基于互聯(lián)網(wǎng)+BIM技術(shù)的綠色運維管理研究

王逸清，楊太華，王嘉麗，梅僅惠，范佳順

(上海電力大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200090)

1 引言

據(jù)統(tǒng)計，在我國諸多能源消耗領(lǐng)域中，建筑能耗是增長最快的領(lǐng)域之一(約占全國總能耗的30%)。目前，國內(nèi)建筑總面積約400億m2，其中耗能比較高的約占95%的面積，只有約12%制定了節(jié)能措施，而符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不到5%[1]。因此，降低能耗，發(fā)展綠色建筑至關(guān)重要。隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，“互聯(lián)網(wǎng)+”作為當(dāng)前一種新的社會經(jīng)濟形態(tài)，與建筑行業(yè)不斷相融合，有效地推動了建筑行業(yè)的發(fā)展。結(jié)合能耗分析軟件，將互聯(lián)網(wǎng)+BIM技術(shù)運用于建筑工程運維管理模式，可以模擬其運維階段能耗，并對其能耗數(shù)據(jù)進行匯總分析，從而提出有效建筑節(jié)能控制和管理方案。這不但與我國綠色建設(shè)政策發(fā)展高度貼合，同時又能夠給業(yè)主與物業(yè)帶來更多經(jīng)濟和社會層面的利益。本文將討論建筑運維階段，如何應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)+BIM技術(shù)收集建筑能耗情況，并展開解析，以探索運維階段耗能管控的有效方案。

2 互聯(lián)網(wǎng)+BIM理論及相關(guān)技術(shù)

BIM(Building Information modeling)是利用現(xiàn)代技術(shù)將建設(shè)工程全壽命周期各種信息進行集成，通過可視化仿真，協(xié)同設(shè)計、建造和優(yōu)化而建立的建筑模型系統(tǒng)技術(shù)[2]。它可以為建筑企業(yè)提供設(shè)計、施工、驗收、運維等全生命周期中一系列問題的解決方案，是建筑業(yè)信息化的又一次革命[3]，現(xiàn)已成為工程項目前期決策和后期運管的有效輔助工具，也是基礎(chǔ)設(shè)施全生命期應(yīng)用的必然趨勢。

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下BIM對建筑耗能的綠色運維管理以BIM技術(shù)為先導(dǎo)(圖1)，制作與建筑有關(guān)的三維立體模型，運用云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”對于大數(shù)據(jù)的存儲與分析能力建立數(shù)據(jù)庫，將經(jīng)過量化的BIM信息和運維設(shè)備數(shù)據(jù)進行收集、整合，并進行高效分析處理，根據(jù)分析結(jié)果對建筑的能耗進行合理調(diào)控，極大提高建筑全生命周期運維階段的管理效率，進一步降低了建筑能耗的浪費，實現(xiàn)綠色運維管理。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)+BIM綠色運維流程

在“互聯(lián)網(wǎng)+BIM技術(shù)中，三維建模軟件Revit是由Autodesk公司推出的操作系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于建設(shè)工程生命周期的三維信息模型仿真和分析，現(xiàn)已成為建筑設(shè)計師節(jié)能設(shè)計、建造和維護質(zhì)量的好幫手[4]。如：2010年深圳建成的萬科中心通過對BIM的應(yīng)用，使用建筑遮陽系統(tǒng)保證建筑室內(nèi)光線和溫度保持在最佳狀態(tài)；太陽能光伏板提供了建筑物所需電能總量的12.5%；智能照明系統(tǒng)配合節(jié)能燈具的使用，使萬科中心的照明能耗也比同類規(guī)模同類建筑減少30%左右。而在綠色建筑認(rèn)證方面，更加重視綠色建筑材料的使用和LEED鉑金級認(rèn)證，是國內(nèi)外少數(shù)獲得此項認(rèn)證的建筑物之一。

3 建筑能耗分析方法

在建筑能耗分析中，熱環(huán)境的影響較大，其主要原理是從室內(nèi)和室外兩個角度，對室內(nèi)所有的人員活動、設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量進行多方位測算、分析和優(yōu)選，以達到建筑節(jié)能的目的。其中用得比較多的是ECOTECT能耗模擬軟件，它可根據(jù)數(shù)據(jù)模擬進行建筑區(qū)域的溫度空間分析、舒適度指數(shù)分析、逐時溫度分析、得/失熱途經(jīng)分析、冷熱負(fù)荷分析、建筑圍護結(jié)構(gòu)得/失熱分析等，從而對建筑的熱學(xué)環(huán)境和能耗進行分析[5]。本文采用ECOTECT能耗模擬軟件通過預(yù)先設(shè)置好基礎(chǔ)參數(shù)，再選取典型的熱量活動區(qū)域計算熱量分析，得到日耗量的數(shù)據(jù)，以此來了解公共建筑的大致熱耗量，就所得熱環(huán)境分析對建筑進行綠色運維管理，達到降低能耗的目的。

