基于BIM的空調(diào)實(shí)驗(yàn)室能耗仿真與分析

巫春玲 / 李 陽(yáng) / 謝美美 / 李永萍 / 安諾靜

(1.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064；2.陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

基于BIM的空調(diào)實(shí)驗(yàn)室能耗仿真與分析

巫春玲1/ 李 陽(yáng)2/ 謝美美1/ 李永萍1/ 安諾靜1

(1.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064；2.陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

使用BIM技術(shù)的能耗分析軟件EcotectAnalysis對(duì)某空調(diào)實(shí)驗(yàn)室建立了房間模型，并對(duì)房間的區(qū)域?qū)傩赃M(jìn)行了設(shè)置。在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了熱工計(jì)算及能耗分析。試驗(yàn)表明采用BIM技術(shù)的Ecotect能耗分析軟件能夠有效對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全方位地能耗分析。

BIM技術(shù) 能耗分析 熱工計(jì)算 建模

1 建筑能耗分析

建筑能耗分析是指對(duì)建筑物運(yùn)行階段所消耗的能源進(jìn)行計(jì)算和分析，例如空調(diào)系統(tǒng)、燈光照明系統(tǒng)及動(dòng)力設(shè)備等的能耗。通過(guò)對(duì)每個(gè)部分的能耗進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到整個(gè)建筑的能耗情況，為后續(xù)的節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能改造、運(yùn)營(yíng)管理等提供重要的指導(dǎo)[1]。

本文以某空調(diào)實(shí)驗(yàn)室為例，使用能耗模擬軟件 Ecotect Analysis對(duì)該空調(diào)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行建模，并對(duì)房間的區(qū)域?qū)傩?該建筑中人員的衣著、運(yùn)動(dòng)情況、工作時(shí)間表，室內(nèi)風(fēng)速、通風(fēng)情況、熱量得失情況、暖通空調(diào)情況等)進(jìn)行了設(shè)置，然后在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行熱工計(jì)算及能耗分析，分別給出西安最熱和最冷的一天的逐時(shí)溫度情況以及逐時(shí)熱量得失情況的熱環(huán)境分析。

2 BIM 技術(shù)及能耗模擬軟件 Ecotect Analysis

Building Information Modeling(BIM)即建筑信息模型。美國(guó)國(guó)家BIM 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其定義：“BIM是一個(gè)設(shè)施(建設(shè)項(xiàng)目)物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程；在項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)”[1]。

建立BIM模型常用的建筑能耗分析軟件主要有：EcotectAnalysis、IES、eQUEST、GBS、EnergyPlus、DOE-2等。本文的研究即是基于Ecotect Analysis建筑物理環(huán)境性能分析軟件進(jìn)行的能耗分析。

Autodesk Ecotect Analysis軟件是一款功能全面的可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，其中包含應(yīng)用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現(xiàn)有建筑和新建筑的設(shè)計(jì)性能。該軟件將在線能效、水耗及碳排放分析功能與桌面工具相集成，能夠可視化及仿真真實(shí)環(huán)境中的建筑性能[4-5]。該軟件很早就被引入中國(guó)市場(chǎng)，操作簡(jiǎn)單，界面圖形化程度高，運(yùn)算速度快，并且其運(yùn)算結(jié)果具有高度的圖形化效果，便于非專業(yè)化的設(shè)計(jì)人員迅速掌握。ECOTECT軟件在國(guó)內(nèi)已經(jīng)擁有大量用戶群，據(jù)調(diào)查，大部分設(shè)計(jì)建筑節(jié)能方面的國(guó)內(nèi)網(wǎng)站都有相應(yīng)的ECOTECT板塊。國(guó)內(nèi)的建筑設(shè)計(jì)人員也開(kāi)始在建筑設(shè)計(jì)階段采用ECOTECT軟件，這樣就能夠?qū)⒔ㄖ母黜?xiàng)物理參數(shù)與建筑的設(shè)計(jì)方案結(jié)合起來(lái)，在方案構(gòu)思階段就能根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行改進(jìn)。

3 使用Ecotect軟件對(duì)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行建模

使用Ecotect軟件完成對(duì)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室的模型建立，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的區(qū)域?qū)傩浴⑷藛T情況、材料情況?？照{(diào)系統(tǒng)種類、運(yùn)行時(shí)間以及溫度范圍等進(jìn)行設(shè)置，在此基礎(chǔ)上完成能耗仿真和分析。

3.1對(duì)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室的建模

如圖1所示為利用Ecotect軟件對(duì)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的立體建模。其中的大房間為辦公區(qū)域，靠近窗戶的3臺(tái)機(jī)柜是3個(gè)電腦。大房間內(nèi)的6個(gè)小房間是實(shí)驗(yàn)房間，房間墻面都屬于室內(nèi)墻，是“屋中屋”，沒(méi)有外墻，不會(huì)受到太陽(yáng)輻射熱影響。大房間旁邊的房間里面是該空調(diào)系統(tǒng)的水系統(tǒng)。該房間內(nèi)沒(méi)有人，不需要對(duì)房間溫度進(jìn)行控制。

