因为本次设计的课题重心不再只是日照方向的节能，而是包括了气候分析、日照与遮挡分析、热环境分析等方面的节能设计，所以选择了生态建筑大师Ecotect Analysis 2011作为分析的软件，其分析的范围很广，从太阳辐射、日照、遮阳、采光、照明到热工、室内声场、室内外风场都可以进行模拟，涵盖了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响与可视度等建筑物理环境的7个方面。

Ecotect的操作界面友好，分析结果显示为多种多样的彩色图形，提高了分析结果的可读性。

在本次建筑的节能分析与优化过程中，主要利用Ecotect 2011进行进一步的日照与遮挡分析，对Revit的初步日照分析进行补充，此外还进行了当地气候数据录入后的气候环境分析、热环境分析，在热环境分析部分主要是进行建筑的空间舒适度分析。

本研究采用Ecotect软件针对这幢住宅建筑进行节能分析，首先是气候分析。对于Ecotect自带的气候分析软件Weather Tool的运用，主要是将南京的气象数据以wea格式的文件导入该软件中，生成Location Data，从而得到日轨图、焓湿图、风力分析图等结果，分析当地气候对建筑节能的影响。此外，还需手动录入一年中每月的降水量，笔者从江苏省气象局查到2015年各大城市的降水量数据，输入到气候分析软件中。气候分析软件的分析面板主要包含了Location Data（地理数据）、Solar Position（日轨分析）、Psychrometry（焓湿图）、Wind Analysis（风力分析）、Hourly Data（逐时数据）、Weekly Data（逐周数据）、Monthly Data（逐月数据）这七项分析工具。气象数据管理面板中包含了世界各大国家一些城市的气象数据文件，其中南京市的气象数据文件是从EnergyPlus的气象数据库中下载而来。

针对日照与遮挡分析，在建模或导入模型之前，首先要在Ecotect软件中设置地理位置信息，单击工具栏的模型设置按钮，弹出Model Settings（模型设置）对话框，并切换到Data／Time／Location选项卡，见图8－14。本工程位于南京市句容汤山，但在确定地理位置时只能选定经纬度最接近的南京市市区作为研究地区，经度32，纬度118．8，建筑朝向为南北向，北偏移的值为0不需要更改。日期的设置主要用于日照分析，按照我国住宅建筑的日照标准，见表8－3，将时间定在大寒日1月20日，在本课题的研究中将日照分析的时间定为上午8时至下午16时，按日照标准应该在大寒日日照时数大于或等于2h。Ecotect软件不同于斯维尔日照分析软件中将所有日照窗接受日照的时间数计算出来，形成一份日照分析报告，它可以通过模拟将整栋建筑以不同的颜色标注表示不同的日照时长。

图8－14　Weather　Tool分析面板和气象数据管理面板

表8－3　住宅建筑日照标准

注：1．建筑气候区划应符合《建筑气候区划标准》（GB 50178—93）的规定。
2．底层窗台面是指距室内地坪0．9m高的外墙位置。

对于热环境分析部分，需要对模型进行项目信息填写、基本的材质赋予和区域属性设置。项目信息页面见图8－15，包含了项目名称、描述、客户名称、建筑类型等内容，气象数据文件已经导入完成，在这里也有显示。在修改材质部分，由于该项目已经完成了围护结构的构造设计，只需要按照南京市建筑设计研究院有限公司给出的方案来设置材质库，在这之前，先开启模型检查器，将重新建立的模型的每个构件逐一赋予材质。其中外墙与屋面的构造见表8－4所示。在设置外墙和屋面的材质库时，将构造中主要的部分均体现在其中，考虑到在Revit三维模型中设置的外墙材质为加气混凝土砌块，某些无法找到密度、比热容和导热系数的材料不予填写。在完成构造层的材料填写后，计算U值得到外墙为0．810，屋顶为0．330，与原设计中的值基本一致，窗户没有特殊的设置，所以根据其传热系数K设计值为2．70反向选择了DoubleGlazed＿AlumFrame的已有材质。具体的材料库设置与U值计算见图8－16～图8－21。