4 熱環(huán)境實驗仿真模擬

4.1 建筑物樣本選擇

根據(jù)已有的研究[6]，我國很大一部分公共建筑的年耗電量呈現(xiàn)高密度集中，因此，本文將以上海虹橋某公共建筑(商業(yè)區(qū))為例進行研究。該項目總建筑面積約7945.02 m2，地上部分由3棟建筑物構(gòu)成，其中1號公共建筑共計3層，為了減少后期建模工作量，提高工作效率，結(jié)合能耗特點，選取了其中最具代表性的一個房間作為樣本，進行建筑能耗模擬，BIM模型如圖2所示。

圖2 公共建筑BIM模型

4.2 基礎(chǔ)環(huán)境參數(shù)設(shè)置

4.2.1 模型材質(zhì)參數(shù)設(shè)置

對公共建筑能耗模擬需要進行房間的熱環(huán)境模擬分析，提取房間模型導(dǎo)入ECOTECT中，根據(jù)設(shè)計施工要求設(shè)置房間墻體、窗戶、門、天花板等維護結(jié)構(gòu)的材質(zhì)，由于其材質(zhì)的傳熱系數(shù)不同，將影響房間與室外傳熱量的變化。

模擬外墻時，采用復(fù)合層材料以及絕熱性能良好的單一材料加以實施，在可能的條件下，外墻的復(fù)合層材料宜采用外部保溫技術(shù)。

模擬外窗時，面積不宜過大，主體建筑標(biāo)準(zhǔn)層的窗墻面積比不應(yīng)大于0.45，其中東、西向外窗的窗墻面積比不應(yīng)大于0.30，同一朝向的窗墻面積比傳熱系數(shù) r≤0.4k≤3.7。因此選擇單層鋁合金框窗較為合適。

模擬主體建筑的外門、房間門、分隔墻和樓板時，其傳熱系數(shù)K≤3.0 W/(m2·K)，選用中空外面是聚合板的材質(zhì)。

4.2.2 設(shè)置房間人員活動時間、密度、著裝等信息

模擬公共建筑一天內(nèi)人員流動性以及生活狀態(tài)。模擬人員著裝要求設(shè)置為短袖和體恤，平均人均占地面積4.5 m2，當(dāng)天空氣濕度設(shè)置為60%，空氣流速為0.5 m/s，照明水平為300lux，空氣變化速率為0.50，風(fēng)速為0.25/hr。

4.2.3 設(shè)置房間采暖通風(fēng)熱環(huán)境屬性等基本信息

系統(tǒng)類型設(shè)置為秋天，效率為95%。當(dāng)天最低溫度設(shè)置為18 ℃，最高溫度設(shè)置為26 ℃。如圖6所示，模擬了該公共建筑物一周的人流流動情況，工作日營業(yè)時間為9:00～23:00，休息日也為9:00～23:00。并且設(shè)置該公共建筑在工作日12:00～21:00為人流高峰期，休息日10:00～22:00為人流高峰期。

4.3 熱環(huán)境仿真模擬

按照模擬軟件，導(dǎo)入wea格式的上海虹橋氣象數(shù)據(jù)。這里假定對上海平均熱的一天進行模擬，即8月1日當(dāng)天的熱環(huán)境模擬。經(jīng)過計算可以得到一年中房間的外部溫度、內(nèi)部溫度、風(fēng)速、太陽輻射等信息。

4.3.1 逐時溫度模擬

通過建筑某一天內(nèi)逐時溫度變化，分析空調(diào)的溫控，同時也可以得到當(dāng)天的室外溫度、太陽輻射量、風(fēng)速等室外氣象數(shù)據(jù)。通過分析圖3中所得到的數(shù)據(jù)，可以看出：8月1日凌晨5點后隨著太陽升起太陽散射和太陽輻射增加導(dǎo)致房間內(nèi)溫度上升，中午達到最大值隨后下降，6點趨于0；9點以后隨空調(diào)的啟動導(dǎo)致區(qū)域溫度降低并維持在26 ℃左右。

4.3.2 被動組分得失熱模擬

該項模擬將逐日得失熱情況統(tǒng)計在同一張圖上，即圖4所展示的得失熱情況，并計算同一項內(nèi)容(包括了圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的得失熱、綜合溫度產(chǎn)生熱量、太陽直射輻射得熱、冷風(fēng)滲透得失熱、內(nèi)部人員與設(shè)備得熱、區(qū)域間得失熱)所占比例，通過分析可知影響室溫下降的主要因素為房間圍護結(jié)構(gòu)與室外產(chǎn)生熱傳遞導(dǎo)致的熱量損失，約占總體失熱量的55%；影響室溫上升的主要因素為內(nèi)部人員與設(shè)備得熱，約占總體得熱量的46%。

