Ecotect軟件在閩南地區綠色建筑室內采光分析中的應用*

廈門大學嘉庚學院 楊琳

本文利用了Ecotect綠色建筑分析軟件能與Revit無縫銜接的優勢,將建筑物模型直接導入Eccotect,對比分析不同物理工況下的自然采光的效果,以得到最適合閩南濕熱地區氣候特點的工況。

0 引言

綠色建筑在2014年修訂的《綠色建筑評價標準》中被定義為:在建筑從可行性分析到運營維修的周期內,最大程度地節約能源、節約土地、節約水和材料,保護環境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間[1];Berardi則將綠色建筑定義為:利用與環境共生存的原則下,以節省資源的方式設計與建造的建筑物。雖然表述有所不同,但是核心意思相同,綠色建筑能減輕對環境造成的負面影響,能使社會效益達到最佳,它是我國可持續發展不可分割的一部分。

其中,人工采光是實現建筑節能的有效手段。經研究發現,在相同照度水平的情況下,人們在天然光環境下的視覺功效比在人工照明條件下的高5%-20%。同時,將天然光引入室內可造成豐富的光與影的變化,使室內空間更有活力。因此,合理設計建筑物的天然采光效果不僅可減少照明用電時間,達到節能的目的,還可以改善室內的光環境,使人感到舒適,有利于健康。而傳統的天然采光實驗需要消耗大量的時間及人力,因此本文計劃采用Ecotect軟件中精準的氣象數據對室內的采光進行分析。

近年來國內外學者利用Ecotect軟件的天然采光模擬功能進行了大量研究。宋菲嫣、顧平道等人針對上海地區太陽高度角的不同,以節約能耗為目標而采用Ecotect軟件對建筑外窗的位置與角度進行分析, 最終分析得出南向窗戶垂直安裝且有外遮陽系統與向外側傾斜20°或30°時最佳;李岳、孟慶林等人[2]以北京某風雨步行街為實例,以造價低、節約能耗為目標,利用Ecotect模擬軟件對步行街頂面采光在無遮陽、內遮陽和外遮陽的三種形式模擬分析,最終提出建議采用內遮陽形式。丹麥建筑設計公司BIG在設計國家圖書館項目中,采用Ecotect的太陽輻射模擬分析了建筑的外表面太陽輻射量,根據得到的計算結果對表皮上的構件進行分類,得出輻射量較大的地方采用較高遮陽效率的構件,輻射量小的地方采用較低遮陽效率的構件的結論;Lavinia Chiara Tagliabue利用Ecotect軟件分析辦公室的窗戶在不同位置和大小評估自然采光、可視度以及能耗等問題,最終能找到最優位置和大小的窗戶。

在前人的基礎上,本文利用Ecotect與BIM可以做到單向的無縫鏈接的功能,借助Revit軟件創建建筑模型,并通過Ecotect軟件分析不同窗墻比、窗戶位置及規格等對室內采光效果的影響,從而為室內采光優化設計提供理論指導。

1 軟件介紹及建筑模型

1.1 軟件特點

Ecotect作為一款計算機輔助設計軟件,使用功能廣,能有效的結合建筑周邊環境進行能耗分析,正逐浙被大眾運用在實踐中,不僅是專業人員,普通的設計愛好者也能輕易操作,該軟件有許多獨特之處:

(1)三維可視化;(2)可導入性;(3)數據積累性;(4)信息可持續性;(5)準確的氣象數據;(6)直觀可視的計算結果。

我國在綠色建筑評價的很多方面存在大量的重復性工作和低效率的情況,充分利用建筑信息模型作為載體,可以更加高效進行綠色建筑分析。由于Ecotect與BIM可以做到單向的無縫鏈接[3],且BIM能在建筑物全過程中包容信息和數據,對于大型建筑項目需要多部門協調的需求時,我們就可以從BIM中導出的模型在Ecotect中分析,實現了高效率作業。

