基于Ecotect 的綠色建筑節能設計應用研究

文/崔征 郭子鳴 張繼鵬

一、引言

建設資源節約型社會，是我國為實現可持續發展目標而作出的戰略抉擇。節約資源是創建資源節約型社會的重要組成部分。自20世紀70年代的能源危機以來，各國專家對各用能領域的節能潛力進行研究，結果表明，建筑用能是節能潛力最大的用能領域，應將其作為節能工作的重點。我國要切實推動城鄉建設走上綠色、循環、低碳的科學發展軌道，推動綠色建筑各項標準與技術措施的落地實施，使各類型建筑達到“近零能耗”的理想狀態。目前，我國在建筑節能技術方面已經取得了一定的成果，但在建筑設計中的節能應用領域卻存在兩大問題：一是傳統的節能設計工作量大，計算復雜，準確性較差，效率低下，難以大規模應用。二是傳統的建筑能耗模擬具有滯后性，往往在施工圖階段才進行能耗分析，忽略了方案設計階段節能設計的重要性，對于建筑朝向、選址不同造成的能耗差異評估度有限，到施工圖階段發現設計短板，此時再對方案設計作出調整就較為困難了。因此，學界把綠色建筑的研究方向轉向了綠色BIM，其中Ecotect軟件可有效輔助建筑節能設計，在最初的方案設計階段對建筑性能的各個方面進行綠色度分析與改進，并給出快速準確的反饋與對比，能有效補齊傳統綠色建筑節能設計中的短板，為綠色建筑的發展提供技術支持。

二、Ecotect軟件概述

（一）Ecotect的優越性

相關學者對 Energy Plus、Trace600、Sun-Break、Ecotect等建筑能耗模擬軟件的可視性、圖像化、操作性、準確度等性能進行量化對比分析，發現Ecotect各個方面均為最優。在誤差值方面，Ecotect模擬公共建筑耗電量的誤差僅為4.12%-5.68%，在諸多軟件中處于領先地位。因此，可以認為 Ecotect是一款非常優秀的建筑性能分析模擬軟件，在建筑節能設計中具有巨大的應用價值。

（二）Ecotect主要功能應用

Ecotect軟件性能較為全面，即時性和操作性極佳。同為Autodesk公司研發的設計軟件，Revit建模軟件能與Ecotect進行一定程度的數據傳輸與對接，Revit軟件建模完成后，能將模型導入Ecotect軟件中進行能耗模擬分析，只需調試相關的氣象資料、材質結構等參數，即可對建筑方案的光環境、聲環境、熱環境、可視度等進行模擬分析，得到反饋信息后對方案的綠色度進行優化（圖1）。

1.熱工性能分析。熱工性能分析結果包括逐時溫度曲線、逐時得熱/熱損失、逐月能耗/不舒適度、溫度分布、圍護結構得熱、間接太陽得熱、直接太陽得熱、通風得熱、內部得熱、區域間得熱、被動式組分得熱、溫度/得熱比較、逐月度日數等。

2.日照分析。日照分析功能包含日照陰影分析、太陽軌跡圖分析以及基于此的遮擋分析與遮陽的優化設計等多方面的內容。其中最具價值的應用是通過日照分析進行百葉窗的優化設計，在被動式建筑的采光設計中，這種應用被經常使用。

3.聲學設計。Ecotect使用統計聲學計算混響時間，并利用幾何聲學避免出現聲學瑕疵，以便得到最佳的聲學效果。

4.可視化分析。分析結果包括規劃可視度與室內可視度分析。

圖1 Ecotect主要功能板塊

三、 基于ECOTECT的建筑節能設計實現步驟

（一）Revit模型導入Ecotect的方法

1.模型的處理。

（1）將搭建好的Revit模型導入Ecotect。在導入Ecotect前，需要在Revit中刪除模型內的各種多余構件，包括各種裝飾構件，樓梯、扶手等其他與建筑節能采光、日照、聲學計算無關的構件，留下屋頂、內墻、外墻、樓板等圍護結構，以及窗、門、洞口等。

（2）需要用到Revit的體積功能。在設置體積時，要檢查每個功能區域是否均有體積充滿整個區域。較為便捷的方法是在右下角框選所有文件，檢查房間區域是否包含所有空間，沒有白色區域，即為充滿。在設置體積時，盡可能將體積高度設為實際高度的2-3倍，以避免出現體積沒有充滿的情況。

