Ecotect软件在闽南地区绿色建筑室内采光分析中的应用*

厦门大学嘉庚学院 杨琳

本文利用了Ecotect绿色建筑分析软件能与Revit无缝衔接的优势,将建筑物模型直接导入Eccotect,对比分析不同物理工况下的自然采光的效果,以得到最适合闽南湿热地区气候特点的工况。

0 引言

绿色建筑在2014年修订的《绿色建筑评价标准》中被定义为:在建筑从可行性分析到运营维修的周期内,最大程度地节约能源、节约土地、节约水和材料,保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间[1];Berardi则将绿色建筑定义为:利用与环境共生存的原则下,以节省资源的方式设计与建造的建筑物。虽然表述有所不同,但是核心意思相同,绿色建筑能减轻对环境造成的负面影响,能使社会效益达到最佳,它是我国可持续发展不可分割的一部分。

其中,人工采光是实现建筑节能的有效手段。经研究发现,在相同照度水平的情况下,人们在天然光环境下的视觉功效比在人工照明条件下的高5%-20%。同时,将天然光引入室内可造成丰富的光与影的变化,使室内空间更有活力。因此,合理设计建筑物的天然采光效果不仅可减少照明用电时间,达到节能的目的,还可以改善室内的光环境,使人感到舒适,有利于健康。而传统的天然采光实验需要消耗大量的时间及人力,因此本文计划采用Ecotect软件中精准的气象数据对室内的采光进行分析。

近年来国内外学者利用Ecotect软件的天然采光模拟功能进行了大量研究。宋菲嫣、顾平道等人针对上海地区太阳高度角的不同,以节约能耗为目标而采用Ecotect软件对建筑外窗的位置与角度进行分析, 最终分析得出南向窗户垂直安装且有外遮阳系统与向外侧倾斜20°或30°时最佳;李岳、孟庆林等人[2]以北京某风雨步行街为实例,以造价低、节约能耗为目标,利用Ecotect模拟软件对步行街顶面采光在无遮阳、内遮阳和外遮阳的三种形式模拟分析,最终提出建议采用内遮阳形式。丹麦建筑设计公司BIG在设计国家图书馆项目中,采用Ecotect的太阳辐射模拟分析了建筑的外表面太阳辐射量,根据得到的计算结果对表皮上的构件进行分类,得出辐射量较大的地方采用较高遮阳效率的构件,辐射量小的地方采用较低遮阳效率的构件的结论;Lavinia Chiara Tagliabue利用Ecotect软件分析办公室的窗户在不同位置和大小评估自然采光、可视度以及能耗等问题,最终能找到最优位置和大小的窗户。

在前人的基础上,本文利用Ecotect与BIM可以做到单向的无缝链接的功能,借助Revit软件创建建筑模型,并通过Ecotect软件分析不同窗墙比、窗户位置及规格等对室内采光效果的影响,从而为室内采光优化设计提供理论指导。

1 软件介绍及建筑模型

1.1 软件特点

Ecotect作为一款计算机辅助设计软件,使用功能广,能有效的结合建筑周边环境进行能耗分析,正逐浙被大众运用在实践中,不仅是专业人员,普通的设计爱好者也能轻易操作,该软件有许多独特之处:

(1)三维可视化;(2)可导入性;(3)数据积累性;(4)信息可持续性;(5)准确的气象数据;(6)直观可视的计算结果。

我国在绿色建筑评价的很多方面存在大量的重复性工作和低效率的情况,充分利用建筑信息模型作为载体,可以更加高效进行绿色建筑分析。由于Ecotect与BIM可以做到单向的无缝链接[3],且BIM能在建筑物全过程中包容信息和数据,对于大型建筑项目需要多部门协调的需求时,我们就可以从BIM中导出的模型在Ecotect中分析,实现了高效率作业。

