基于Ecotect软件的岭南地区绿色建筑优化设计——以增城某小型既有博物馆为例

黄晓丹

(广东工业大学 艺术与设计学院，广东 广州 510090)



基于Ecotect软件的岭南地区绿色建筑优化设计
——以增城某小型既有博物馆为例

黄晓丹

(广东工业大学 艺术与设计学院，广东 广州 510090)

既有建筑受当时设计方法和建筑技术的限制，其节能性无法达到现代建筑的要求，从而对环境造成较大的影响.本文试以增城一小型既有博物馆为例，运用绿色建筑分析软件Ecotect对建筑热环境和光环境进行优化模拟对比和分析.研究结果表明，采用自然通风、遮阳隔热等被动式设计后的建筑热环境和光环境较原始建筑有明显改善，这为岭南地区既有建筑的节能优化设计提供理论参考.

岭南地区； 绿色建筑； Ecotect软件； 优化设计； 既有建筑;

随着城市化进程的加快，我国建筑行业近20年的高速发展，建造了大量建筑和建筑群，形成了庞大的既有建筑.由于人们对环境保护与建筑节能的意识具有滞后性，这些既有建筑在设计和建筑过程中受历史条件、建筑技术等的限制，对建筑节能和环保标准要求不高，导致既有建筑对现代城市环境造成了一定的破坏.面对建筑发展需求与节能环保之间的矛盾，近年来专业人士进行了大量的相关研究.重庆大学鲁华章[1]从节能机制的角度分析了我国既有公共建筑的节能现状并提出节能长效机制的优化策略和建议；清华大学林波荣[2]通过不同气候区的既有公共建筑分析了改善环境性能和节约能耗的综合技术策略；天津大学高喜红等[3-4]从建筑用能特点出发，运用定量分析研究建筑节能性能对建筑能源消耗及室内环境的影响.除了理论研究，我国在政策上颁布了《民用建筑节能设计标准》、《公共建筑节能标准》、《绿色建筑评价标准》等绿色节能标准[5-6]；在实际建筑项目上采用低碳设计、被动式设计、主动式设计等绿色技术手段，对既有建筑进行改造和优化，进一步实现建筑与环境的和谐共存.

本文以增城某小型既有博物馆为例，运用绿色建筑分析软件Ecotect作为研究工具，以区域气候条件为出发点，通过对博物馆的热环境和光环境进行分析模拟，用定量分析方法进行优化设计，从中总结出适用于岭南地区既有建筑的优化策略与技术，为今后的绿色建筑改造优化提供参考.

1 绿色建筑与优化技术

1.1 绿色建筑

绿色建筑是指为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间，同时在建筑全生命周期(物料生产、建筑规划、设计、施工、运营维护及拆除、回用)过程中实现高效率地利用资源(能源、土地、水、材料)、最低限度地影响环境的建筑物[7].

一座建筑是否达到绿色建筑往往可以用定量的方法进行分析，通常可以采用热环境分析、光环境分析和能耗分析等方法.这些分析方法在国内外已有许多成熟的软件得以应用，其中，Ecotect软件是一款功能全面的可持续设计及分析的工具，包含应用广泛的模拟和分析功能[8].使用者可以利用强大的三维表现功能进行模拟，分析日照、阴影和采光等因素对环境的影响，从而对于建筑节能策略的选择和评估有直接清楚的认识.

1.2 优化技术

既有的建筑节能优化主要着重于3方面的技术措施[9]：一是围护结构优化技术，二是设备系统优化技术，三是运营管理改善技术.在建筑设计方面，主要采用围护结构优化技术，其中包括墙体保温隔热技术、门窗节能技术、建筑遮阳技术等.通过这些优化技术，达到合理的通风和日照、良好的围护结构热工性能、良好的室内热舒适环境、声环境和空气质量，从而达到绿色建筑的要求.

2 小型既有博物馆案例分析

2.1 地理环境与气候特点

博物馆位于岭南地区的增城，增城是广州市辖区，南与东莞隔江相望，东临惠州，北界从化，西连广州经济技术开发区和中新知识城，自古以来是广州至粤东各地的主要通道.增城属南亚热带海洋性季风气候，特点是气温高、雨量充沛、光照充足，全年都可栽培作物.但因季风交替迟早及强弱不同，气候多变.

本文采用焓湿图方法，对增城夏季和冬季的气候环境进行分析.焓湿图是用来确定包括温度、含湿量、大气压力和水蒸汽分压力与热环境的关系.在气候设计过程中可以比较直观地分析建筑室内外气候的冷、热、干、湿情况，以及距离舒适区的偏离程度[10-11].它的横坐标是干球温度，纵坐标是绝对湿度.虚曲线代表了相对湿度，虚斜线代表了湿球温度，粗线框区域表示人体感觉舒适的区域.从焓湿图中准确地读出一个地区的气象信息，从而对该地区气候有一个总体认识.