（3）單擊Revit左上角圖標，導出gbxml文件。gbxml格式的文件主要可以用來分析建筑的熱環境、光環境、聲環境、太陽輻射等，設置好后應保存至指定文件夾。需要注意的是，Revit軟件構建的建筑信息模型默認是rvt格式的，rvt格式的文件與Ecotect軟件存在傳輸壁壘，所以只有將rvt文件轉存為gbxml文件，才能實現二者間的數據傳輸，但此時模型將丟失大量數據，后續需要在Ecotect軟件中進行完善。

2.模型的導入。在Ecotect軟件界面上選擇“文件-導入-模型/分析資料”。在彈出的對話框中將文件類型選為“xml ( *.xml) ”，單擊“選擇文件”選項，選擇要導入的xml文件。Revit劃分的不同的房間區域可以在導出的xml文件中被識別。選擇所有的區域，將其根據區域的名字命名，相關模型被正確導入，每個房間都處于一個區域之中,模型導入便完成了。

（二）日照與采光分析

1.遮陽優化設計。根據地區的氣候特征選擇合適的遮陽形式，對模型的窗戶建立相應的遮陽模型，通過調節遮陽設施的尺寸與角度等調節遮陽效果?？梢耘c室內采光設計相結合，通過采光系數計算并判斷遮陽效果，從而選擇最優遮陽設計。

2.室內天然采光設計。開啟分析網格，在分析網格面板中點擊“網格管理”按鈕打開分析網格管理器對話框，確認單元數量中的X、Y、Z數值，單元數量個數越多，分析越精確。

選擇采光系數與照度計算，把天空照明模型選為CIE全陰天，然后根據建筑所處的光氣候區填入天空照度。計算完畢后，程序會按數值大小以不同的顏色將采光系數等計算結果顯示在分析網格之上，可將采光系數與綠色建筑評價標準相關規定進行對比，以優化天然采光設計。

（三）熱環境分析

1.模型處理。模型要符合要求，必須確保空間封閉、相鄰空間的材質可選項不沖突。軟件無法建模或者模型的錯誤無法解決時，需恰當地根據經驗簡化模型。

2.設置材質。在材質庫中設置墻體、門、窗、天花板等構件的相關屬性與構造層等參數，選中模型中的構件，添加相關材質。

3.區域屬性設置。在區域管理器中設置室內設計條件（著衣量、濕度、風速）、人員數量與活動程度，以及HVAC中的系統類型和運行時間表。

4.載入氣象資料。在“區域／指標”工具條中點擊“氣候”，載入氣象資料，打開專用的中國氣象數據庫，其中包含中國386個城市的氣象資料，可選擇相關城市加以載入。

5.執行計算與分析。點擊“熱環境分析”執行計算，然后進入分析頁面，選擇“熱環境計算”選項欄中的14項分析結果進行查看，得出相關結論，輔助節能設計。

（四）最佳朝向分析

打開Ecotect中的選項欄工具，執行氣候分析工具Weather tool,在對話框中導入當地氣象資料，點擊太陽位置中的最佳朝向，選擇全年溫度過低與過熱的月份，通過計算，能夠獲得本地的相對最佳建筑朝向。通過調整建筑朝向設計，改善室內熱舒適度，降低建筑能耗。

(五)太陽輻射分析

通過設置分析網格，可以把網格設置在建筑物屋頂或者建筑物地面外圍，然后執行計算功能中的時均太陽輻射計算，計算某一天在周圍建筑遮擋情況下的建筑物太陽輻射量，以此加強對太陽能的利用，減少夏季建筑物周圍的熱量以降低建筑能耗。

圖2 Ecotect實現節能設計的步驟

四、 案例分析

該工程是一座兩層的室內游泳館，位于河北省省會石家莊市。該地區是典型的溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，多大風，日照充足。

（一）模型處理并導入

用Revit建立相應模型。為了準確地導入Ecotect進行能耗模擬分析，需要預先對模型進行簡化處理，然后保存為gbxml文件，再通過設置導入Ecotect中，導入后的3D模型如圖3所示。

圖3 游泳館BIM模型

（二）遮陽優化設計

石家莊地區夏季炎熱，日照充足，該游泳館白天使用自然采光，但夏季應盡量避免陽光的直接入射，以減少太陽輻射熱，防止室內游泳池過熱而產生眩光以及設備間因日照過多而產生機器過熱等問題，所以應當對泳池側窗與設備間的窗戶設置外遮陽裝置。