图8－15　模型设置对话框

表8－4　外墙与屋面构造做法一览表

图8－16　项目信息页面

图8－17　外墙材质赋予—U值计算

图8－18　外墙材质赋予—构造层

图8－19　窗户材质赋予

图8－20　屋顶材质赋予—U值计算

图8－21　屋顶材质赋予—构造层

区域属性主要包括区域中的系统类型、人数、设备发热量及活动（运行）时间表等内容，主要设置都在区域管理器中。区域属性可以根据实际情况自由设定，也可以根据标准设定相关内容，此处主要根据住宅建筑的实际情况来设定。

首先室内设计条件的设置中，Clothing（衣着量）、Humidity（相对湿度）、Air Speed（风速）和Lighting Level（室内照度）等内容均使用默认设置。考虑到建筑类型为双拼别墅型住宅，在人员与运行的设置中，人员情况栏的人数选项设定该区域有5个人，人体的活动量设定为阅读，人体散热量为50 W，人员情况时间表的设置，也就是房间人员的逐时在室率，设定蓝色块为Standard Weekend，白色块为Standard Weekday，按照实际情况看，情况最多为三代五口的家庭，周末人员在室率为100%，工作日年轻人出门工作，老人在家中，中午出去买菜，据此设定好时间表Occupancy。室内得热情况中显热得热和潜热得热的计算，根据中外科学文献的研究表明，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。根据表8－5所示的标准，以及查阅到双拼别墅的负荷设计容量一般为15～20kW，节能面积为2 722m2，所以设定显热得热和潜热得热为5和2。区域管理对话框见图8－22，人员情况的时间表和室内得热情况的时间表见图8－23。

表8－5　居住建筑每户照明功率密度值

图8－22　区域管理对话框

图8－23　人员情况时间表设置

热环境属性设置中，系统类型包含了无系统、自然通风、混合模式系统、全空调系统、仅采暖和仅制冷等6个选项。热环境属性设置的无系统和全空调系统情况见图8－24、图8－25。

图8－24　热环境属性设置—无系统

图8－25　热环境属性设置—全空调系统

8．4．1．1　气候分析

1）日轨分析

由于只能使用该软件中已有的气象文件，软件中只有南京市全市的气象情况，所以笔者选择了其中较为相像的南京市作为分析的地点。地点位置如图8－26所示。

在选定了地点之后可以输出此位置的日轨分析。如图8－27～图8－29所示。

图8－26　地点位置

2）焓湿图分析

Weather Tool中的焓湿图分析功能可以根据气象数据在焓湿图中对各种主动、被动式设计策略进行分析。可以这么说，焓是一种表示物体的物质状态的数据，它可以表示物体拥有的一种能量。

焓湿图可以确定空气中温度、含湿量、大气压力以及水蒸气这四种参数与建筑中的热环境的关系，从而确定通风以及空调工程中的空气状态。在关于气候的设计中，焓湿图可以直观精准地确定建筑物室内外的气候情况，例如冷、热、干、湿等，更重要的是，可以模拟出现实状况与距离舒适区的偏离程度，如图8－30所示。

焓湿图的横坐标为空气的干球温度，纵坐标表示空气的绝对湿度，曲线表示空气的相对湿度，倾斜的虚直线表示空气的湿球温度，倾斜的实直线表示空气的比容。

活动量与衣着量也会影响热舒适区域。

热舒适区域其实可以称之为热环境设计的终极目标，通过一系列的设计和措施改变环境中的某些因素使室外气候偏离室内舒适度的范围缩小。

图8－27　竖直投影

图8－28　立体投影

图8－29　日轨数据

图8－30　焓湿图

（1）被动式太阳能采暖

太阳能利用是使用太阳能进行采暖，尤其是在太阳光照充足并且地区室外气候相对过冷时的设计方法。被动式太阳能设计的气候因素关键取决于室外的温度和太阳辐射量。温度过低或辐射量太小，被动式太阳能采暖都不能实现。除此之外，建筑设计也很大程度地影响了被动式太阳能采暖的效果，主要包括窗墙比、围护结构保温性能、太阳能采暖效率等因素。笔者的设置如图8－31所示。