图1为增城夏季的焓湿图.高亮的采样点代表了某时段空气状态的集中分布区域，从图中可以看出，增城地区夏季主要为高温、高湿的天气，而无采样点落入粗线框区域内部，这表明增城地区夏季的热舒适度较差.

图2为增城冬季的焓湿图.从图中可知，增城地区冬季的气温偏低，并且相对湿度较大.有一小部分的采样点落入了粗线框区域，但大部分的采样点仍在区域外，说明增城地区冬季的舒适性整体情况较夏季要好，但仍不理想.

图1 增城地区夏季焓湿图

图2 增城地区冬季焓湿图

2.2 既有博物馆建筑现状

博物馆建筑为两层框架结构，建筑面积660 m2，用地面积超过1 300 m2(如图3所示).建筑功能以陈列、展出、宣传、服务等为主.建筑首层包括展览馆、休闲茶座以及办公区域，建筑二层包括展览馆、露台和阳台.

本文利用Ecotect软件对既有博物馆建筑进行热环境及光环境的模拟分析，热环境选取能耗分析及逐月热不舒适度分析，光环境选取临界照度分析.

(1) 能耗分析.

通过Ecotect软件建立博物馆建筑模型，按功能类别划分好区域，如一层展厅区域、二层展厅、办公区域、茶室区域等，并填充以不同的颜色作为区别，然后进行逐月能耗的分析，结果见图4.柱状图中显示的是不同月份各个区域的能耗量占总能耗的比例.从图中可以看出，能耗最大的主要集中在夏季，且二楼展厅区域(棕色部分)的能耗量每个月都在总能耗中占据最大的比例，说明建筑整体的能耗损失主要来源于展厅区域.应尽量减少夏季展厅区域的能耗，以便有效提高建筑整体的节能水平.

图3 博物馆效果图

图4 逐月能耗分析

(2) 逐月热不舒适度分析.

图5所示为自然通风且建筑室内有人员的情况下的逐月热不舒适度.横坐标是月份，纵坐标是热不舒适度，纵坐标为0时代表热中性状态(不冷也不热)，纵坐标为正数代表热感觉增加，负数为冷感觉增加.从图中可以看出，5～10月(红色柱状)的室内不舒适度程度较高，表现为过热，其中在7月份最热.同时，图5数据得出夏季的热不舒适总程度比其他季节的热不舒适度总程度要高，说明在改善热舒适度方面，需要着重加强夏季的改善措施.

(3) 临界照度分析.

图6～7显示的是建筑一层及二层展厅区域的采光情况.在《建筑采光设计标准》中规定，展厅功能的建筑采光照度标准值为300 lx，侧窗和顶窗采光的采光系数平均值为1.14%～2.02%[12].《绿色建筑评价标准》[13]中则规定，80%以上的主要功能空间室内采光系数要满足现行国家标准《建筑采光设计标准》的要求，即主要功能空间的室内采光系数要有80%在1.14%以上才符合采光标准.从图中可以看出，一层展厅的平均照度为436.61 lx，二层展厅的平均照度为540.31 lx，两层展厅的平均照度均超过展厅功能的建筑采光照度标准值，说明展厅部分的照度过大；同时，通过对建筑主要功能的采光系数计算，得到满足室内采光系数在1.14%以上的主要空间有97%，超过80%的标准，因此满足《建筑采光设计标准》.通过建筑采光照度及采光系数的分析，可以看出建筑室内总体采光良好，但展厅部分照度较大，可运用设计手段进行调节.

图5 逐月热不舒适度分析

图6 首层展厅采光分析

图7 二层展厅采光分析

2.3 存在问题与原因

通过对增城气候环境分析与既有博物馆建筑的热环境和光环境分析，可知现存的主要问题为:

(1) 增城地区夏季高温高湿，人体舒适性较差；冬季温度下降，但湿度仍然很大，人体舒适性仍不理想.

(2) 既有博物馆建筑的室内不舒适性夏季最高，且能耗严重，主要集中在展厅区域.

(3) 既有博物馆建筑室内采光满足标准要求，但照度过大.

造成以上现象的原因可结合博物馆建筑的设计来看，主要有几点：(1) 展厅空间较大，隔断少，造成空调需求量大；(2) 侧界面开窗面积过大且遮阳设计不到位，导致夏季热量容易进入室内，同时采光过强；(3) 顶界面无法实现自然通风，导致空气无法流通.

