基于Ecotect模拟建筑热工分析研究——以汉中农村建筑为例

陈 婕，田海宁

(陕西理工大学 土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000)

基于Ecotect模拟建筑热工分析研究
——以汉中农村建筑为例

陈 婕，田海宁

(陕西理工大学 土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000)

通过对汉中农村建筑的各围护结构及构件现状进行调研，在Ecotect Analysis软件中赋予模拟建筑模型材质，计算各个构件环境温度、室内热舒适等热工指标，并对结果加以分析。针对汉中农村建筑室内热舒适度差现象，通过改善建筑围护结构的墙体、屋顶材质及构造可以提高其室内的热舒适度。模拟结果表明，模型中逐月能耗最高的7月不舒适度峰值未到50%。对农村既有建筑节能设计提出了针对性较强的数字化节能设计措施，可为陕南及同类地区的乡村民居设计提供理论参考。

农村建筑； 汉中； Ecotect； 热工分析； 热舒适

1 研究背景

近年来全国农村自建住宅不断增加，已占到全国总建筑面积的51%以上[1]。由于农村住宅规范标准近年来才实施而且颁布的较少，大部分农村建筑围护结构构造简单[2]，没有采取保温隔热等措施，门窗气密性较差，导致建筑能耗较大，室内热舒适度较差。

随着计算机技术的普及，一些适合建筑设计方案阶段使用的简单灵活的分析软件相继问世。建筑物理模拟工具Ecotect Analysis，涵盖热、风、光、声、日照、经济性及环境影响与可视度等方面。在方案最初阶段，利用计算机模拟建筑的体型、空间构成等对其模型进行多种性能的预测，通过可视化结果进行充分比较，可以确立最终最佳的设计方案[3]。建筑的热工性能测试，就是通过计算机模拟建筑，赋予材质，计算热性能。建筑室内热环境的舒适要求在冬季和夏季尤为重要，建筑设计师利用软件可视化的模拟结果，可以通过调整设计手段协调建筑热环境与建筑造型、空间之间的矛盾，不断改善热环境。

汉中地区位于陕西省西南部，在建筑热工分区中属于夏热冬冷地区，城市居住建筑相关的节能规范较少[4]。由于该地区热工分区原因，冬季没有市政集中供暖，夏季采用空调制冷，能耗较大。该地农村大部分建筑多为自建住宅，没有按照现行农村居住建筑节能的标准[5]设计施工，同时简化施工程序，减少保温、隔热措施，导致室内热舒适更差[6]。针对汉中农村建筑室内热舒适度差的现象，本文通过实地调研，利用Ecotect Analysis软件进行建模、预测并分析其热工性能，拟对农村既有建筑节能设计提出针对性强的建筑数字化节能设计措施。

2 研究方法

前期对汉中地区的勉县、镇巴、西乡等农村建筑进行实地考察。调研该地区典型农村建筑的围护结构及其他构件，室内热舒适在极端季节冬季和夏季的感受。随着建筑节能和舒适度要求的攀升，既有建筑的节能本身具有一定的局限性[7]。要改善农村建筑的室内热舒适度差的现状，对建成并在使用中的建筑是有难度的，没有详细的标准规范指导，节能设计及措施的实施没有目标性和预测性。然后结合调研结果，利用Ecotect Analysis软件进行建模分析。

3 研究结果

3.1 Ecotect Analysis建模

在Ecotect Analysis 2010软件界面中，平视图中建立一个4.0 m×5.0 m的平面。切换到透视图，在南墙开窗2.1 m×1.5 m，窗台高度0.6 m，在北墙开门1.5 m×2.1 m，在屋顶建立4.0 m×5.0 m平面作为天花板，并在此天花板创建坡屋顶。建模中定义区域高度为2.8 m。几何模型建立完成，如图1所示。

(a) 3D编辑页面 (b) 可视化页面图1 Ecotect Analysis软件建模房屋模型

3.2 模型赋予材质

各个围护结构及构件具体构造做法及构造详图见表1和图2所示。

表1 模型建筑围护结构参数

图2 模型建筑围护结构构造详图

3.2.1 墙 体

根据前期调研结果，汉中地区农村建筑的外墙共有两种形式：砖墙、土墙[8]。目前，外墙的主要形式为砖墙，以240 mm实心粘土砖为主。外墙内部石灰粉刷，外部裸露砖体，少数砖外墙装饰以水泥抹面，或是在外墙面贴上瓷砖，多数外墙基本不做保温。根据农村建筑维护构件常见具体做法，在Ecotect Analysis 2010中，对建好的模型墙体赋予材质。材质库可以添加改进新的材质，所以选择新构造墙体。即墙体内外各有10 mm水泥砂浆，加上75 mm EPS(模塑聚苯板，一种隔热保温性能非常优良的材料，其修正系数a=1.20)外保温[9]，主体是370 mm实心粘土砖，不同于该地多数使用的240 mm实心粘土砖，其热稳定性更好。

