基于云計算的建筑能耗分析

最近幾十年，能耗仿真軟件發(fā)展很迅速，但是幾乎沒有工具在早期設(shè)計階段提供綜合決策支持，原因是同一工程的不同設(shè)計師在高度復(fù)雜的非可視化工作環(huán)境中缺乏協(xié)作和溝通，為此，學(xué)者們多年來進(jìn)行了大量標(biāo)準(zhǔn)、定義研究以促進(jìn)建筑能耗仿真的發(fā)展和分類。

模擬仿真是有效的決策支持工具，但常用的軟件集成效果受到許多因素的限制，這些因素主要與相關(guān)領(lǐng)域之間的信息交換,尤其是與基于BIM的典型集成策略有關(guān)。傳統(tǒng)BIM實(shí)踐采用信息交換進(jìn)行數(shù)字模型轉(zhuǎn)換，通過應(yīng)用程序共同的文件格式（如gbxml或IFC）或根據(jù)需要從核心模型數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)共享。這種分離阻止了域之間的交互,并產(chǎn)生了冗余和不一致的數(shù)據(jù)。

仿真能耗分析中的云計算

進(jìn)行能耗仿真分析的真正有利階段是在建筑設(shè)計的早期，分布式的“云”計算作為有效的數(shù)字工具能促進(jìn)進(jìn)程的模塊化，并且能在設(shè)計初期對整體方案進(jìn)行評估，這種管理文檔和項目集成化建筑信息的能源化設(shè)計方法使得設(shè)計更加靈活。

利用Autodesk Revit的一系列軟件建立模型并上傳云端，通過對空間組織、空調(diào)、照明和結(jié)構(gòu)體系折中探討，得到一個滿足項目要求并能減少能耗的理想解決方案。BIM 模型上的協(xié)作性能優(yōu)異，建筑全生命周期（從設(shè)計、施工到運(yùn)營）所包含的各階段、各專業(yè)信息都可以集成在這個模型上面，建筑信息可以按先后順序加入和傳遞，并能實(shí)現(xiàn)各專業(yè)實(shí)時的、不受地點(diǎn)限制的協(xié)同工作。IT 云框架將BIM這一優(yōu)勢放大。實(shí)現(xiàn)云計算模式下的BIM能夠加快建筑行業(yè)集成一個共享信息空間，實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域獨(dú)立的電子市場。

本文運(yùn)用3D模型和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫（建筑信息）協(xié)同設(shè)計技術(shù)創(chuàng)建模型，同時借助BIM 應(yīng)用體系下的IT 云框架——GBS(Green Building Studio)評估建筑構(gòu)件組合方式對能源消耗的影響并尋找建筑環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性最佳的建筑構(gòu)件組合方式，克服異地限制從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)時協(xié)同和數(shù)據(jù)共享。以南京某一6層住宅樓為例，借助公共云計算平臺強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入gbxml文件格式模型，對小別墅的各項經(jīng)濟(jì)性能（包括二氧化碳排放、耗電量、耗熱量等）進(jìn)行分析，為建筑設(shè)計決策及全生命周期的運(yùn)行管理提供參考意見。

仿真能耗分析方法之過程耦合框架

能源化設(shè)計的關(guān)鍵是設(shè)計環(huán)境中各個區(qū)域間的相互反饋。利用數(shù)據(jù)模型和物理模型之間的合作促進(jìn)這種反饋，通過與其他應(yīng)用程序建立聯(lián)系實(shí)現(xiàn)高效耦合，而不是轉(zhuǎn)換成同一文件格式(如傳統(tǒng)基于IFC策略的軟件之間直接轉(zhuǎn)換)。如圖1所示，在程序控制評估過程中根據(jù)需要調(diào)用應(yīng)用程序，自動建立仿真模型并進(jìn)行分析。這種方法一般用在仿真相關(guān)領(lǐng)域，有學(xué)者提出在設(shè)計領(lǐng)域使用一種擴(kuò)展的典型應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)集成。

