第四章 热环境分析

可持续性设计

AutodeskEcotectAnalysis培训教程罗智星热环境分析

建筑室内热环境的舒适要求是人对建筑环境最基本的需求之一。不论任何建筑，在任何时间，其室内空间的温度、湿度、气流速度和平均辐射温度都应该限定在一定范围内，这在严寒的冬季和酷热的夏季显得尤为重要。从某种意义上来说，建筑热环境分析就是求解室内外各种扰动作用下的室内热环境参数，其中外扰动主要是指室外的各种气候影响因素，包括了室外气温、湿度、太阳辐射强度等内容，外扰主要作用于建筑的围护结构之上，并通过各种不同的传热方式影响室内热环境；内扰主要是指室内的设备、人员等影响因素，可以直接影响室内热环境。在使用EcotectAnalysis进行热工分析方面有一下几个方面会对模拟结果产生重大的影响，因此需要十分注意，这些也是本章重点讲解的内容：1、模型——在进行热工分析时，EcotectAnalysis对模型的要求比采光等分析要高的多，必须确定空间封闭、相邻空间的材质可选项不冲突、物体间的继承关系正确、热量区域开关是否正确。在模拟分析形体复杂的建筑，软件无法建模或者模型的错误解决不了时要恰当的简化模型，根据经验简化。2、材质的设置——EcotectAnalysis的热环境分析采用了准入法，这种方法和国内热工规范采用的谐波反应法不同，因此相关的物理参数计算成为了难点。同时EcotectAnalysis只能自动计算部分物理参数，比如延迟时间必须手工计算；而且在构造中有空气层时自动计算的物理参数不正确。这些问题的必须采用其他方法人工解决。3、热环境设置——室内热环境设计条件、系统设置等方面关系到建筑“内扰”的情况，同样会对EcotectAnalysis的热环境模拟结果产生巨大的影响。4、气象数据——气象数据关系到热环境模拟的“外扰”的情况。一般情况下会选择使用由科学家制作完成的典型气象数据，但很多情况下也可以根据设计需要由建筑师定制气象数据。1、设置材质在Ecotect的热环境模拟分析中，非透明围护结构的材质主要设置U-Value(U值)、Admittance(准入系数)、SolarAbsorption(太阳吸收系数)、ThermalDecrement(衰减系数)和ThermalLag(延迟时间)五个参数。而对于透明结构的材质主要设置U-Value(U值)、Admittance(准入系数)、SolarHeatGainCoefficient(太阳得热系数\日射透过率)、RefractiveIndexofGlass(折射率)等四个参数。传热系数（U-Value）——是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，℃），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位为W/m2·K。准入系数（Admittance）——环境温度每波动一度，围护结构内表面与环境温度节点之间的热流率。它的单位与Ｕ值相同，其数值主要由围护结构内层的热物理属性决定。对于较薄的结构，它的数值接近Ｕ值，而对于厚度超过200mm的结构，准入系数的数值接近于一个常数。1、设置材质太阳吸收系数(SolarAbsorption)又叫做太阳辐射吸收系数，是指围护结构外表面吸收的太阳辐射照度与其投射到的太阳辐射照度之比值。衰减系数（DecrementFactor）——周期热作用下室外温度每波动一度通过围护结构的热流率与稳态下的热流率（或U值）的比值。衰减系数描述了围护结构消减外部周期性热流的程度。围护结构的热质量越大，衰减系数越小。日射透过率(SolarHeatGainCoefficient)——是指透过玻璃的太阳辐射能与同时同地室外太阳辐射能的比值。我们常见的与之相似的物理量是遮阳系数(ShadingCoefficient)，是指太阳辐射总透射比与3mm厚普通无色透明平板玻璃的太阳辐射的比值。这两个物理量之间的关系为SHGC=0.88×SC。不同玻璃的SHGC值可以查附表6。1、设置材质点击主工具栏上的