因此,绿色建筑的最优化设计过程是:专业人员通过图纸把BIM构建的三维建筑模型直接或者转换成相对应的格式导入到能耗分析软件中,随后操作人员按照国家或地方设置的标准、规范与当地气象数据进行对照结合,完善建筑及环境信息,对分析的结果进行数据分析,并进行直观的“可视化模拟”,按照模拟计算的结果设置相对应的参数,这样能较好的控制设定的节能标准[4]。在整个的设计过程中,首先明确找出过多消耗能源的影响因素,对影响因素进行分析,进而确定影响较大的几类因素,然后对照影响因素优化建筑节能设计的参数;计算机辅助软件能够适应当前复杂多变的设计环境,辅助设计人员完成设计任务。我坚定的相信,辅助性设计软件在未来会有更广层次、更高空间的发展。

1.2 模型建立

首先依据设计单位的图纸在Revit 2016软件中绘出建筑模型,将Revit中的建筑模型按照空间划分的原则创建“房间”构件, 为清楚展示效果,选择划分4个“房间”作为示例,包含2间卧室、1间书房、1个客厅:从Revit中导出文件后进入Ecotect进行模拟和数据分析,文件载入后根据划分的“房间”名称不同,线条所代表“房间”的颜色也不同,如紫色线条所围护的区域表示卧室,黄色线条围护的区域代表书房;深紫色线条围护的区域代表客厅等。在Ecotect软件中具体设置步骤如下:

(1)本文选择其中一个尺寸为3.5m×5m×2.9m的卧室进行采光分析,再加上尺寸为4.2m×2.2m的落地窗,窗台高度为0.3m和尺寸为1m×2.2m的门,导入气象数据。

(2)检查分析:模型区域是否关闭,模型外围护结构是否闭合,对影响卧室自然采光模拟的参数进行控制变量法的分析。

(3)设置分析网格进行分析。选择自动适配网格到物体,并选择“Within”在内部生成分析网格,使网格全部包含在所选物体之内,错误的网格设置将会导致无结果显示。网格的设置的越细,分析的精度越高,随后可以观察每一点上的精确照度值,但会消耗很多时间,一般小场景且简单的模型X/Y设置100以内足矣。并且将网格在Z方向的高度设置为0mm,即为地面的高度。由于本文只建模一个房间,围护结构对采光有较大的影响,故采用非吻合尺寸的网格,网格边缘距离围护结构一定的尺寸各200mm,距地面750mm。

2 结果与讨论

2.1 不同窗墙比对采光效果的影响

通过模拟不同窗墙比的工况可知:窗墙比较大的房间室内采光较好,光照范围较大,采光系数值范围为4.0%～24.0%,满足规范要求;而窗墙比较小的房间室内采光较差,光照范围小,采光系数值范围为1.2%～21.2%,未达到规范要求。

笔者还注意到:5月～9月窗墙比较大的房间达到舒适度所需的能耗较少,12月～4月窗墙比小的房间达到舒适度所需的能耗较少,10月、11月能耗差别不大。

南方地区雨水充足,梅雨季节长,室内多潮湿,需要充足的光照除湿,建议选择窗墙比较大的房间;而北方地区全年较为干燥,冬季严寒,日落时间较早,建议选择窗墙比较小的房间。由于闽南地区夏热冬暖,雨量充足,对防潮防热需要高,因为要使我们感觉到舒服和尽量减少资源浪费,建议选择窗墙比较大的房间。

2.2 不同窗台高度对采光效果的影响

根据《建筑采光设计标准》的规定:住宅的卧室侧面采光系数不应低于2.0%。根据2016《民用建筑热工设计规范》的规定:南向墙面的窗墙比不大于0.5,故本次模拟所定的窗墙比均为0.31。通过室内采光分析对比可知:窗台较高的房间室内采光系数略高于窗台较低的房间,采光系数值范围为1.8%～21.8%,未满足采光设计规范的不低于2.0%的要求[5];窗台较低的房间采光系数值范围为1.5%～21.5%,也未满足采光设计规范的不低于2.0%的要求。两者采光范围也大致相同。故窗台的高低对卧室采光系数和范围影响较小。

