基于Ecotect Analysis软件的集装箱建筑透明围护结构优化设计

陈咸潼 孙铭一 那森 史佳琪 李正宇

摘  要：文章首先对大连民族大学建筑学院实践教育基地集装箱建筑中的一个房间进行实地尺寸测量，然后在Ecotect Analysis软件中进行1：1建模，从热湿环境及光环境两个方面分析采用现有材质窗时室内温度、太阳辐射、窗自身得热量等的分布，以及室内空调系统制冷制热功耗情况，根据模拟结果给出透明围护结构的优化建议，并对比优化前后室内热湿环境、光环境的变化。

关键词：集装箱建筑;Ecotect Analysis软件;透明围护结构

中图分类号：U169.3        文献标志码：A         文章编号：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

隨着社会的发展，时代的进步，人们的生活水平也在不断的提高，人口增长也越来越迅速，所需要的建筑也越来越多，而土地资源却是有限的。于是一种新型的建筑理念随之而生——集装箱模块式建筑。这种建筑利用废旧的集装箱，随意组装，随时拆卸，具有极强的可设计性，可充分发挥设计师的想象力，这种形式的建筑节约了土地资源，充分体现了绿色建筑的设计理念。但是，集装箱本身没有窗户，人们可分割出用于窗户孔洞的铁皮，其窗户的材质对集装箱内的舒适性具有很大的影响。本文就通过Ecotect Analysis软件[1]模拟，以大连地区为例，对大连民族大学建筑学院集装箱建筑的透明围护结构（窗户）进行分析，并给出优化建议。

1 建筑概况

大连民族大学建筑学院实践教育基地是由多个集装箱拼接而成的二层建筑，每层高2.25m。墙体内部设有内保温，外部保持了集装箱原有的铁皮外形。整体建筑是典型的“坐北朝南”，墙体传热系数0.24W/（m2·℃）。本研究选取其中一个房间进行模拟建模分析。

选取的房间尺寸为6600mm×5700mm×2250mm（长×宽×高），南向墙装有四个940mm×1230mm的窗户，材质为双层中空玻璃，窗框为铝合金，空气层厚度6mm。窗墙面积比0.3。

2 计算机模型建立

本文利用Ecotect Analysis进行计算机建模与模拟，该软件利用有限差分法，根据所提供的气象数据，可以快速地对模型进行采光、热工等方面的模拟，相关研究也验证了其比较好的准确性。

2.1 模型与网格信息

在软件中，按照1：1的比例进行建模，模型尺寸为6600mm×5700mm×2250mm，南向安装有940mm×1230mm的子物体（窗），共4个，且距离地面260mm。并导入大连地区气象数据。模型外观草图与渲染图见图1和图2。

计算机模拟选用网格尺寸为6500mm×5600mm，x与y方向各20格，为避免围护结构对数据的影响，选用网格采用非适应性尺寸（比地面尺寸略小）。网格位置距地面100，分析界面为垂直地面向上。大致位置及外观见图3和图4。在网格中，采用等值线，三维数值显示模式，可更直观地看出各点的模拟数据以及各点的差异。由于本文仅讨论透明围护结构，故将墙与窗分别设定为两个计算区域（区域1和区域2），分别进行计算。

2.2 材质信息

在本模型中，围护结构包括屋顶、墙、窗。其中窗结构及各部位物性参数见图5、表1、表2[2]。

本模型墙与屋顶天花板均为固定变量，其他研究已经过实验得出本建筑的墙与天花板导热系数为0.24W/（m2·K）。

3 集装箱建筑透明围护结构模拟结果分析

3.1 采光

将Ecotect Anaysis软件采光模拟图像进行分割，如图6所示。通过模拟可知，该集装箱建筑现有透明围护结构安装较为密集，导致了采光比较密集，又由三维图像可看到，随进深方向光照强度差异极大。