因此,綠色建筑的最優化設計過程是:專業人員通過圖紙把BIM構建的三維建筑模型直接或者轉換成相對應的格式導入到能耗分析軟件中,隨后操作人員按照國家或地方設置的標準、規范與當地氣象數據進行對照結合,完善建筑及環境信息,對分析的結果進行數據分析,并進行直觀的“可視化模擬”,按照模擬計算的結果設置相對應的參數,這樣能較好的控制設定的節能標準[4]。在整個的設計過程中,首先明確找出過多消耗能源的影響因素,對影響因素進行分析,進而確定影響較大的幾類因素,然后對照影響因素優化建筑節能設計的參數;計算機輔助軟件能夠適應當前復雜多變的設計環境,輔助設計人員完成設計任務。我堅定的相信,輔助性設計軟件在未來會有更廣層次、更高空間的發展。

1.2 模型建立

首先依據設計單位的圖紙在Revit 2016軟件中繪出建筑模型,將Revit中的建筑模型按照空間劃分的原則創建“房間”構件, 為清楚展示效果,選擇劃分4個“房間”作為示例,包含2間臥室、1間書房、1個客廳:從Revit中導出文件后進入Ecotect進行模擬和數據分析,文件載入后根據劃分的“房間”名稱不同,線條所代表“房間”的顏色也不同,如紫色線條所圍護的區域表示臥室,黃色線條圍護的區域代表書房;深紫色線條圍護的區域代表客廳等。在Ecotect軟件中具體設置步驟如下:

(1)本文選擇其中一個尺寸為3.5m×5m×2.9m的臥室進行采光分析,再加上尺寸為4.2m×2.2m的落地窗,窗臺高度為0.3m和尺寸為1m×2.2m的門,導入氣象數據。

(2)檢查分析:模型區域是否關閉,模型外圍護結構是否閉合,對影響臥室自然采光模擬的參數進行控制變量法的分析。

(3)設置分析網格進行分析。選擇自動適配網格到物體,并選擇“Within”在內部生成分析網格,使網格全部包含在所選物體之內,錯誤的網格設置將會導致無結果顯示。網格的設置的越細,分析的精度越高,隨后可以觀察每一點上的精確照度值,但會消耗很多時間,一般小場景且簡單的模型X/Y設置100以內足矣。并且將網格在Z方向的高度設置為0mm,即為地面的高度。由于本文只建模一個房間,圍護結構對采光有較大的影響,故采用非吻合尺寸的網格,網格邊緣距離圍護結構一定的尺寸各200mm,距地面750mm。

2 結果與討論

2.1 不同窗墻比對采光效果的影響

通過模擬不同窗墻比的工況可知:窗墻比較大的房間室內采光較好,光照范圍較大,采光系數值范圍為4.0%～24.0%,滿足規范要求;而窗墻比較小的房間室內采光較差,光照范圍小,采光系數值范圍為1.2%～21.2%,未達到規范要求。

筆者還注意到:5月～9月窗墻比較大的房間達到舒適度所需的能耗較少,12月～4月窗墻比小的房間達到舒適度所需的能耗較少,10月、11月能耗差別不大。

南方地區雨水充足,梅雨季節長,室內多潮濕,需要充足的光照除濕,建議選擇窗墻比較大的房間;而北方地區全年較為干燥,冬季嚴寒,日落時間較早,建議選擇窗墻比較小的房間。由于閩南地區夏熱冬暖,雨量充足,對防潮防熱需要高,因為要使我們感覺到舒服和盡量減少資源浪費,建議選擇窗墻比較大的房間。

2.2 不同窗臺高度對采光效果的影響

根據《建筑采光設計標準》的規定:住宅的臥室側面采光系數不應低于2.0%。根據2016《民用建筑熱工設計規范》的規定:南向墻面的窗墻比不大于0.5,故本次模擬所定的窗墻比均為0.31。通過室內采光分析對比可知:窗臺較高的房間室內采光系數略高于窗臺較低的房間,采光系數值范圍為1.8%～21.8%,未滿足采光設計規范的不低于2.0%的要求[5];窗臺較低的房間采光系數值范圍為1.5%～21.5%,也未滿足采光設計規范的不低于2.0%的要求。兩者采光范圍也大致相同。故窗臺的高低對臥室采光系數和范圍影響較小。