3 优化设计分析

3.1 优化策略

在研究的方法上，利用Ecotect中的气象分析模块比较不同的建筑生态设计措施对提高热舒适性的贡献率.如图8所示，设计措施包括：(a) 墙体蓄热、(b) 墙体蓄热+夜间通风、(c) 被动式太阳能、(d) 自然通风、(e) 直接蒸发、(f) 间接蒸发.黄色柱状图代表未采用措施的舒适度百分比，红色柱状图代表采用了措施后的舒适度百分比.

从图中可以看出，在增城地区采用自然通风技术对提高热舒适度的贡献最大，几乎全年的热舒适度均有所提高；其次是采用墙体蓄热+夜间通风，主要体现在冬季的舒适度改变上；太阳能技术以及直接间接蒸发降温的措施也有一定贡献，但增幅不大.综上所述，此建筑的优化策略应以自然通风技术为主，结合保温隔热技术和遮阳设计，使建筑在整体上达到节能、环保和低碳的效果.

3.2 优化方案比较

本文根据既有博物馆的存在问题及优化策略的分析，对既有博物馆建筑进行优化设计，主要从建筑的侧界面和顶界面出发，通过增加遮阳构件，优化屋顶设计，改变开窗方式、开窗面积等手段，改善室内热环境和光环境(如图9所示).

顶界面：优化方案在二层展厅部分的屋顶开设了条形长窗，并在窗口上增加一层屋顶，一方面可以利用热压通风将室内热气流排出室外，另一方面可以阻隔太阳直射；同时，在二层露台处增设坡屋顶，以防止太阳辐射引起的室内过热.

图8 优化策略的逐月效果

图9 优化建筑效果图

侧界面：优化方案对既有博物馆建筑原有的展厅南北向、办公区西向的遮阳构件进行了优化设计，改为密度更小的当地材料——竹条，每根竹条都经过角度的旋转以更好地应对太阳辐射.同时，遮阳构件向窗外方向移动0.5 m，形成双层立面和空气间层，可以更好地阻隔太阳辐射和实现自然通风.

本文运用Ecotect软件对优化方案的热环境和光环境进行模拟与分析，进而与既有博物馆的相关参数进行对比，得出优化结果.

(1) 能耗对比.

由图10可以看出，优化方案的全年平均能耗量比既有建筑的能耗量明显下降.同时，从图11的逐月能耗对比来看，能耗减少主要集中在夏季和冬季.事实证明，优化措施很好地改善了室内能耗的问题.

图10 既有建筑与优化建筑平均能耗对比

图11 既有建筑与优化建筑逐月能耗对比

(2) 热不舒适度对比.

图12显示的是既有建筑全年热不舒适度总和与优化建筑全年热不舒适度总和的对比，从图中可以看出，经过优化的建筑室内热不舒适度总和比原有建筑有所下降，证明室内热舒适度有所提高.

(3) 照度对比.

图13为既有建筑与优化建筑的展厅区域采光照度平均值对比.从结果可以看出，优化建筑的展厅区自然采光照度平均值比既有建筑的自然采光照度平均值要小，说明了采光质量的提高.但对于展厅功能的自然采光照度平均值300 lx的标准来说，优化方案虽然接近标准值但仍未达到要求.

图12 既有建筑与优化建筑热不舒适度对比

图13 既有建筑与优化建筑展厅照度平均值对比

4 结语

本文运用绿色建筑分析软件Ecotect对增城一小型既有博物馆建筑进行分析与优化设计，通过自然通风、遮阳隔热等被动式设计技术，使其优化结果较原始方案有明显改善，达到了合理的通风和日照、良好的围护结构热工性能、良好的室内热舒适环境、声环境和空气质量，从而达到绿色建筑的要求，为该建筑的优化改造方案提供参考.

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A Study of Green Building Optimum Design in Lingnan Region Based on Ecotect Software——with a Small Existing Museum in Zengcheng for an Example

Huang Xiao-dan

(School of Art & Design，Guangdong University of Technology， Guangzhou 510090，China)

To certain extent, existing buildings are limited by design and technology. Their poor energy efficiencies cannot reach current standards and cause irreversible influences on the environment. Using Ecotect, the efficiency of a small museum in Zengcheng City is simulated and analyzed. The result demonstratesthat after using natural ventilation and heat insulation designs, the architectural environment including lighting is much improved, which may provide a theoretical basis for architectural enhancement in the Lingnan region.

Lingnan region； green building； Ecotect software； optimum design； existing building

2016- 04- 04

国家自然科学基金资助项目(51378210)

黄晓丹(1989-)，女，助教，硕士，主要研究方向为绿色建筑、大跨度公共建筑等.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.06.017

TU242.5

A

1007-7162(2016)05- 0096- 06