Activity（人体活动量）为较轻，Glazing Ratio（窗墙比）为20%，Insulation（围护结构保温）为高，Efficiency（太阳能采暖效率）为平均情况，被动式太阳能采暖的效果如图8－32所示。

图8－31　被动式采暖装置

图8－32　被动式太阳能采暖

可以发现，此时采用被动式太阳能采暖可以提高南京3、11月份大部分时间的室内热舒适度。在其他因素不变的情况下，仅仅将窗墙比提高到30%，被动式太阳能采暖的效果如图8－33所示。从图中可以发现，此时采用被动式太阳能采暖可以提高南京地区2、3、11、12月份大部分时间的室内热舒适度和1月部分时间的室内热舒适度。这一变化是十分明显的，也为建筑师的设计提供了有效的信息。

（2）自然通风

空气的流动可以增加人体与周围空气的对流换热量及人体的汗液蒸发量，从而使人体在热环境下感觉舒适。对流换热量只会在空气温度能够低于皮肤表面温度（32℃～34℃）时才可以提高周围空气与人体之间的换热量，所以说对流换热量的效果是取决于空气的温度的。人体蒸发散热率取决于气流速度与空气的水蒸气压力大小。而提高空气流速总能够增加蒸发散热量，只是在高的水蒸气压下散热率相对减少。同时，通过自然通风获得舒适的程度取决于在通风情况下人们能够接受的最高温度和最大空气流速（图8－34）。如对于学校建筑，学生们不希望风速超过1．5 m／s，在这种情况下风可以轻易地吹动课桌上的纸张而使学生产生烦恼；而对于住宅建筑内的人们，空气流速可以设置得高一些，因为可以给人们带来凉爽。

图8－33　改进后被动式太阳能采暖

在Weather Tool中选择如下设定：

Activity（人体活动量）为静坐，Air Speed（空气流速）为1 m／s，自然通风的效果如图8－35所示。从图中可以发现，此时在南京地区应用了自然通风的策略可以提高3、8、10月份大部分时间的室内热舒适度。

图8－34　自然通风设置

图8－35　自然通风

当其他条件不变时，仅将风速调至最大（Annoying），自然通风的效果如图8－36所示。

(www.daowen.com)

图8－36　改进后自然通风

可以看出，虽然6、9月的室内热舒适度提高了很多，但7月还是有很多时间室内无法达到舒适。在温度较高（33℃）并且相对湿度也较高的情况下，自然通风很难提高室内热舒适度。

但是同时需要指出的是，空气流动通常令人捉摸不定，因此建筑的风环境设计高度复杂，设计师很难通过建筑设计的手段令室内风速持续很强，但适当提高室内的风速是可以通过设计达到的。

（3）高热容的维护结构与夜间通风

夏季白天，建筑关闭门窗（室内为静风情况下），利用墙体、屋面、地面等实体结构的隔热性和蓄热性，阻止热量进入室内并降低室外温度波动对室内温度的影响，使建筑围护结构表面接近室外平均温度；夜间利用长波辐射散热和自然通风（夜间通风），使白天围护结构吸收的热量散发出去，降低其温度，使它在第二天日间又可以作为吸热体吸收室外的热量。这种利用维护结构的蓄热性的被动式降温方式适合夏季室外温差大的气候区。

利用高热容的围护结构维持室内舒适时，必须注意建筑外表面的做法和建筑的遮阳措施。建筑外表面最好使用太阳辐射高的浅色材料，建筑开口必须有足够的遮阳设施，以减少室外强烈的太阳辐射的影响。