因此可以看出窗臺高度對采光系數值的范圍和光照范圍影響較小,兩者差異不大,可由業主安全性和美觀性出發定窗臺的高度。但對于本次模擬的數據差異來看,由于閩南地區夏熱冬暖,夏季潮濕,需要充分滿足夏季防熱防潮要求,因為要使我們感覺到舒服和盡量減少資源浪費,結合兩組對比圖,建議選擇窗臺較高的房間。

2.3 不同窗戶位置及規格對采光效果的影響

圖1 顯示不同窗臺位置的采光系數示意圖。本次模擬兩類工況:開窗總面積不變,改變窗的數量,a為一扇窗,朝向南,窗戶規格4.2×2.2;b為2扇窗,分別朝正南、正東,窗戶規格分別為3×2.2+2.2×1.25。由圖1(a)、圖1(b)室內采光分布圖對比可知:a臥室的室內整體采光系數較高,采光系數值范圍為4.0%～24.0%,滿足采光設計規范的不低于2.0%的要求,但光照范圍較小;b臥室采光系數略低于a,采光系數取值范圍在2.8%～22.8%,滿足采光設計規范的不低于2.0%的要求,光照范圍較大。

圖1 不同窗臺位置及規格下室內采光系數示意圖Fig.1 Schematic diagram of indoor daylighting coefficient under different window sill positions and specifications

此外,除5月和10月b臥室的能耗略低外,其余月份均為a臥室的房間能耗較更低。由于閩南地區夏熱冬暖,雨水充沛,需要充分滿足夏季防熱防潮要求,結合兩組對比圖,建議選擇a臥室,既滿足了采光設計規范,也節約了維持人體舒適溫度所需的能耗。

運用采光模擬得出的數據分析,我們能夠直觀的了解一個房間的采光情況,對光照不足的房間補充人工照明。同時筆者也注意到,通過擇優選擇房間的布置方式、改善室內窗墻比能較好的達到室內采光設計規范要求,從而降低白天人工照明的使用,而人工照明數量的減少,因照明設備散熱而增加的空調能耗也會隨之下降,從而達到進一步降低建筑能耗的目的。

3 結論

本文重點通過簡單模型的控制變量法對自然采光進行能耗分析。通過對于采光的模擬,得出窗墻比和窗戶規格對室內采光有一定影響,而窗臺高度影響較小。對于閩南地區而言,窗墻比較大的房間既能獲得較好的采光,還能減少夏季為達到人體舒適溫度所需的能耗;相同的窗墻比,分窗雖然能光照范圍較大,但需要消耗更多的能耗,而整窗光照范圍略小,也能滿足規范要求,且能耗更低。

通過一系列分析,我清楚的認識到輔助性模擬軟件在建筑設計過程中是十分重要的工具,它能更好地利用真實數據,同時又可以對模擬結果進行修改和優化。雖然很多計算機輔助軟件與綠色模擬軟件協同工作的深度目前還處于發展階段,但我國許多的建筑規范正在不斷的改進和完善中,因此我們需要時時關注行業的最新發展動態。

由于筆者的知識儲備存在局限性,本篇文章的模擬分析還不夠透徹和深入,僅僅是對創建的模型的采光性能進行淺略的概述和能耗的模擬,未涉及綠色建筑其他指標。

引用

[1] 綠色建筑評價標準(附條文說明):GB/T 50378-2019[S].2019.

[2] 謝斌,胡望社,姚建政.基于Ecotect的建筑遮陽采光節能設計優化策略[J].建筑節能,2017,45(12):26-29.

[3] 于潔.中國建筑設計研究院的BIM發展與應用[J].中國建設信息,2013(4):30-33.

[4] 嚴鈞,趙能,梁智堯.Ecotect在建筑方案設計中的應用研究[J].高等建筑教育,2009,18(3):140-144.

[5] 韓杰.自然采光模擬技術在綠色建筑設計與評估方面的應用[J].建筑設計管理,2013,30(2):53-56.