由于窗户相对较小，导致光线主要集中在了房间近窗1/3处（II下半部分），房间近窗1/2处（I与II交界处）则光线相对较弱，又不至于没有阳光，人体视觉感受相对舒适，而又由于南墙的东侧无窗，导致该处采光极差，坐在这里工作的人基本不会照射到阳光。而坐在窗台附近的人会因光照过大而无法正常工作。远窗处由于房间进深较大，层高低，光线经过天花板与地板的反射次数很多，并逐渐被吸收，导致远窗处接收到的太阳光线极少。这种情况下，夏天进入室内太阳辐射较少，室内比较凉爽，但冬天时会导致室内温度较低，增加了采暖热负荷。

3.2 热湿环境

将透明围护结构月平均得热量模拟结果进行统计，见图7。由图中可以看出，在一天当中透明围护结构（窗）每天13点至17点散热量最少，各月趋势相同。在最冷月时，散热量达到1200～1400Wh以上，对冬季供暖热负荷造成一定的负担。而对于最热月，窗得热量不大，可较好地减少进入室内的热量。夏季各月窗得热量整体差异不大。

将各月单位面积太阳辐射量进行统计，见图8。由图中可知，太阳辐射在10月达到峰值，而在7月达到低谷。其入射太阳辐射中有50%左右经窗透射入室内，但由于窗较小，使得总辐射量较小，而被窗吸收的太阳辐射只占12%左右。

4 集装箱建筑透明围护结构优化方案

4.1 优化方案

Low-E玻璃可以有效减少夏季太阳的热辐射进入室内，冬季有效抑制室内的采暖热向室外传导，可以节约夏季空调制冷和冬季室内采暖的费用[3]。同时，如果窗下需要有人办公，則可以在室内安装窗帘或百叶窗等遮阳物，在夏季减少射入室内的太阳辐射及光照。对于冬季，由于大连地区冬季统一集中供热，可增多窗玻璃层数或增加空气层厚度来减少室内采暖热负荷。

修改窗尺寸来改变窗墙面积比工程量较大，不宜采用。根据以上分析结果，提出如下优化方案：四面窗均改为选用SuperSE-I Low-E玻璃[3]，空气层厚度6mm，由于未完全充满空气，空气层导热系数为2.46W/（m2·℃），其他窗框等结构不变，窗内侧装有百叶窗。以下优化后模拟分析结果均为无内遮阳时的情况。

4.2 优化前后对比分析

（1）经过优化后，其全年室内温度分布小时数对比图见图9。

（2）优化前后单位面积太阳辐射量对比如图10。

（3）优化前后透明围护结构得热量对比后，其差值统计图见图11。

（4）优化前后空调系统功耗对比见图12。

根据以上对比信息可以看出，在改用SuperSE-I型Low-E玻璃窗后，室内采光强度整体有一定降低，但由于未改变窗的尺寸和位置，故整体采光分布未发生明显改变。

对于温度，由图9中可看出，高温小时数有所减少。对于窗自身得热，由图11可看出，夏季窗外部得热变化不明显，而冬季时窗得热得到了显著提升，从一定程度上减少了冬季采暖负荷。更换这种Low-E玻璃后，夏季空调冷负荷及冬季采暖负荷均有所减少，节能效果得到了提升。

5 结束语

本文通过Ecotect Analysis软件，对大连民族大学建筑学院实践教育基地集装箱建筑的一个房间进行能耗分析模拟，从透明围护结构入手，对采用的窗材料进行分析，提出把普通双层中空玻璃窗改为SuperSE-I Low-E玻璃的优化建议，并对改装后的房间再次模拟分析并进行前后对比。优化后其透明围护结构的节能效果有所提升。

参考文献：

[1]袁海波，熊亮，夏庆义，等.Autodesk Ecotect Analysis 2011绿色建筑分析应用[M].电子工业出版社，2012.

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]韩影，李晓杰，寇飞，等.浅析建筑Low-E玻璃的应用[J].建设科技，2018（09）：67-69.