生态设计软件Ecotect在实际中的应用
topenergy模拟组 云鹏
Ecotect是由英国Square One公司开发的生态建筑设计软件，它主要应用于方案设计阶段，具有速度快，直观，技术性强等优势，而且可以和一系列精确分析软件相结合作进一步的分析。这里主要是通过一个实例来说明分析过程。在实例之前，首先简要介绍一下Ecotect的能耗模拟，照明的数学物理模型，这样便与读者深入理解，由于本方案没有涉及到声学，CFD以及生命周期分析，这些内容将在以后逐步介绍。
一．热工性能及能耗模拟
Ecotect的核心基于建筑工程师特许协会(CIBSE)所核定的内部温度和热负荷计算方法-准入系数法。这种运算法则非常灵活并且对于建筑物的体形以及行仿真分析的区域的数量没有限制。更重要的是，在完成一些投影和遮蔽的前期计算后，系统可以非常快的速度进行计算并且能够将非常有用的设计信息显示出来。计算结果的相对精确度可以使设计者在设计的初期就做出适当的决断，甚至当模型还是一个六变形的方盒子的时候也可以。在这样一个模型中，给定气候条件后，我们可以很快决定不同覆层使用何种的材质，以及不同立面使用何种反射率的材料。在最终的建筑形式被确定前，我们也可以研究日光的投影和影响。
准入原理基于循环变化的概念。这种方法有一定的局限性，不适合于下面的情况，即环境参数随时可能有突然的而且巨大的变化，例如室外温差波动非常大。在这些个案中，环境的影响是接近舜时的。
二．昼光照明
ECOTECT提供了一系列的照明分析功能，包括昼光，人工及混光照明。 其中尤以昼光照明最为重要。Ecotect中的昼光照明分析均以采光系数为基础，而采光系数计算采用的是建筑研究组织（Building Research Establishment）的分项研究（Split Flux）方法。它基于这样一种假设，不考虑直射光，到达房间内任一点上的自然光包含三个独立的组成部分：天空光组分Sky Component (SC)，外部反射光组分 Externally Reflected Component (ERC)，反射光组分Reflected Component (IRC)。首先系统分别计算某一点上的三个不同组成部分内容，最后综合取得采光系数。而通过采光系数和室外设计天空照度（查询光气候分区取得）可以计算工作面照度。需要注意的是Ecotect采用的是国际照明委员会(CIE)的全阴天模型，考虑的是最不利条件下的情况，所以上述计算不包括直射日光。
上面介绍了一下基本概念，先面就进入正题，此项目是为位于北方某城市的一个高档办公区，包含了两座办公楼（一为it企业总部，一为普通办公），一个国际会议中心，一个餐饮中心。项目北边为一现有高档公寓区，西边为预留发展用地，南边和东边紧邻城市道路绿化带。
由于时间上比较充裕，所以准备趁着这回来小试一下ecotect的牛刀。首先根据功能和环境关系快速确定了建筑的大概布局方式，如上图所示，在总部办公楼的形式上，考虑了两种形式，一种是常规的长方形平面，另一种是椭圆形平面。由于造型上相对较为独特，甲方比较喜欢椭圆形平面，下面我就想利用软件来分析一下这两种形式的优劣。
为了简化模型，分别取长方形和椭圆形方案的顶层进行分析，由于做方案要的就是快，所以简化非常重要，一般来说，如果是做深入分析，则可以把模型建得再精确一点。直接用ecotect建模或由sketchup导入都可以。Ecotect中的分区很简单，不用考虑内外区划分，省去许多工作。整个标准层分为两个区域，一个是核心筒，一个是办公区。建完模就可以指定材料做法，外墙均为lowE双层玻璃幕墙，核心筒为钢筋混凝土，地板为架空混凝土板。下一步设定空调运行时间表，人员活动时间表，最后敲定时间和地点就可以进行计算分析（很简单吧）。
一．遮挡及辐射
1．分析用地北侧住宅楼西南立面上直射阳光及其辐射强度
上图指示了所要分析的表面
长方形方案对于其北侧住宅的辐射遮挡，以日轨图显示
椭圆形方案对于其北侧住宅的辐射遮挡，以日轨图显示
从这张图来看，应该是长方形方案中此立面上接受辐射的时间较长，也比较均匀。但是在11点到14点的时间中，椭圆形方案中会出现局部较高的辐射，而且相对来说在11月-2月比较明显，3-10月则则不是很明显，这应该是个优点。不过综合来说，应该是长方形方案相对优势更明显。
上图为以三维形式显示辐射遮挡，绿色的点用来估算采光系数
2．场地辐射分析
线框形式显示用地内的累计日平均辐射分布
实体形式显示用地内的累计日平均辐射分布
平面形式显示用地内的累计日平均辐射分布