3.2.2 窗 户

农村建筑的门窗类型主要为木门窗和铝合金门窗，仅有极少建筑采用了塑钢门窗。在Ecotect Analysis 2010中窗户的材质选择单层玻璃木制窗框(SingleGlazed-TimberFrame)。

3.2.3 门

农村建筑中木门窗的使用率高达67%，然而木门窗由于气密性较差，因此冬季冷风渗透厉害，会造成了大量的热损失；夏季大量热量渗透室内，对室内的防热极其不利[10]。门的材质选择实芯松木框门(SolidCore-PipeTimber)。

3.2.4 天花板

随着农村居住条件的改善，部分房屋内的吊顶与屋面有一定距离作为通风间层，但是吊顶上基本没有铺贴保温隔热材料。汉中地区住宅多数是坡屋顶，天花板多为竹木编制的薄板。在Ecotect Analysis 2010中，在建模的天花板选择悬挂的抹灰托梁吊顶(Plaster-Joists-Suspended)比较贴合实际。

3.2.5 屋 顶

汉中农村建筑屋顶形式主要有两种：木制屋架坡屋顶和混凝土平屋顶。木屋架主要建造于20世纪90年代左右，檩条上铺屋面瓦。平屋顶是在2000年以后采用预制混凝土屋面结构，然后在结构层上抹水泥砂浆找平层及防水层。由于汉中属于夏热冬冷地区，降雨量大，潮湿，农村建筑屋顶多数为木制屋架坡屋顶，在上铺设小黑瓦片。所以在建模的屋顶选择覆瓦屋面(ClayTiledRoof)符合实际情况。

3.2.6 地 板

汉中农村建筑地面一般为3种形式，即水泥地面、砖铺地面和瓷砖地面，由于当地经济条件有限，大部分地面为水泥地面。在模型里选择水泥地面(ConcSlab-OnGround)符合实际。

4 模型热环境分析

4.1 气象参数的导入

模型建好并完成各个构件的材质赋予，还需要导入某地区的气候才能进行模拟热工分析。Ecotect提供了专用的气象策略分析和日照分析工具软件：Weather Tool和Solar Tool，同时它提供中国270个城市的气象数据文件(Weather Data)[11]。在Weather Data中选中CHN-Hanzhong-CSWDEPW.wea后，点击对话框中的打开，汉中市气象数据导入到Ecotect软件。

4.2 热工计算

加载汉中地区的气候参数，进行热环境分析，在Ecotect Analysis 2010界面中第一行“计算Calculate”的下拉菜单中选择“热环境分析(T)”。在进行热工模拟计算之前，区域属性的设置大部分参数为系统默认值。室内设计条件(Internal design conditions)包括了衣着量(Clothing)系统默认值1，相对湿度(Humidity)60%，风速(Air Speed)为0.5 m/s，室内照度(Lighting Level)与光环境分析有关。人员与运行等条件的设置包括人员情况(Occupancy)为3人，室内得热情况(Internal Gainss)系统默认值，居住建筑使用全天，不同于其他建筑有时间段。渗透率(Infiltration Rate)设置包括换气率(Air Change Rate)为0.5，环境附加换气率(Wind Sensitivity)为0.25。热环境属性的设置包括系统类型(Type of system)，选择自然通风，因为农村建筑门窗冬夏都打开。舒适温度区间(Comfort Band)按照标准规范设置冬季18 ℃，夏季26 ℃，运行时间(Hours of operation)全天使用选择(No Schedule)选项。

4.3 结果分析与解读

热环境的模拟计算结果包括温度(T)、热损失和得热(L)、房间负荷(S)、热舒适(h)、数据对比(m)。需要选择日期或日期范围，根据汉中的气象参数选择最热日7月31日(也可选择最冷日等)。计算机自动计算结果如图3所示。

图3 模型热环境分析图

图3(a)是模型逐时温度曲线图。结合建好的模型，屋顶的温度曲线范围在30～50 ℃，围护结构墙体包括门窗的温度曲线范围在30 ℃左右。图示中注解显示的温度数值是环境温度，不是空气温度。