按钮，开启ElementsinCurrentModel(材质管理器)对话框。点击Model(模型)选项卡Walls前的

，展开墙构件的材质，选择BrickPlaster，在Properties(属性)选项卡下材质名称栏中输入“Exterior”，在说明栏中输入“砖墙抹灰:370毫米砖墙两侧抹灰各10毫米，75毫米EPS外保温”。点击AddNewElement(添加新材质)。点击Layers(构造层)按钮，进入构造层选项卡。在该层的左上角是可以选择的材料，其中包含了各材料的密度、比热容、导热系数等内容。但是这些材料都是英文命名，我们很难准确找到需要的材料。因此，在编辑构造层时，建议大家从本书“附录2：常用建筑材料的热工指标”中查找需要的材料，填入构造层设置栏中。1、设置材质点击LayerName(构造层名称)下的“1.PlasterBuilding”，之间输入材料名称，并在Width(厚度)、Density(密度)、Sp.Heat(比热)与Conduct(导热系数)下填入相应的数值，在Type(类型)下选择代表材料的填充样式。如图填入外墙构造中的各材质及相关参数。1、设置材质打开EcotectAnalysis构造物理属性计算软件ecomat；在EcotectAnalysis材质管理器—构造层选项卡—构造层列表中，击右键选择CopyAllLayers(复制所有层)。点击EcotectAnalysis构造层选项卡中的

按钮。再在ecomat中点击键盘Ctrl+V键，将EcotectAnalysis中的构造成粘贴进去，点击calculate，将四个物理量的计算结果复制到EcotectAnalysis材质管理器—属性选项卡中的相应位置。点击应用修改(ApplyChanges)按钮，完成外墙材质的设置。1、设置材质在模型选项卡下选择“Exterior”，点击添加到全局库(AddtoGlobalLibrary)，完成模型材质的保存。在库选项卡下点击

按钮，在下拉菜单中选择SaveLibrary命令，保存库。如果要调取已保存的库，则需在库选项卡下点击

按钮，在下拉菜单中选择SelectLibrary命令，导入库文件。如果要将库材质载入到模型材质，则要先在库选项卡中选择需要的材质，点击添加到模型(AddtoModel)命令。1、设置材质与外墙材质设置步骤相同，分别按照图1与图2设置内墙与屋顶，分别命名为“Interior”与“Roof”。选中南墙与西墙，单击屏幕右侧

按钮，进入MaterialAssignments(材质指定面板)，选择Exterior材质；选中东墙与北墙，选择interior材质；选中窗户，选择SingleGlazed_TimberFrame材质；选中屋顶，材质指定面板显示的Ceiling(天花板)，点击下拉菜单，选择ROOF(屋顶)，选择材质Roof；地面、门可以使用默认材质。2.区域属性设置区域属性主要包括了区域中的系统类型、人数、设备发热量以及活动（运行）时间表等内容，主要设置都在区域管理器中。区域属性的设定可以根据实际情况自由设定，也可以根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005(以下简称“标准”)设定相关内容，此部分内容可以在“标准”的附录B中找到。在主工具栏中点击

按钮，打开区域管理对话框。先选择要设置的区域：在对话框左侧点击“SW”区域，被选择的区域为蓝色。在GeneralSetting(一般设置)选项栏中依次设置INTERNALDESIGNCONDITIONS(室内设计条件)、OCCUPANCYANDOPERATION(人员与运行)：2.1室内设计条件的设置室内设计条件包括了Clothing(衣着量)、Humidity(相对湿度)、AirSpeed(风速)与LightingLevel(室内照度)。一般情况下可以用默认的设置，如果针对这方面参数进行对比研究可以按照需要修改参数。前三个量是在计算室内舒适度时需要用到的物理参数。室内照度是做高级采光分析时用到的物理参数。2.2人员与运行的设置人员与运行包括了Occupancy(人员情况)、InternalGains(室内得热情况)、InfiltrationRate(渗透率)的设置，此处的设置将影响建筑的能耗、不舒适度、内部得热能分析的结果。按照“标准”中规定，普通办公室人均占有使用面积4m2，具体设置如下：在Occupancy(人员情况)栏的设定人数的选项中点击

，在下拉菜单中选择“C”，弹出对话框，点击“Yes”按钮，软件开始计算模型的体积。体积计算完成后，在弹出的对话框中输入4，点击“OK”按钮。此时设定人数的选项自动变成5，表示设定了该区域有5个人。“Sedentaty-70W(静坐-70W)”的下拉菜单是根据人体的活动量设置人体的散热量，一般在办公室中人体的散热量基本设成70W。2.2人员与运行的设置“NoSchedule(无时间表)”的下拉菜单是设置人员情况的时间表，此时还不存在时间表。点击