如图8－37所示为南京地区采用高热容维护结构与夜间通风的被动式策略提高室内热舒适度的效果。图中红色虚线以左的部分是单纯使用高热容维护结构提高的舒适度，虚线以右的部分是同时采用了高热容维护结构与夜间通风提高的舒适度（见书末彩图）。

通常情况下，采用夜间通风策略的前提就是要有高蓄热性的围护结构或者附加构件（如室内的水墙等），否则单独使用这一被动式策略效果非常有限。

图8－37　高热容的围护结构与夜间通风

（4）蒸发降温

蒸发降温利用了水的汽化潜热降温作用，分为直接蒸发降温与间接蒸发降温两种。直接蒸发降温是指室外干燥高温的空气流经水体构件后，由于水的蒸发吸热过程，使空气温度降低后流入室内。这种方法主要用于干热地区。由于与南京的气候条件不符，在此就不对其进行分析。间接蒸发降热是指在建筑的表面利用太阳辐射使水蒸发而获得自然冷却的方法，如淋水屋面、蓄水屋面等。建筑表面间接蒸发降温过程由于不会增加室内的湿度，所以适合湿热地区。

如图8－38所示为南京地区采用蒸发降温策略而提高的舒适度，图中红色虚线与黄线所包围的区域是采用直接蒸发策略提高的舒适度，红色实线与黄线所包围的区域是采用间接蒸发策略所提高的舒适度。由于南京夏季湿度很高，因此直接蒸发降热作用不大，而间接蒸发有一定作用（见书末彩图）。

图8－38　蒸发降温

（5）被动式策略组合分析

上面分析的都是采用单独的某种策略的效果，在Weather Tool中还可以自由组合各种被动式策略，并对其实时效果进行考察。组合式策略在设计中是非常常见的，通过这一分析，建筑师可以在多种被动式策略中找出最适当的组合。如图8－39所示。

图8－39　被动式策略组合分析

其中红色实线表示被动式太阳能采暖，蓝色实线表示高热容材料，暗红色实线表示高热容材料+夜间通风，橙色实线表示自然通风，墨绿色实线表示间接蒸发降温（见书末彩图）。

各种被动式策略的总效果呈现在图8－40中。

图8－40　被动式策略组合分析效果图

从图8－40中可以发现，在南京地区将被动式太阳能采暖与自然通风策略应用得当，就可以大幅提高室内的热舒适度；被动式太阳能采暖策略在冬季与过渡季节效果显著，高热容维护结构、夜间通风与自然通风在夏季作用明显；综合应用各种被动式设计策略可以提高全年舒适度5倍时间以上，效果显著。

3）风力分析

Wind Aanlysis面板中包含风频、平均温度、最高温度、最低温度、平均相对湿度、最高相对湿度、最低相对湿度、平均降雨量与最大降雨量等命令；Date（日期）包含全年、四季与各月份；Time（时间）包含全天、早晨、中午、下午、傍晚、夜晚与24个小时。如图8－41所示为12个月的气象参数的频率图。

图8－41　风力分析图

4）逐日气象

图8－42是逐日气象设置。图8－43～图8－45所示为全年逐日气象数据，图中绿色部分是热舒适区域；红色部分是逐时温度，其中包含了最高温度、最低温度与平均温度；黄色实线是直射辐射量，表示的是某月内各天某一时刻的平均值，即将一个月的太阳直射辐射用求逐时平均值的方法虚拟成一天24小时的太阳直射辐射量；灰色虚线表示散射辐射量，也是每个月虚拟成一天24小时的太阳散射辐射量（见书末彩图）。如图8－43～图8－45横坐标表示了日期（对于温度来说是日期，对于辐射量来说是时间）；左边的纵坐标表示了温度（℃）；右边的纵坐标表示了太阳辐射量（W／m2）。

图8－42　逐日气象设置

图8－43　逐日气象图a

图8－44　逐日气象图b

图8－45　逐日气象图c

5）逐周数据

下图以平均温度为例来说明逐周数据的含义。图8－46是一般情况显示的图形，可以从中发现一些规律：南京地区冬季的温度较低，夏季温度比较高；下午14时的相对温度最高，夜间的相对温度基本在15℃。为了更仔细地分析图中的信息，可以分别切换到俯视图、前视图和侧视图，如图8－47～图8－48所示。