為了避免各個區(qū)域之間的數(shù)據(jù)冗余問題，將建筑分割成一系列子模型分別對應(yīng)滿足各自信息需求的耦合程序，這種分解與日益增長的建筑集成化實(shí)踐形成對比。它不同于建筑視圖定義描述不同視角的建筑智能框架，它表示特定域的模型而不是同一模型的特定域視圖。每一個子模型都有包含已定義格式的特定任務(wù)所需信息的轉(zhuǎn)化過程，因此避免了復(fù)雜的綜合數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（如IFC）。

仿真能耗分析方法之GBS分析

1.Revit建筑模型

“我一直在尋找屬于我獨(dú)有的那個詞。就像迷宮之于博爾赫斯，結(jié)構(gòu)主義之于略薩，和諧之于汪曾祺?！币缓嘉鑴恿艘幌率?，臉上已經(jīng)有幾分醉意。三毛把玩著玻璃杯，懶洋洋地說：“驢子拉磨走了三年還在磨道里轉(zhuǎn)，你的《真相》，說了一兩個月，原來還沒動筆?！?/p>

圖1 迭代循環(huán)

所有的建筑幾何信息來自于建立的模型,包括房間的數(shù)量,房間之間的關(guān)聯(lián)，建筑外觀和墻體材料,太陽輻射和陰影、建筑表面積和窗面積以及窗墻比。

2.自定義系統(tǒng)屬性

為了解釋該建筑物的運(yùn)營狀況或環(huán)境影響，需要根據(jù)自己的需求設(shè)置建筑所處的地理位置以及氣候環(huán)境。這些選擇將作為該建筑的建筑背景帶入后面的能耗分析中。

3.區(qū)域化數(shù)據(jù)庫

基于以上信息、GBS將智能根據(jù)附加信息，如天氣條件、施工、材料等因素，自動添加沒有提供的信息,并根據(jù)這些信息分析建筑能耗。因此它可以無縫適應(yīng)設(shè)計師的要求，并且為優(yōu)化設(shè)計方案提供參考。

實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析

1.準(zhǔn)備及初步模型

該模型為南京某住宅小區(qū)9#5號樓建筑模型，利用GBS對此建筑的性能進(jìn)行分析，以及需要改進(jìn)的地方提出能源消耗更節(jié)約的優(yōu)化設(shè)計方案。這些分析包括水、電能和其他可再生能源。對分析結(jié)果來說，沒必要把時間花在建模、細(xì)化小空間，否則將增加模型的復(fù)雜性并且增加仿真時間，而對結(jié)果精度沒有任何提高和幫助。為了使模型能夠成功與GBS通信，本項目創(chuàng)建的模型盡可能簡單，布置了必要的結(jié)構(gòu)和設(shè)備（如天花板、地板、照明等），創(chuàng)建墻壁和窗戶（維護(hù)結(jié)構(gòu)）以分析和計算潛在的HVAC能耗；在進(jìn)行通信之前，進(jìn)行了模型沖突檢查，墻體、屋面、面板和天花板沒有縫隙；結(jié)合房間功能和大小，對空間結(jié)構(gòu)適當(dāng)創(chuàng)建了組合。

圖2 BIM物理模型

進(jìn)行房間劃分是實(shí)現(xiàn)GBS通信的必要條件。改變房間大小，其HVAC能耗分析可能也會不同。在Revit模型中，以水平面上2.8米的房間為例，如果這個房間對象不接觸天花板或屋頂，這個Revit模型雖然可以輸出到gbXML文件，但不能進(jìn)行正確的熱工分析。因此，為了避免這種不正確的操作，要確保房間對象封裝整個屋頂高度。

2.系統(tǒng)屬性設(shè)置

建立BIM模型的目的在于，它是提高模型和分析建筑性能平臺的穩(wěn)定性；通過BIM提供Revit服務(wù)器之間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)協(xié)同化設(shè)計，不僅提高效率，而且顯著地改善建筑設(shè)計中建模和分析能力。新概念能耗分析功能根據(jù)BIM模型提供綜合的能源分析，使設(shè)計師在初步設(shè)計過程中通過分析確定不同選項，從可持續(xù)發(fā)展的角度選擇最優(yōu)化方案，但Revit模型分析和概念上的能量分析都是建立在Autodesk平臺之上才能實(shí)現(xiàn)。本項目模型不能使用Revit概念能量分析，但通過GBS可以做到。