圖3 逐時溫度模擬

圖4 被動組分得失熱模擬

4.3.3 溫度分布模擬

該項模擬將一年中室內(nèi)外不同溫度分布統(tǒng)計到一張圖上(圖5)，可以直觀的看出溫度的每個度數(shù)在一年中存在的小時數(shù)。

4.3.4 圍護結(jié)構(gòu)得熱和失熱模擬

該項模擬可以得到房間圍護結(jié)構(gòu)每天具體的得失熱量，從圖6中可以直觀的看出房間夏季和冬季的得失熱量非常巨大，由此可見圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能還需要改善。

4.3.5 全年能耗模擬

圖7中，可以直觀地看出暖通空調(diào)在7、8月份冷負(fù)荷最多，耗能巨大；從12月份到來年的3月份熱負(fù)荷同樣也很大，由此可見該房間一年中有大部分時間需要通過暖通空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，因此可以推斷運維時空調(diào)合理的運行管理將對能耗節(jié)約產(chǎn)生巨大的改善。

圖5 溫度分布模擬

圖6 維護結(jié)構(gòu)得失熱模擬

圖7 建筑全年能耗模擬

5 建筑能耗模擬結(jié)果分析與綠色運維管理模式設(shè)計

5.1 建筑能耗模擬結(jié)果分析

通過對模擬數(shù)據(jù)的收集整理結(jié)合公共建筑實際室溫調(diào)節(jié)措施進行分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)影響室溫下降的主要因素為房間圍護結(jié)構(gòu)與室外產(chǎn)生熱傳遞導(dǎo)致的熱量損失，約占總體失熱量的55%。因此改善房間圍護結(jié)構(gòu)的保溫材料，降低傳熱系數(shù)以及加厚保溫層的厚度將有效減少房間內(nèi)部與外部的能量交換，從而減少能量損失。

(2)由于上海地區(qū)的夏季溫度較高，且持續(xù)時間較長，而冬季普遍又不使用暖氣等高效采暖措施，房間一年中有大部分時間需要通過暖通空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，暖通空調(diào)的耗能非常巨大，因此，運維時空調(diào)合理的運行管理將有效降低建筑能耗

(3)區(qū)間性得熱與失熱，隔壁房間的溫度對本房間的溫度也會產(chǎn)生一定的影響，在運維過程中也可以把這一因素考慮進去進而提高能量的利用率。

5.2 房屋建筑綠色運維管理模式設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)針對人流密集區(qū)域的公共場所，空調(diào)溫度一般都設(shè)置為基于室外攝氏溫度的相對固定值，并長時間保持運行狀態(tài)。研究過程中屢屢出現(xiàn)室內(nèi)人體感知溫度過高或者過低甚至是無需空調(diào)的現(xiàn)狀，僅僅基于室外攝氏溫度的相對固定值，不但不能提供人體感知的最舒適溫度而且還會造成了很大程度的資源浪費，因此，為了減少空調(diào)能耗、實現(xiàn)綠色建筑運維管控，提出了一套基于BIM技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)管理理念。

要實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的運行維護，主要是對空調(diào)系統(tǒng)進行有效的維護管理[7]。BIM技術(shù)具有操作可視化、信息完備、信息協(xié)調(diào)、信息互用等特點，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+的云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)支持便可以形成一套有效的空調(diào)系統(tǒng)管理模式。同步使用相關(guān)軟件對公共建筑熱環(huán)境進行模擬，基于所在地的氣候數(shù)據(jù)，分析不同方案的能源消耗、被動組分得失熱、維護結(jié)構(gòu)得失熱以及溫度分布等信息，可得到建筑溫度、能耗等數(shù)據(jù)的詳細(xì)預(yù)測變化值，然后比較選擇可得到最優(yōu)的節(jié)能改造方案。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+的云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)及時收集室內(nèi)實際溫度、能耗信息，可實時進行對比分析和動態(tài)調(diào)控，不斷優(yōu)化方案，從而達到綠色運維管理的目的。同時各項信息數(shù)據(jù)反饋給相關(guān)管理人員，起到對建筑空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控作用。

6 結(jié)語

本文通過對公共建筑的熱環(huán)境模擬，收集建筑溫度、能耗等詳細(xì)數(shù)據(jù)，分析了公共建筑耗能的主要影響因素。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，提出把BIM技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)結(jié)合到空調(diào)運行管理系統(tǒng)的理念，為有效降低建筑能耗、實現(xiàn)綠色建筑運維管理模式提供了新的路徑。此套運維管理模式能否得到推廣應(yīng)用，是否能夠取代傳統(tǒng)運維模式有待更深入的研究和實踐，但“互聯(lián)網(wǎng)+BIM”模式的創(chuàng)新將成為建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要引擎這一事實是毋庸置疑的，也必將推動綠色建筑發(fā)展和建筑工業(yè)化的實現(xiàn) 。