致了采光比較密集，又由三維圖像可看到，隨進(jìn)深方向光照強(qiáng)度差異極大。

由于窗戶相對較小，導(dǎo)致光線主要集中在了房間近窗1/3處（II下半部分），房間近窗1/2處（I與II交界處）則光線相對較弱，又不至于沒有陽光，人體視覺感受相對舒適，而又由于南墻的東側(cè)無窗，導(dǎo)致該處采光極差，坐在這里工作的人基本不會照射到陽光。而坐在窗臺附近的人會因光照過大而無法正常工作。遠(yuǎn)窗處由于房間進(jìn)深較大，層高低，光線經(jīng)過天花板與地板的反射次數(shù)很多，并逐漸被吸收，導(dǎo)致遠(yuǎn)窗處接收到的太陽光線極少。這種情況下，夏天進(jìn)入室內(nèi)太陽輻射較少，室內(nèi)比較涼爽，但冬天時(shí)會導(dǎo)致室內(nèi)溫度較低，增加了采暖熱負(fù)荷。

3.2 熱濕環(huán)境

將透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)月平均得熱量模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖7。由圖中可以看出，在一天當(dāng)中透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)（窗）每天13點(diǎn)至17點(diǎn)散熱量最少，各月趨勢相同。在最冷月時(shí)，散熱量達(dá)到1200～1400Wh以上，對冬季供暖熱負(fù)荷造成一定的負(fù)擔(dān)。而對于最熱月，窗得熱量不大，可較好地減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量。夏季各月窗得熱量整體差異不大。

將各月單位面積太陽輻射量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖8。由圖中可知，太陽輻射在10月達(dá)到峰值，而在7月達(dá)到低谷。其入射太陽輻射中有50%左右經(jīng)窗透射入室內(nèi)，但由于窗較小，使得總輻射量較小，而被窗吸收的太陽輻射只占12%左右。

4 集裝箱建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化方案

Low-E玻璃可以有效減少夏季太陽的熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，冬季有效抑制室內(nèi)的采暖熱向室外傳導(dǎo)，可以節(jié)約夏季空調(diào)制冷和冬季室內(nèi)采暖的費(fèi)用[3]。同時(shí)，如果窗下需要有人辦公，則可以在室內(nèi)安裝窗簾或百葉窗等遮陽物，在夏季減少射入室內(nèi)的太陽輻射及光照。對于冬季，由于大連地區(qū)冬季統(tǒng)一集中供熱，可增多窗玻璃層數(shù)或增加空氣層厚度來減少室內(nèi)采暖熱負(fù)荷。

修改窗尺寸來改變窗墻面積比工程量較大，不宜采用。根據(jù)以上分析結(jié)果，提出如下優(yōu)化方案：四面窗均改為選用SuperSE-I Low-E玻璃[3]，空氣層厚度6mm，由于未完全充滿空氣，空氣層導(dǎo)熱系數(shù)為2.46W/（m2·℃），其他窗框等結(jié)構(gòu)不變，窗內(nèi)側(cè)裝有百葉窗。以下優(yōu)化后模擬分析結(jié)果均為無內(nèi)遮陽時(shí)的情況。

4.2 優(yōu)化前后對比分析

（1）經(jīng)過優(yōu)化后，其全年室內(nèi)溫度分布小時(shí)數(shù)對比圖見圖9。

（2）優(yōu)化前后單位面積太陽輻射量對比如圖10。

（3）優(yōu)化前后透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量對比后，其差值統(tǒng)計(jì)圖見圖11。

（4）優(yōu)化前后空調(diào)系統(tǒng)功耗對比見圖12。

根據(jù)以上對比信息可以看出，在改用SuperSE-I型Low-E玻璃窗后，室內(nèi)采光強(qiáng)度整體有一定降低，但由于未改變窗的尺寸和位置，故整體采光分布未發(fā)生明顯改變。

對于溫度，由圖9中可看出，高溫小時(shí)數(shù)有所減少。對于窗自身得熱，由圖11可看出，夏季窗外部得熱變化不明顯，而冬季時(shí)窗得熱得到了顯著提升，從一定程度上減少了冬季采暖負(fù)荷。更換這種Low-E玻璃后，夏季空調(diào)冷負(fù)荷及冬季采暖負(fù)荷均有所減少，節(jié)能效果得到了提升。

5 結(jié)束語

本文通過Ecotect Analysis軟件，對大連民族大學(xué)建筑學(xué)院實(shí)踐教育基地集裝箱建筑的一個(gè)房間進(jìn)行能耗分析模擬，從透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手，對采用的窗材料進(jìn)行分析，提出把普通雙層中空玻璃窗改為SuperSE-I Low-E玻璃的優(yōu)化建議，并對改裝后的房間再次模擬分析并進(jìn)行前后對比。優(yōu)化后其透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果有所提升。

參考文獻(xiàn)：

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