基于Ecotect 的绿色建筑节能设计应用研究

文/崔征 郭子鸣 张继鹏

一、引言

建设资源节约型社会，是我国为实现可持续发展目标而作出的战略抉择。节约资源是创建资源节约型社会的重要组成部分。自20世纪70年代的能源危机以来，各国专家对各用能领域的节能潜力进行研究，结果表明，建筑用能是节能潜力最大的用能领域，应将其作为节能工作的重点。我国要切实推动城乡建设走上绿色、循环、低碳的科学发展轨道，推动绿色建筑各项标准与技术措施的落地实施，使各类型建筑达到“近零能耗”的理想状态。目前，我国在建筑节能技术方面已经取得了一定的成果，但在建筑设计中的节能应用领域却存在两大问题：一是传统的节能设计工作量大，计算复杂，准确性较差，效率低下，难以大规模应用。二是传统的建筑能耗模拟具有滞后性，往往在施工图阶段才进行能耗分析，忽略了方案设计阶段节能设计的重要性，对于建筑朝向、选址不同造成的能耗差异评估度有限，到施工图阶段发现设计短板，此时再对方案设计作出调整就较为困难了。因此，学界把绿色建筑的研究方向转向了绿色BIM，其中Ecotect软件可有效辅助建筑节能设计，在最初的方案设计阶段对建筑性能的各个方面进行绿色度分析与改进，并给出快速准确的反馈与对比，能有效补齐传统绿色建筑节能设计中的短板，为绿色建筑的发展提供技术支持。

二、Ecotect软件概述

（一）Ecotect的优越性

相关学者对 Energy Plus、Trace600、Sun-Break、Ecotect等建筑能耗模拟软件的可视性、图像化、操作性、准确度等性能进行量化对比分析，发现Ecotect各个方面均为最优。在误差值方面，Ecotect模拟公共建筑耗电量的误差仅为4.12%-5.68%，在诸多软件中处于领先地位。因此，可以认为 Ecotect是一款非常优秀的建筑性能分析模拟软件，在建筑节能设计中具有巨大的应用价值。

（二）Ecotect主要功能应用

Ecotect软件性能较为全面，即时性和操作性极佳。同为Autodesk公司研发的设计软件，Revit建模软件能与Ecotect进行一定程度的数据传输与对接，Revit软件建模完成后，能将模型导入Ecotect软件中进行能耗模拟分析，只需调试相关的气象资料、材质结构等参数，即可对建筑方案的光环境、声环境、热环境、可视度等进行模拟分析，得到反馈信息后对方案的绿色度进行优化（图1）。

1.热工性能分析。热工性能分析结果包括逐时温度曲线、逐时得热/热损失、逐月能耗/不舒适度、温度分布、围护结构得热、间接太阳得热、直接太阳得热、通风得热、内部得热、区域间得热、被动式组分得热、温度/得热比较、逐月度日数等。

2.日照分析。日照分析功能包含日照阴影分析、太阳轨迹图分析以及基于此的遮挡分析与遮阳的优化设计等多方面的内容。其中最具价值的应用是通过日照分析进行百叶窗的优化设计，在被动式建筑的采光设计中，这种应用被经常使用。

3.声学设计。Ecotect使用统计声学计算混响时间，并利用几何声学避免出现声学瑕疵，以便得到最佳的声学效果。

4.可视化分析。分析结果包括规划可视度与室内可视度分析。

图1 Ecotect主要功能板块

三、 基于ECOTECT的建筑节能设计实现步骤

（一）Revit模型导入Ecotect的方法

1.模型的处理。

（1）将搭建好的Revit模型导入Ecotect。在导入Ecotect前，需要在Revit中删除模型内的各种多余构件，包括各种装饰构件，楼梯、扶手等其他与建筑节能采光、日照、声学计算无关的构件，留下屋顶、内墙、外墙、楼板等围护结构，以及窗、门、洞口等。

（2）需要用到Revit的体积功能。在设置体积时，要检查每个功能区域是否均有体积充满整个区域。较为便捷的方法是在右下角框选所有文件，检查房间区域是否包含所有空间，没有白色区域，即为充满。在设置体积时，尽可能将体积高度设为实际高度的2-3倍，以避免出现体积没有充满的情况。