按钮，设置时间表。根据“标准”的附录B表B.0.6-2房间人员逐时在室率来设定时间表。在SchedualEditor(时间表编辑)对话框中，“ScheduleName(时间表名称)”选项中填入“Occupancy”，点击

按钮，添加到时间表列表中。点击色块中的“StandardWeekday(标准工作日)”设置工作日的人员在室率，按如左图所示设置，既可以拖动曲线节点设定百分率，也可在“Value(数值)”选项中填入百分率。日期列表的颜色对应着色块的内容，即默认情况下365天全部都是StandardWeekday。2.3室内得热情况的设置室内得热情况主要是设置由于灯具与小型电器产热而带给建筑的SensibleGain(显热得热)和LatentGain(潜热得热)。显热得热和潜热得热的计算：根据对中外科学文献的研究，显热得热和潜热得热的总数可以按室内灯具与小型电器铭牌功率的33%计算。一般情况下可以按照“标准”附录B给出的照明功率密度值与电器设备功率密度值的和确定室内灯具与小设备的功率值，对于与普通办公室照明功率密度值是11W/m2，电器设备功率密度值是20W/m2，其总和就是31W/m2，因此显热得热和潜热得热的总数约等于10W/m2。而显热得热与潜热得热的比例根据计算温度与湿度不同也有很大差别，一般情况下可以设定比例为70%与30%，因此，在“SensibleGain(显热得热)”与“LatentGain(潜热得热)”下分别填入7与3。在计算其他类型的建筑时，读者可以按照以上算法，根据“标准”中提供的照明功率密度值与电器设备功率密度值确定显热得热和潜热得热的值。2.3室内得热情况的设置室内得热的时间表，可以根据“标准”附录B表B.0.7-2电器设备逐时使用率来设定，命名为“InternalGains”，如图。2.4渗透率的设置渗透率的设置主要包括了AirChangeRate(换气率)与WindSensitivity(环境附加换气率)与时间表。分别点击两栏的

按钮，可以选择预设的数值。在本项目中，可以按照默认值设置。【提示】如果不设置时间表(NoSchedule)，软件默认365天每天每时都100%计算相应的设置值。2.5热环境属性的设置在ThermalProperties(热环境属性)选项卡里主要包括了HEATING,VENTILATION&AIRCONDITIONING(暖通空调)、UKPARTL-SBEMPROFILE（此项内容本书不涉及）、HOURSOFOPERATION(运行时间)等三项：在Typeofsystem(系统类型)下拉菜单中包括了None(无系统)、NaturalVentilation(自然通风)、Mixed-ModeSystem(混合模式系统)、FullAirConditioning(全空调系统)、HeatingOnly(仅采暖)、CoolingOnly(仅制冷)等六个选项。ComfortBand(舒适温度区间)是设定舒适温度的上限与下限。HOURSOFOPERATION(运行时间)可以按照“标准”附录B中的表B.0.3设置。在本节里暖通空调项的系统类型(Typeofsystem)设置分成无(None)与全空调系统(FullAirConditioning)两种情况。2.5热环境属性的设置3.能耗模拟分析狭义的说建筑能耗是指维持建筑功能和建筑物在运行过程中所消耗的能量，包括了照明、采暖、空调、电梯、热水供应、烹调、家用电器以及办公设备等的能耗。而在公共建筑中，占最大比例的能耗就是采暖与空调的能耗。因此模拟分析采暖空调的能耗即是评价建筑节能设计质量的指标，也可以为暖通空调专业的设计提供参考依据。EcotectAnalysis可以模拟分析建筑整体与各个区域的逐月采暖空调的能耗与全年采暖/制冷的最大负荷。这些数据通过柱状图与数据列表的形式呈现。请注意软件中的MaxHeating/CoolingLoad(最大负荷)是功率的范畴，单位是W；MONTHLYHEATING/COOLINGLOADS(逐月采暖空调能耗)是能量的范畴，单位是Wh。3.1操作打开“Office_A.eco”文件，点击页面选择器中的ANALYSIS(分析页面)，进入分析视图，选择进入ThermalAnalysis(热环境分析)选项卡。在ThermalCalculation(热环境计算)下拉菜单中选择MonthlyLoads/Discomfort(逐月能耗)，钩选Inter-ZonalGains(区域间得热)与SolarRadiation(太阳辐射)，其余部分可以默认设置，如左图。点击