图8－46　逐周分析主视图

图8－47　逐周数据俯视图

图8－48　逐周数据前视图

6）逐月分析

该分析包含了降雨量、相对湿度、相对温度、最高温度、最低温度、温度标准差、日均实际日照时数、太阳辐射、采暖度日数、空调度日数、太阳度日数、风速等（图8－49，图8－50）。

图8－49　日均实际日照时数

图8－50　降水量、温度、辐射图

8．4．1．2　光环境分析

在本次的光环境分析中，笔者决定采用我国的绿色建筑标志（简称“绿标”）。绿色建筑标志是我国对绿色建筑的国内标准，是指在建筑的全生命周期内，最大限度地节约资源（环境保护、节地、节水、节材），保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。

在进行光环境模拟之前首先要添加分析网格并且调整分析精度，调整后的模型数据如图8－51所示。

图8－51　光环境分析设置

表8－6　光环境分析表

根据绿标的要求：“采光系数大于2%的面积，要占到总面积的75%以上。”根据表8－6可知，此建筑符合我国的绿色建筑标准。

8．4．1．3　太阳辐射与太阳能利用分析

场地的设置影响着生态平衡和室外空间的舒适度及健康、邻里关系的社会质量、能源的使用效率、水资源的使用效率，以及环境和资源的环保。通过太阳辐射对地面的影响，可以合理利用太阳能照明系统和一些喜阴植物、喜阳植物和中性植物的合理种植。按照图纸对建筑方位进行了如图8－52的设定。

图8－52　太阳辐射设定

1）非透明围护结构的太阳辐射分析

太阳辐射除了从透明的围护结构（如窗户）进入室内，还能从非透明围护结构（如屋顶）将热量传入室内。首先，笔者选择了对屋顶日平均模拟分析，如图8－53所示，表示了该屋顶每个月平均每天24h太阳辐射照度的情况。从图中可发现，最高太阳辐射照度为332．586 W／m2，不超过600 W／m2，所以屋顶不需要考虑遮阳设计。

图8－53　屋顶日平均太阳辐射照度

然后，对二层南立面进行模拟分析，如图8－54所示，从图中发现在南立面上夏季的太阳辐射照度很低，甚至6、7月份辐射照度低于250 W／m2，冬季太阳辐射照度比夏季要高出一倍，有利于冬季采暖，因此在南立面上不需要对非透明结构进行遮阳。

图8－54　二层南立面日平均太阳辐射照度

从分析结果可以看出：太阳辐射能小于3 MJ／（m2·d）的区域就需要种植喜阴性植物；太阳辐射能介于3～6 MJ／（m2·d）之间的区域适合种植中性植物；太阳辐射能高于6 MJ／（m2·d）的区域适合种植喜阳性植物。

打开笔者在Ecotect软件中新建的模型，首先填写项目基本信息并设置建好的模型的材质。在设置外墙材质时，计算出的U值也就是传热系数为0．810能够满足国家标准，设置屋顶材质后，算得的U值为0．330同样满足要求。

8．4．1．4　热环境分析

如表8－7所示，该建筑原有的设计已满足标准的传热系数限值，因而不需要再进行逐项比较模拟，该建筑的能耗满足标准要求。

表8－7　传热系数比较

此处，只进行建筑的空间舒适度分析。该分析时源于20世纪70年代，丹麦科学家从人体平衡出发，建立人体新陈代谢产热量以及人体对流、辐射、蒸发散热量与热环境各影响因素间的定量关系，得到了人体热平衡方程式，并制定出热舒适度指标PMV－PPD。国际标准化组织（ISO）推荐的室内环境热舒适标准为PMV在－0．5～0．5之间，这一标准只有舒适性空调建筑方能达到，对于我国自然通风房间，PMV在－1～1之间更合适。