在外遮陽裝置中，水平遮陽形式能遮擋高度角較大的從窗戶上方射來的陽光，適用于朝南及其附近朝向的窗戶，垂直遮陽形式是在窗的兩側設置一定寬度的垂直方向的遮陽板，能夠遮擋從窗戶兩側斜射進來的陽光，適用于偏西朝向的窗戶。該游泳館泳池兩側窗戶為南北方向，南向側窗安裝水平百葉遮陽裝置較為合適。設備間要注意散熱，減少熱輻射，應當在西向窗戶安裝垂直遮陽板以減少太陽西曬產生的熱量。

利用Ecotect的建模功能給窗戶建立百葉。先在泳池南側某一窗戶上建立一個百葉，在百葉被選定的狀態下，通過菜單欄創建副本，連續按Ctrl+D,完成百葉復制，南向窗戶的水平百葉完成（圖4）。由于所有百葉都是聯動的副本，只要調整第一個百葉的角度與尺寸，其余的百葉也會隨之變化。雙擊第一個百葉，選擇百葉上距墻遠的兩個點作為調節點，按Z鍵，百葉會向上調整，按Shift+Z，百葉會向下調整，按Y鍵，百葉會向內收縮，按Shift+Y，百葉會向外拉伸。這兩種操作配合可以得到優化的百葉寬度與傾斜角度。然后，使用同樣的方法建立設備間窗戶的垂直遮陽板(圖4），調整遮陽板的出挑長度。

圖4 遮陽百葉設計

圖5 遮陽效果圖

載入石家莊市冬至日的氣象資料，進入投影設置，依據日運行軌跡，將時間設置為中午十二點整，觀察泳池南墻與設備間遮陽效果（圖5）。對遮陽效果的詳細模擬分析，需要配合室內采光模擬進行。從建立與調整水平百葉的過程中可以體會如何使用Ecotect進行直觀的遮陽板設計，用其取代繁瑣的建筑物理公式計算，從而發現設計的不足與需要改進之處，進行優化節能設計，減少熱輻射，降低游泳館空調負荷與建筑能耗。

（三）熱環境分析

1.設置材質。由于Revit與Ecotect之間存在著一定的數據傳輸壁壘，需先將Revit建立的rvt模型保存為gbxml格式的文件，然后導入Ecotect進行能耗分析。在傳輸的過程中，大量數據尤其是材質信息丟失嚴重，所以在進行熱環境分析時，需要在Ecotect中重新設置材質。

2.區域屬性設置。區域屬性主要包括區域中的系統類型、人數以及活動（運行）時間表等內容，主要通過區域管理器進行設置。根據游泳館運行的實際狀況，分別設置人員的著裝狀況（泳裝）、相對濕度（60%)、風速（0.5m/s）、照度（300Lux)、人員活動狀況(游泳)、人員的內部輻射狀況、時間表（14:00-22:00）。當區域屬性根據實際情況設置完成后，可以進入熱環境分析環節。

3.熱工分析。首先將中國熱環境分析專用氣象數據庫下載并添加至Ecotect中，導入石家莊市的氣象數據，進行逐時溫度分析，將日期設置為全年最熱的一天，然后計算并顯示游泳館24小時內溫度逐時變化情況。游泳館某些區域的溫度與外部溫度相差較大，這說明該區域圍護結構的保溫效果亟待改善。接著計算分析逐月能耗，經過分析可知該游泳館在冬季的能耗較大，遠大于其在夏季的能量耗損。因此，游泳館在6-8月份制冷，其余月份加熱，冬季要特別注重保溫隔熱，防止熱量損失。此外，還可以對游泳館的圍護結構得失熱進行分析。游泳館室外溫差較大造成夏季白天得熱嚴重，冬季夜晚失熱嚴重，因此，圍護結構應選用保溫性能良好且蓄熱性能良好的材料，以平衡晝夜熱損失。

五、結論

本文介紹了Ecotect的相關功能與實現節能設計的步驟，并利用工程實例進行驗證分析，充分證實Ecotect軟件在綠色建筑節能設計中的重要應用價值。然而，我國目前由于BIM技術規范和標準不完善、數據交換受限，Revit的rvt文件與Ecotect軟件之間存在著數據傳輸的巨大障礙，只能將rvt文件簡化成gbxml文件進行數據交換，造成了大量模型數據的丟失，從而影響后續的能耗分析與節能設計的精確度。因此，完善我國BIM技術規范與模型標準，加快BIM插件的研發，成為下一步工作的重點。