通过场地累计日平均辐射分析，可以发现场地南边及西北角的辐射相对来说较大，可以在设计的时候，多种植常绿乔木，在各个季节都可以提供阳光遮挡，另外也可以布置一些凉亭等休闲设施。而在辐射相对较小的地方，即红色区域内，种植落叶乔木，既可以在夏季提供荫凉，在冬季也不会对阳光产生较大的遮挡。此项分析对于复杂的群体建筑来说非常实用。
二．热工分析
我的思路就是首先选取典型日期进行逐时得热计算，这样可以直观地分析对建筑布局影响较大的因素，便于针对其采取对应措施。然后再分析全年逐月空调冷热负荷，从而可以得到一个整体的结论。
1．逐时得热
上图为长方形方案在1月1日的逐时得热分析
上图为椭圆方案在1月1的日逐时得热分析
大家可以发现这两张图有什么不同。
上图为将结构传导，直接太阳得热以及总得热输入excel分析
由于上面两张图比较起来不是很方便（比较费眼），所以我把两个方案中比较关键的数据输入到excel中，进行制表分析，主要是传导，直接太阳得热以及总得热，其它象内部得热，间接太阳得热，通风得热等由于篇幅关系，没有放进来。从这张图中，我们可以发现（桔红色）的直接太阳得热以长方形方案居多（比较好，因为是冬季），蓝色的结构传导热损失则是椭圆形方案更佳。总得热（也是热损失）也是椭圆形方案较佳。总的来说，这一天中，长方形方案的直接太阳得热较多，但总热损失也较大。
上图为长方形方案 6.30日的逐时得热分析
上图为椭圆形方案 6.30日的逐时得热分析
同样把上述几个数据输入到excel，可以发现夏季中，这三项都是长方形居多，较为不利。
2．全年逐月冷热负荷
上图为长方形方案全年空调冷热负荷分析，红色为热负荷，蓝色为冷负荷。
上图为椭圆形方案全年空调冷热负荷分析，红色为热负荷，蓝色为冷负荷。
同样导入excel对比分析，我们可以发现除了2月份以外，全年中的冷热负荷都是长方形方案居多，能耗较大，其中夏季差别最大，冬季其次，过度季有轻微差别。
（由于是方案设计和横向对比，没有在计算中考虑各种设备得热，只是考虑了人员活动，感兴趣的朋友可以做深入的分析。）
综上所述，总的来说椭圆方案在热工方面占有优势，尤其在夏季，长方形方案仅在冬季的直接太阳得一项有优势，可能是跟其外表面积较小有关。
三．采光分析
主要是以室内采光系数分布为依据来进行比较。如果要需要的话可以根据所处的光气候分区来计算工作面照度和亮度，并结合计算结果进行人工采光设计。我们的目标是室内采光均匀且可以最大程度的利用昼光照明。由于采用全阴天模型，此项分析中不考虑直射阳光的因素，它考虑的是最不利因素下的状况。
1．采光系数
长方形方案的采光系数分布图，平均采光系数为30.82%
椭圆形方案的采光系数分布图，平均采光系数为27.05%
我们可以发现长方形方案由于进深小，所以采光系数较高，而且分布相对较为均匀。
备注：由于采用的是全玻璃幕墙，透光系数较高，所以采光系数比较大，主要是便于分析对比。
上图为玻璃的各种性能设置
上图是分别以三维形式显示其采光系数分布，可以清晰的看出长方形方案中照度分布非常均匀，而椭圆方案则靠近窗户部位较亮，随后照度就开始急剧下降。所以长方形方案在昼光照明方面优势很大。
2．考虑直射光的实时照度分析
上图为长方形方案，6月21日清晨6点15分 以伪彩色显示
上图为椭圆形方案，6月21日清晨6点15分 以伪彩色显示
为了便于分析，我采用了伪彩色。从这两张图中可以发现，椭圆形方案的照度分布不是很均匀，变化较为剧烈，总体来说两个方案差别不是很大。
上图为长方形方案，6月21日清晨6点15分的真实效果 以真彩色显示
四．后记
方案的最终效果（sketchup绘制）
在这个方案中，我使用了sketchup和ecotect这两个软件，把它们结合起来，sketcup用于建模及造型分析，ecotect用于技术分析，他们可以发挥各自的优势，以淡雅的效果和精确地分析打动甲方。除上图用sketchup绘制外，本文其它图片均使用ecotect绘制。
在本文成文之际，得到Square One的Andrew博士回复，他建议如果要进行精确分析，可以将一个标准层分割为四个朝向区域，这样可以准确分析各个朝向的不同情况，以一个标准层来进行分析，得到的结果相对来说比较平均，是一个总的结论。感兴趣的朋友可以自己试验一下。
我在这里只是抛砖引玉，希望能有更多的朋友能关注和参与到生态设计中，这也是我们建筑师的责任。由于时间关系以及本人水平，此次并没有将所有的功能都一一用上，如生命周期投资分析，环境影响评估，以及声学设计等，以后我会逐步补充。另外，也欢迎大家访问www.ecotect.com.cn中文网站。最后衷心感谢TopEnergy绿色建筑论坛的黄俊鹏和孟世荣，以及上海曼恒信息技术有限公司，他们给予了我很大的帮助和支持。
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