开始计算。在弹出的对话框中点击

按钮，进行相邻区域计算的设置。点击SkipWizard(忽略向导)按钮，如右图设置对话框的选项，点击OK。3.2结果分析与解读EcotectAnalysis的逐月能耗分析非常直观，柱状图中的颜色与区域的颜色相对应，这样就可以很直观的看出每个区域的能耗情况与在整个建筑中所占得比例，也可以看出逐月能耗的对比。4.逐时得热/失热分析逐时得热/失热的分析包含了与建筑能耗相关得热和失热的逐时数据，通过模拟分析这些数据，可以研究围护结构的保温隔热性能，同被动组分得热分析结合起来分，更可以从宏观与微观两个方面来了解建筑的相关热工性能。在逐时得热分析图中，包含了逐时的HVAVLoad(采暖空调负荷)、Conduction(围护结构导热的得失热)、Sol-Air(综合温度产生的热量)、DirectSolar(太阳直射辐射得热)、Ventilation(冷风渗透得失热)、Internal(内部人员与设备得热)、Inter-Zonal(区域间得失热)等7项内容。在数据列表中，Conduction与Sol-Air合并成为了围护结构得失热(FABRIC)，与其他5项共6项内容。4.1操作在ThermalCalculation(热环境计算)下拉菜单中选择HourlyHeatGains/Losses(逐时得热/失热)，点击

按钮，选择ColdestDay(Peak)(最冷天)，结果如下图。点击

开始计算5.逐月不舒适度分析如果一个区域没有空调系统，而区域中又设置有人员，EcotectAnalysis就根据相关的舒适温度计算逐月的不舒适度。这一指标也反映了建筑热环境质量。舒适度的算法FlatComfortBands(区域舒适段的舒适温度)：根据每个区域设定的舒适温度计算逐月的不舒适度；ThermalNeutrality(热中性的舒适温度)：是指一般来说大多数人感觉既不冷也不热的温度。这个温度随年平均温度与季节性波动而变化，其计算公式为：Tn=17.6+0.31Tave。根据这个公式可以算出舒适温度，由此可以计算出逐月的不舒适度。Adaptive:FreeRun(自由运行的自适应舒适温度)：由于增添衣物、活动量的变化甚至是否开窗都会影响人们的热舒适温度。因此科学家通过大量的调查研究通过回归分析的方法得到了一个无采暖空调系统的建筑的自适应舒适温度的计算公式：Tc=11.9+0.534Tave。根据这个公式可以算出舒适温度，由此可以计算出逐月的不舒适度。Adaptive:Average(所有建筑平均的自适应舒适温度)：与Adaptive:FreeRun一样，科学家给出了对不论有或无采暖空调系统的建筑都适用的平均的自适应舒适温度的计算公式。根据这个公式可以算出舒适温度，由此可以计算出逐月的不舒适度。5.逐月不舒适度分析要计算的数据DegreeHours(度小时)：计算所有不舒适温度与舒适温度的限制相减的值的总和。这比单纯统计达不到舒适温度的时间总和要更能说明不舒适的程度。PercentageofTime(时间百分数)：每个月达不到舒适温度的时间的总和与该月总共的小时数的百分比。TotalHours(总时间)：每个月达不到舒适温度的时间的总和。5.1操作依次打开“Office_A_Discomfort.eco”。将文件中所有区域中的热环境属性按照左图设置。进入分析页面，选择MonthlyLoads/Discomfort(逐月能耗/不舒适度)选项进行分析。根据软件默认的设置，如右图。6、逐时温度分析该项模拟可以分析每个区域某一天内逐时的温度变化，同时也给出了当天的室外温度、太阳辐射量、风速等室外气象数据。进入分析页面，在ThermalCalculation(热环境计算)下拉菜单选择HourlyTemperatureProfile(逐时温度曲线)选项。选ColdestDay(Peak)(择最冷天)，在HighlightZone(高亮区域)下拉菜单中选择SE，点击Calculat