圖1 空調(diào)實(shí)驗(yàn)室模型

為方便文章描述及模型的直觀效果更好，在軟件中將圖1中粗實(shí)線部分定義為Zone1區(qū)域，包括整個(gè)辦公區(qū)域和六個(gè)小實(shí)驗(yàn)房間。將圖1中虛線部分定義為Zone3區(qū)域，包括圖1中Zone 1區(qū)域北側(cè)的房間，即容納該空調(diào)系統(tǒng)水系統(tǒng)的房間。將圖1中的帶有數(shù)字1的實(shí)線部分定于為Roof Zone區(qū)域，包括圖1中Zone1區(qū)域和Zone3區(qū)域的屋頂部分。

3.2對(duì)模型進(jìn)行區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置

Ecotect中的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置就是對(duì)該建筑中人員的衣著、運(yùn)動(dòng)情況、工作時(shí)間表，室內(nèi)的風(fēng)速、通風(fēng)、熱量得失情況以及建筑物內(nèi)的暖通空調(diào)情況進(jìn)行設(shè)置。

圖2～4為Zone1區(qū)域的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置，Zone1區(qū)域在模型中是大房間，即有人辦公、活動(dòng)的區(qū)域。

圖2 房間的綜合設(shè)置

圖3 人員時(shí)間表

圖4 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間設(shè)置

圖2是區(qū)域?qū)傩曰驹O(shè)置，其中人員的服裝熱阻值為0.6，即人們穿著T恤和長(zhǎng)褲；在裝有空調(diào)的室內(nèi)，房間溫度為19～24℃、濕度為40%～60%時(shí)，感覺(jué)最適宜，因此這里將房間的濕度設(shè)置為60%；在辦公室環(huán)境下，要求室內(nèi)的風(fēng)速<1.5m/s(因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速>1.5m/s時(shí)會(huì)將桌子上的文件吹得翻頁(yè))，這里將室內(nèi)的風(fēng)速設(shè)置為0.5m/s；燈的照度設(shè)置為400lx，符合辦公桌或者工作室要求的照度；房間的占用情況設(shè)置為3個(gè)人，在房間內(nèi)做的事情是簡(jiǎn)單的辦公打字；內(nèi)部得失熱的情況及通風(fēng)率設(shè)置成系統(tǒng)默認(rèn)值。

圖3為人員時(shí)間表，該時(shí)間表是一個(gè)工作時(shí)間表，即每周一～周五為標(biāo)準(zhǔn)的工作日，8:00～18:00房間內(nèi)有人，周六、周日是標(biāo)準(zhǔn)的周末，房間內(nèi)無(wú)人。

圖4是熱屬性設(shè)置，選擇全空調(diào)系統(tǒng)，最低溫度設(shè)置為22℃，最高溫度設(shè)置為26℃。空調(diào)運(yùn)行時(shí)間是工作日的8:00～19:00。

這樣就完成了Zone1的區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置，即空調(diào)實(shí)驗(yàn)室的辦公區(qū)域。

4 熱工計(jì)算及能耗分析

建筑熱環(huán)境分析就是求解在室內(nèi)、外各種擾動(dòng)的作用下室內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)，其中外部擾動(dòng)主要是指室外各種氣候的影響因素，包括室外溫度、濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等；內(nèi)部擾動(dòng)主要是指室內(nèi)的設(shè)備、人員等影響因素，可以直接影響室內(nèi)熱環(huán)境。以下主要給出逐時(shí)溫度分析和逐時(shí)熱量得失情況。

4.1逐時(shí)溫度分析

通過(guò)對(duì)逐時(shí)溫度的模擬分析可知每個(gè)區(qū)域中某一天內(nèi)的逐時(shí)溫度變化情況以當(dāng)天某些室外氣象數(shù)據(jù)(比如室外溫度、太陽(yáng)輻射量、風(fēng)速等)為其主要影響因素。

圖5是熱環(huán)境分析后得到的西安全年中最熱的一天的每小時(shí)溫度情況。圖5下方三條虛線表示的是當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，實(shí)線表示的是空調(diào)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的環(huán)境溫度。圖5中的1號(hào)實(shí)線表示的是室外環(huán)境溫度，2號(hào)實(shí)線表示的是室內(nèi)環(huán)境溫度?？梢宰⒁獾剑瑥?:00開(kāi)始，室內(nèi)的環(huán)境溫度開(kāi)始下降到所設(shè)置的溫度范圍內(nèi)并且維持到18:00。在下午的18:00之后空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行，室內(nèi)溫度開(kāi)始上升。

圖5 西安最熱的一天逐時(shí)溫度情況

圖6是熱環(huán)境分析后得到的西安一年中最冷的一天。同樣，在空調(diào)運(yùn)行的時(shí)間范圍內(nèi)室內(nèi)的溫度能夠維持在所要求的溫度范圍內(nèi)(22～26℃之間)，其中曲線1所示為室內(nèi)溫度，曲線2為室外溫度。