因?yàn)檎麄€模型是由Revit Architect-ure協(xié)同設(shè)計，其能源屬性應(yīng)在導(dǎo)入gbXML文件之前設(shè)置。GBS通過Google地圖根據(jù)項目要求來選擇合適的位置，項目詳細(xì)資料設(shè)置以及建筑的位置，如圖3所示。

本項目結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件及地理條件，建筑采用鋼筋混凝土墻體（內(nèi)含保溫層），節(jié)能照明燈具，HVAC系統(tǒng)。

3.分析結(jié)果

當(dāng)Revit模型與GBS實(shí)現(xiàn)通信，將首先進(jìn)行錯誤檢查，避免可能存在的問題而造成任何缺失數(shù)據(jù)。遞交是成功的，將提供一個結(jié)果頁面信息，精確總結(jié)該建筑減少二氧化碳排放的節(jié)能性能，水的用量、仿真的假設(shè)，性能指標(biāo)以及成本。該項目為基本模型，沒有任何家具、設(shè)備及裝置，只在住宅建筑中安裝了照明。GBS提供的整個項目的基本信息，概述了全年總能源成本評估為29007元,年度用電成本為24482元，年度燃料成本為4525元。

表1 房間明細(xì)表

圖3 建筑位置

網(wǎng)站生成的綜合分析結(jié)果總結(jié)了估計的能源、碳和成本。事實(shí)上，大多數(shù)建筑可以按照這些年能量消耗和消費(fèi)數(shù)據(jù)合理規(guī)劃能源成本。年能源消耗包括：生命周期能源成本(按30年計算)和生命周期能源消耗(電、氣)；年度二氧化碳排放量(包括電、氣)；年度能源(電力需求年最大值)；基于該地區(qū)燃料能源的使用情況的二氧化碳排放量。

除了能源消耗和成本部分,它也提供了針對LEED進(jìn)行自然采光評價、水資源利用和支出評估、光伏發(fā)電潛力、風(fēng)能潛力、自然通風(fēng)潛力，使設(shè)計者能夠考慮建立太陽能面板或風(fēng)力發(fā)電的可能性。

室外LEED用水效率不如室內(nèi)的，因?yàn)闉榱撕喕Ｐ偷膹?fù)雜程度，沒有戶外水利設(shè)施建立。

最后說明基于HVAC、照明和采暖制冷的電和燃料產(chǎn)生的能量。本項目工程照明、HVAC電力消耗占電力總額的近66%的用量，HVAC也占56.1%的燃料使用。在這種情況下，如果采用新的可持續(xù)設(shè)計方案，重點(diǎn)提高HVAC和照明效率，能夠降低建筑總能量和天然氣的使用量。

基于云計算的建筑能耗分析總結(jié)

被動式設(shè)計措施是最大限度地減少后期建筑維護(hù)的必要手段，這種迫在眉睫的改進(jìn)策略通過探索建筑、舒適度和運(yùn)行能量之間的協(xié)作關(guān)系，來改進(jìn)設(shè)計，分析并優(yōu)化建筑。因此，需要一個集成設(shè)計系統(tǒng)使仿真成為決策支持工具，能夠量化不同設(shè)計方案在建筑復(fù)雜實(shí)際運(yùn)行中的性能影響。在建筑設(shè)計初期的決策階段非常重要，此時能確定建筑約80%的環(huán)境影響和運(yùn)營成本。

本項目選擇設(shè)置公共云計算，選擇一個云計算方案通常會涉及很多需要考慮的因素，最重要的決定是選擇私有云還是公共云設(shè)置，此外還需要考慮數(shù)據(jù)安全、用戶管理、管理工具、許可證管理、帶寬需求、彈性（沒有停機(jī)時間）、技術(shù)支持服務(wù)、支持的操作系統(tǒng)、成本（實(shí)施，維護(hù)）等。