基于Ecotect Analysis軟件的集裝箱建筑透明圍護結構優化設計

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建筑學院實踐教育基地集裝箱建筑中的一個房間進行實地尺寸測量，然后在Ecotect Analysis軟件中進行1：1建模，從熱濕環境及光環境兩個方面分析采用現有材質窗時室內溫度、太陽輻射、窗自身得熱量等的分布，以及室內空調系統制冷制熱功耗情況，根據模擬結果給出透明圍護結構的優化建議，并對比優化前后室內熱濕環境、光環境的變化。

關鍵詞：集裝箱建筑;Ecotect Analysis軟件;透明圍護結構

中圖分類號：U169.3? ? ? ? 文獻標志碼：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

隨著社會的發展，時代的進步，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，隨時拆卸，具有極強的可設計性，可充分發揮設計師的想象力，這種形式的建筑節約了土地資源，充分體現了綠色建筑的設計理念。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，其窗戶的材質對集裝箱內的舒適性具有很大的影響。本文就通過Ecotect Analysis軟件[1]模擬，以大連地區為例，對大連民族大學建筑學院集裝箱建筑的透明圍護結構（窗戶）進行分析，并給出優化建議。

1 建筑概況

大連民族大學建筑學院實踐教育基地是由多個集裝箱拼接而成的二層建筑，每層高2.25m。墻體內部設有內保溫，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0.24W/（m2·℃）。本研究選取其中一個房間進行模擬建模分析。

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

2 計算機模型建立

本文利用Ecotect Analysis進行計算機建模與模擬，該軟件利用有限差分法，根據所提供的氣象數據，可以快速地對模型進行采光、熱工等方面的模擬，相關研究也驗證了其比較好的準確性。

2.1 模型與網格信息

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

計算機模擬選用網格尺寸為6500mm×5600mm，x與y方向各20格，為避免圍護結構對數據的影響，選用網格采用非適應性尺寸（比地面尺寸略小）。網格位置距地面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。在網格中，采用等值線，三維數值顯示模式，可更直觀地看出各點的模擬數據以及各點的差異。由于本文僅討論透明圍護結構，故將墻與窗分別設定為兩個計算區域（區域1和區域2），分別進行計算。

2.2 材質信息

在本模型中，圍護結構包括屋頂、墻、窗。其中窗結構及各部位物性參數見圖5、表1、表2[2]。

本模型墻與屋頂天花板均為固定變量，其他研究已經過實驗得出本建筑的墻與天花板導熱系數為0.24W/（m2·K）。

3 集裝箱建筑透明圍護結構模擬結果分析

3.1 采光

將Ecotect Anaysis軟件采光模擬圖像進行分割，如圖6所示。通過模擬可知，該集裝箱建筑現有透明圍護結構安裝較為密集，導致了采光比較密集，又由三維圖像可看到，隨進深方向光照強度差異極大。

由于窗戶相對較小，導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無窗，導致該處采光極差，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。遠窗處由于房間進深較大，層高低，光線經過天花板與地板的反射次數很多，并逐漸被吸收，導致遠窗處接收到的太陽光線極少。這種情況下，夏天進入室內太陽輻射較少，室內比較涼爽，但冬天時會導致室內溫度較低，增加了采暖熱負荷。

3.2 熱濕環境

將透明圍護結構月平均得熱量模擬結果進行統計，見圖7。由圖中可以看出，在一天當中透明圍護結構（窗）每天13點至17點散熱量最少，各月趨勢相同。在最冷月時，散熱量達到1200～1400Wh以上，對冬季供暖熱負荷造成一定的負擔。而對于最熱月，窗得熱量不大，可較好地減少進入室內的熱量。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行統計，見圖8。由圖中可知，太陽輻射在10月達到峰值，而在7月達到低谷。其入射太陽輻射中有50%左右經窗透射入室內，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結構優化方案

4.1 優化方案

Low-E玻璃可以有效減少夏季太陽的熱輻射進入室內，冬季有效抑制室內的采暖熱向室外傳導，可以節約夏季空調制冷和冬季室內采暖的費用[3]。同時，如果窗下需要有人辦公，則可以在室內安裝窗簾或百葉窗等遮陽物，在夏季減少射入室內的太陽輻射及光照。對于冬季，由于大連地區冬季統一集中供熱，可增多窗玻璃層數或增加空氣層厚度來減少室內采暖熱負荷。

修改窗尺寸來改變窗墻面積比工程量較大，不宜采用。根據以上分析結果，提出如下優化方案：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，空氣層導熱系數為2.46W/（m2·℃），其他窗框等結構不變，窗內側裝有百葉窗。以下優化后模擬分析結果均為無內遮陽時的情況。

4.2 優化前后對比分析

（1）經過優化后，其全年室內溫度分布小時數對比圖見圖9。

（2）優化前后單位面積太陽輻射量對比如圖10。

（3）優化前后透明圍護結構得熱量對比后，其差值統計圖見圖11。

（4）優化前后空調系統功耗對比見圖12。

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

對于溫度，由圖9中可看出，高溫小時數有所減少。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，而冬季時窗得熱得到了顯著提升，從一定程度上減少了冬季采暖負荷。更換這種Low-E玻璃后，夏季空調冷負荷及冬季采暖負荷均有所減少，節能效果得到了提升。

5 結束語

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

參考文獻：

[1]袁海波，熊亮，夏慶義，等.Autodesk Ecotect Analysis 2011綠色建筑分析應用[M].電子工業出版社，2012.

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]韓影，李曉杰，寇飛，等.淺析建筑Low-E玻璃的應用[J].建設科技，2018（09）：67-69.