图3(b)是模型逐时得热/热损失曲线图。模型逐时得热/热损失结果显示在一天24 h中热量的变化，得热量或失热量单位为瓦特(W)。暖通空调负荷(HVAC Load)为0 W左右，模型为自然通风条件下，在设置中没有暖通空调方面的参数设置。围护结构热量传导(Conduction)峰值为2500 W左右，时间在一天的16：00～18：00时，围护结构传导热量会衰减，时间会延迟。太阳空气得热(SolAir)峰值时间点有多个，屋顶与外界太阳辐射得热最有关系。直射太阳得热(Direct Solar)值为0 W左右，由于模型围护结构和屋顶的遮挡，直射太阳得热量很小。通风热量变化(Ventilation)值、室内热量变化(Internal)值、室内某区域热量变化(Inter-zonal)值都为0 W左右。模型是自然通风状态，没有多少得热量和失热量。Internal和Inter-zonal说明室内的热量变化稳定。维护结构和屋顶做到了维持室内的热量稳定，不变或波动不大。

图3(c)是模型空间舒适度分析图。由于最初选择时间为最热日，在可视化页面中用平均辐射温度(Mean Radiant Temp)进行舒适度分析，图右侧色标从下到上颜色幅度分别代表平均辐射温度32～72 ℃，房间的地面网格基本为32 ℃，屋檐周围的地面为40 ℃，室外地面为48 ℃，由于赋予的材质有一定的隔热效果，所以模型的空间舒适度较好，见图3(d)，50%的舒适度是好的。

图3(d)是模型逐月能耗/不舒适度(时间百分数Percentage of Time)，指每个月达不到舒适温度的时间总和与该月总共小时数的百分比，分别为太热月达不到舒适温度的时间总和与该月总共小时数的百分比及太冷月达不到舒适温度的时间总和与该月总共小时数的百分比。模拟结果显示该地区建筑的夏季7月不舒适度峰值未达到50%，冬季1月不舒适度峰值接近50%。

5 小 结

(1)Ecotect Analysis 2010在热环境分析方面提供了逐时温度分析、逐时得失热量分析、逐月能耗分析、逐月不舒适度分析、温度分布分析等分析功能与手段，通过解读这些模拟结果，可以有效地帮助建筑师改进设计方案的热工性能，选择有效的技术手段提高建筑的相关性能；

(2)建筑节能设计不仅需要考虑建筑能耗水平控制，还需要兼顾建筑空间光热等环境热舒适度要求，数字技术应用于建筑节能设计研究和实践中，节约成本，更加高效；

(3)计算机分析结果表明，该地区农村建筑采用适合的技术可有效提高室内热环境质量，本研究可为陕南及同类地区的乡村民居设计提供理论参考。

[1] 江亿.深刻认识我国农村用能现状和用能特点——《中国建筑节能年度发展研究报告2012》农村专题概述[J].建设科技，2012(9)：12-13.

[2] 周士锷，吴静秋.陕南农村住宅设计[J].建筑知识，1981(2)：29-30.

[3] 柏慕培训.Autodesk Ecotect Analysis绿色建筑分析应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4] 中国建筑科学研究院.夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准:JGJ134—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.农村居住建筑节能设计标准:GB/T 50824—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6] 田海宁，闫杰，李根，等.陕南传统民居热舒适度调查及改造策略[J].陕西理工学院学报(自然科学版)，2016，32(5)：52-56.

[7] 孙澄，韩昀松.绿色性能导向下的建筑数字化节能设计理论研究[J].建筑学报，2016(11)：89.

[8] 郭光玲.陕南农村房屋安全性现状统计及分析[J]低温建筑技术，2015，37(8)：149-151.

[9] 刘加平.建筑物理[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2009：73.

[10] 赵士永，郝雨杭，付素娟.华北地区农村民居能耗现状及节能改造方案分析[J].建筑节能，2015(2)：114-117.

[11] 陈婕，高虎.Weather Tool在绿色建筑设计中的应用[J].福建建筑，2010(8)：31-33.

[责任编辑：谢 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

陕西省教育厅科研计划项目(16JK1156)；陕西理工大学科研基金资助项目(SLGKY16-06)

陈婕(1982—)，女，陕西省西乡县人，陕西理工大学讲师，硕士，主要研究方向为建筑技术与节能；田海宁(1981—)，女，陕西省富平县人，陕西理工大学讲师，硕士，主要研究方向为人居环境、民居建筑技术改造。

TU111.3

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