因此可以看出窗台高度对采光系数值的范围和光照范围影响较小,两者差异不大,可由业主安全性和美观性出发定窗台的高度。但对于本次模拟的数据差异来看,由于闽南地区夏热冬暖,夏季潮湿,需要充分满足夏季防热防潮要求,因为要使我们感觉到舒服和尽量减少资源浪费,结合两组对比图,建议选择窗台较高的房间。

2.3 不同窗户位置及规格对采光效果的影响

图1 显示不同窗台位置的采光系数示意图。本次模拟两类工况:开窗总面积不变,改变窗的数量,a为一扇窗,朝向南,窗户规格4.2×2.2;b为2扇窗,分别朝正南、正东,窗户规格分别为3×2.2+2.2×1.25。由图1(a)、图1(b)室内采光分布图对比可知:a卧室的室内整体采光系数较高,采光系数值范围为4.0%～24.0%,满足采光设计规范的不低于2.0%的要求,但光照范围较小;b卧室采光系数略低于a,采光系数取值范围在2.8%～22.8%,满足采光设计规范的不低于2.0%的要求,光照范围较大。

图1 不同窗台位置及规格下室内采光系数示意图Fig.1 Schematic diagram of indoor daylighting coefficient under different window sill positions and specifications

此外,除5月和10月b卧室的能耗略低外,其余月份均为a卧室的房间能耗较更低。由于闽南地区夏热冬暖,雨水充沛,需要充分满足夏季防热防潮要求,结合两组对比图,建议选择a卧室,既满足了采光设计规范,也节约了维持人体舒适温度所需的能耗。

运用采光模拟得出的数据分析,我们能够直观的了解一个房间的采光情况,对光照不足的房间补充人工照明。同时笔者也注意到,通过择优选择房间的布置方式、改善室内窗墙比能较好的达到室内采光设计规范要求,从而降低白天人工照明的使用,而人工照明数量的减少,因照明设备散热而增加的空调能耗也会随之下降,从而达到进一步降低建筑能耗的目的。

3 结论

本文重点通过简单模型的控制变量法对自然采光进行能耗分析。通过对于采光的模拟,得出窗墙比和窗户规格对室内采光有一定影响,而窗台高度影响较小。对于闽南地区而言,窗墙比较大的房间既能获得较好的采光,还能减少夏季为达到人体舒适温度所需的能耗;相同的窗墙比,分窗虽然能光照范围较大,但需要消耗更多的能耗,而整窗光照范围略小,也能满足规范要求,且能耗更低。

通过一系列分析,我清楚的认识到辅助性模拟软件在建筑设计过程中是十分重要的工具,它能更好地利用真实数据,同时又可以对模拟结果进行修改和优化。虽然很多计算机辅助软件与绿色模拟软件协同工作的深度目前还处于发展阶段,但我国许多的建筑规范正在不断的改进和完善中,因此我们需要时时关注行业的最新发展动态。

由于笔者的知识储备存在局限性,本篇文章的模拟分析还不够透彻和深入,仅仅是对创建的模型的采光性能进行浅略的概述和能耗的模拟,未涉及绿色建筑其他指标。

引用

[1] 绿色建筑评价标准(附条文说明):GB/T 50378-2019[S].2019.

[2] 谢斌,胡望社,姚建政.基于Ecotect的建筑遮阳采光节能设计优化策略[J].建筑节能,2017,45(12):26-29.

[3] 于洁.中国建筑设计研究院的BIM发展与应用[J].中国建设信息,2013(4):30-33.

[4] 严钧,赵能,梁智尧.Ecotect在建筑方案设计中的应用研究[J].高等建筑教育,2009,18(3):140-144.

[5] 韩杰.自然采光模拟技术在绿色建筑设计与评估方面的应用[J].建筑设计管理,2013,30(2):53-56.