圖6 西安最冷的一天逐時(shí)溫度情況

圖7 逐時(shí)熱量得失情況a

4.2逐時(shí)熱量得失情況

對(duì)于逐時(shí)熱量得失情況的分析，主要包含了得熱和失熱等與建筑能耗相關(guān)的逐時(shí)數(shù)據(jù)。圖7為逐時(shí)熱量得失分析圖，包含了圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的得失熱(Conduction)、逐時(shí)的空調(diào)采暖負(fù)荷(HVAV Load)、綜合溫度產(chǎn)生的熱量(Sol-Air)、太陽(yáng)直射輻射得熱(Direct Solar)、冷風(fēng)滲透得失熱(Ventilation)、內(nèi)部人員與設(shè)備得熱(Internal)、區(qū)域間得失熱(Inter-Zonal)七項(xiàng)內(nèi)容。

圖7所示是西安一年中最熱一天的分析數(shù)據(jù)。其中，曲線1是空調(diào)暖通系統(tǒng)得失熱的情況，從8:00～18:00，空調(diào)系統(tǒng)一直處于得到熱量并且基本趨勢(shì)是上升的情況，這是由于8:00空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，對(duì)房間起到制冷作用，空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)是得到熱量。圖7中8:00～9:00，空調(diào)系統(tǒng)得到的熱量呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)需要將房間溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定的范圍內(nèi)，空調(diào)是上升運(yùn)行的；9:00～12:00空調(diào)得熱曲線較為平穩(wěn)，這是因?yàn)樵缟系臏囟炔皇呛芨?，在房間溫度調(diào)節(jié)到設(shè)定范圍之后空調(diào)就保持平穩(wěn)運(yùn)行；12:00之后空調(diào)的得熱再呈上升趨勢(shì)是因?yàn)橄挛绲氖彝鉁囟冗_(dá)到一天中的高峰，空調(diào)系統(tǒng)又需要上升運(yùn)行才能夠使得室內(nèi)溫度維持在設(shè)定的范圍內(nèi)；在18:00之后空調(diào)的制冷停止，空調(diào)對(duì)外界的智能作用停止了，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)溫度還是低于外界溫度的，但空調(diào)系統(tǒng)得到的熱量開(kāi)始快速下降。

圖8為西安一年中最冷的一天的逐時(shí)得失熱的情況。與西安一年中最熱的一天對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在空調(diào)運(yùn)行時(shí)段，房間是得熱的，空調(diào)系統(tǒng)是失熱的，其中曲線1是空調(diào)系統(tǒng)的逐時(shí)熱量得失情況，曲線2是房間熱量得失情況。另外，在冬季，室內(nèi)的很多熱量都是通過(guò)傳導(dǎo)形式散出的，夏季則沒(méi)有這種情況，因?yàn)橄奶鞎r(shí)室外的溫度與室內(nèi)相差不是很多，室內(nèi)會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)形式得到熱量。

圖8 逐時(shí)熱量得失情況b

5 結(jié)束語(yǔ)

文中給出BIM技術(shù)的定義，并說(shuō)明了BIM的建模軟件和能耗分析軟件，采用Ecotect能耗分析軟件對(duì)某空調(diào)實(shí)驗(yàn)室建立了房間模型，并對(duì)房間的區(qū)域?qū)傩赃M(jìn)行了設(shè)置，。然后在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了熱工計(jì)算及能耗分析，分別給出西安最熱和最冷的一天逐時(shí)溫度情況以及逐時(shí)熱量得失情況的熱環(huán)境分析。試驗(yàn)表明，采用BIM技術(shù)的Ecotec能耗分析軟件能夠有效地對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全方位的能耗分析。

[1] 何關(guān)培,王軼群,應(yīng)宇墾.BIM 總論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[2] 李崢嶸,李浩翥,郁盛等.建筑能效當(dāng)量能耗方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(03):353-357.

[3] 李曉山.建筑能耗分析方法的研究與實(shí)例[J].節(jié)能,2012(04):34-37.

[4] 徐俊芳,田昕,江青文等.北京市住宅小區(qū)建筑全年能耗分析[J].節(jié)能技術(shù),2011(03):252-255.

[5] 首靈麗.基于 BIM 技術(shù)的建筑能耗模擬分析與傳統(tǒng)建筑能耗分析對(duì)比研究[D].重慶大學(xué)，2013.

SimulationandAnalysisofEnergyConsumptioninanAir-conditioningLaboratoryBasedonBIM

Wu Chunling / LiYang / Xie Meimei / Li Yongping / An Nuojing

A room model was set up for an air conditioning laboratory by using BIM energy consumption analysis software Ecotect Analysis, and the area properties of the room were set up too. Based on the model, thermal calculation and energy consumption analysis were carried out. The experiment shows that the Ecotect energy analysis software using BIM technology can analyze the energy consumption of the laboratory effectively.

BIM technology, energy consumption analysis, thermal calculation, modelling

巫春玲，工學(xué)博士，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要從事控制理論與控制工程以及建筑電氣與智能化的科研和教學(xué)工作；李 陽(yáng)，助理工程師，陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，研究方向主要為智能建筑；謝美美，碩士研究生，研究方向主要為建筑電氣及建筑電氣與智能化。