（3）单击Revit左上角图标，导出gbxml文件。gbxml格式的文件主要可以用来分析建筑的热环境、光环境、声环境、太阳辐射等，设置好后应保存至指定文件夹。需要注意的是，Revit软件构建的建筑信息模型默认是rvt格式的，rvt格式的文件与Ecotect软件存在传输壁垒，所以只有将rvt文件转存为gbxml文件，才能实现二者间的数据传输，但此时模型将丢失大量数据，后续需要在Ecotect软件中进行完善。

2.模型的导入。在Ecotect软件界面上选择“文件-导入-模型/分析资料”。在弹出的对话框中将文件类型选为“xml ( *.xml) ”，单击“选择文件”选项，选择要导入的xml文件。Revit划分的不同的房间区域可以在导出的xml文件中被识别。选择所有的区域，将其根据区域的名字命名，相关模型被正确导入，每个房间都处于一个区域之中,模型导入便完成了。

（二）日照与采光分析

1.遮阳优化设计。根据地区的气候特征选择合适的遮阳形式，对模型的窗户建立相应的遮阳模型，通过调节遮阳设施的尺寸与角度等调节遮阳效果。可以与室内采光设计相结合，通过采光系数计算并判断遮阳效果，从而选择最优遮阳设计。

2.室内天然采光设计。开启分析网格，在分析网格面板中点击“网格管理”按钮打开分析网格管理器对话框，确认单元数量中的X、Y、Z数值，单元数量个数越多，分析越精确。

选择采光系数与照度计算，把天空照明模型选为CIE全阴天，然后根据建筑所处的光气候区填入天空照度。计算完毕后，程序会按数值大小以不同的颜色将采光系数等计算结果显示在分析网格之上，可将采光系数与绿色建筑评价标准相关规定进行对比，以优化天然采光设计。

（三）热环境分析

1.模型处理。模型要符合要求，必须确保空间封闭、相邻空间的材质可选项不冲突。软件无法建模或者模型的错误无法解决时，需恰当地根据经验简化模型。

2.设置材质。在材质库中设置墙体、门、窗、天花板等构件的相关属性与构造层等参数，选中模型中的构件，添加相关材质。

3.区域属性设置。在区域管理器中设置室内设计条件（着衣量、湿度、风速）、人员数量与活动程度，以及HVAC中的系统类型和运行时间表。

4.载入气象资料。在“区域／指标”工具条中点击“气候”，载入气象资料，打开专用的中国气象数据库，其中包含中国386个城市的气象资料，可选择相关城市加以载入。

5.执行计算与分析。点击“热环境分析”执行计算，然后进入分析页面，选择“热环境计算”选项栏中的14项分析结果进行查看，得出相关结论，辅助节能设计。

（四）最佳朝向分析

打开Ecotect中的选项栏工具，执行气候分析工具Weather tool,在对话框中导入当地气象资料，点击太阳位置中的最佳朝向，选择全年温度过低与过热的月份，通过计算，能够获得本地的相对最佳建筑朝向。通过调整建筑朝向设计，改善室内热舒适度，降低建筑能耗。

(五)太阳辐射分析

通过设置分析网格，可以把网格设置在建筑物屋顶或者建筑物地面外围，然后执行计算功能中的时均太阳辐射计算，计算某一天在周围建筑遮挡情况下的建筑物太阳辐射量，以此加强对太阳能的利用，减少夏季建筑物周围的热量以降低建筑能耗。

图2 Ecotect实现节能设计的步骤

四、 案例分析

该工程是一座两层的室内游泳馆，位于河北省省会石家庄市。该地区是典型的温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热湿润，多大风，日照充足。

（一）模型处理并导入

用Revit建立相应模型。为了准确地导入Ecotect进行能耗模拟分析，需要预先对模型进行简化处理，然后保存为gbxml文件，再通过设置导入Ecotect中，导入后的3D模型如图3所示。

图3 游泳馆BIM模型

（二）遮阳优化设计

石家庄地区夏季炎热，日照充足，该游泳馆白天使用自然采光，但夏季应尽量避免阳光的直接入射，以减少太阳辐射热，防止室内游泳池过热而产生眩光以及设备间因日照过多而产生机器过热等问题，所以应当对泳池侧窗与设备间的窗户设置外遮阳装置。

在外遮阳装置中，水平遮阳形式能遮挡高度角较大的从窗户上方射来的阳光，适用于朝南及其附近朝向的窗户，垂直遮阳形式是在窗的两侧设置一定宽度的垂直方向的遮阳板，能够遮挡从窗户两侧斜射进来的阳光，适用于偏西朝向的窗户。该游泳馆泳池两侧窗户为南北方向，南向侧窗安装水平百叶遮阳装置较为合适。设备间要注意散热，减少热辐射，应当在西向窗户安装垂直遮阳板以减少太阳西晒产生的热量。

利用Ecotect的建模功能给窗户建立百叶。先在泳池南侧某一窗户上建立一个百叶，在百叶被选定的状态下，通过菜单栏创建副本，连续按Ctrl+D,完成百叶复制，南向窗户的水平百叶完成（图4）。由于所有百叶都是联动的副本，只要调整第一个百叶的角度与尺寸，其余的百叶也会随之变化。双击第一个百叶，选择百叶上距墙远的两个点作为调节点，按Z键，百叶会向上调整，按Shift+Z，百叶会向下调整，按Y键，百叶会向内收缩，按Shift+Y，百叶会向外拉伸。这两种操作配合可以得到优化的百叶宽度与倾斜角度。然后，使用同样的方法建立设备间窗户的垂直遮阳板(图4），调整遮阳板的出挑长度。

图4 遮阳百叶设计

图5 遮阳效果图

载入石家庄市冬至日的气象资料，进入投影设置，依据日运行轨迹，将时间设置为中午十二点整，观察泳池南墙与设备间遮阳效果（图5）。对遮阳效果的详细模拟分析，需要配合室内采光模拟进行。从建立与调整水平百叶的过程中可以体会如何使用Ecotect进行直观的遮阳板设计，用其取代繁琐的建筑物理公式计算，从而发现设计的不足与需要改进之处，进行优化节能设计，减少热辐射，降低游泳馆空调负荷与建筑能耗。

（三）热环境分析

1.设置材质。由于Revit与Ecotect之间存在着一定的数据传输壁垒，需先将Revit建立的rvt模型保存为gbxml格式的文件，然后导入Ecotect进行能耗分析。在传输的过程中，大量数据尤其是材质信息丢失严重，所以在进行热环境分析时，需要在Ecotect中重新设置材质。

2.区域属性设置。区域属性主要包括区域中的系统类型、人数以及活动（运行）时间表等内容，主要通过区域管理器进行设置。根据游泳馆运行的实际状况，分别设置人员的着装状况（泳装）、相对湿度（60%)、风速（0.5m/s）、照度（300Lux)、人员活动状况(游泳)、人员的内部辐射状况、时间表（14:00-22:00）。当区域属性根据实际情况设置完成后，可以进入热环境分析环节。

3.热工分析。首先将中国热环境分析专用气象数据库下载并添加至Ecotect中，导入石家庄市的气象数据，进行逐时温度分析，将日期设置为全年最热的一天，然后计算并显示游泳馆24小时内温度逐时变化情况。游泳馆某些区域的温度与外部温度相差较大，这说明该区域围护结构的保温效果亟待改善。接着计算分析逐月能耗，经过分析可知该游泳馆在冬季的能耗较大，远大于其在夏季的能量耗损。因此，游泳馆在6-8月份制冷，其余月份加热，冬季要特别注重保温隔热，防止热量损失。此外，还可以对游泳馆的围护结构得失热进行分析。游泳馆室外温差较大造成夏季白天得热严重，冬季夜晚失热严重，因此，围护结构应选用保温性能良好且蓄热性能良好的材料，以平衡昼夜热损失。

五、结论

本文介绍了Ecotect的相关功能与实现节能设计的步骤，并利用工程实例进行验证分析，充分证实Ecotect软件在绿色建筑节能设计中的重要应用价值。然而，我国目前由于BIM技术规范和标准不完善、数据交换受限，Revit的rvt文件与Ecotect软件之间存在着数据传输的巨大障碍，只能将rvt文件简化成gbxml文件进行数据交换，造成了大量模型数据的丢失，从而影响后续的能耗分析与节能设计的精确度。因此，完善我国BIM技术规范与模型标准，加快BIM插件的研发，成为下一步工作的重点。