基于BIM技術(shù)的高校教學(xué)建筑能耗仿真及節(jié)能改造*

巫春玲,任 凱,田一凡,周 潛,夏 宇

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引 言

在高校公共建筑中,教學(xué)建筑作為高校建筑中數(shù)量最多、使用頻率最高的公共建筑的代表,其存在著建筑能源消耗巨大、缺乏節(jié)能設(shè)計(jì)和建筑能源利用率低等不可忽視的問(wèn)題[1-7]。教學(xué)建筑為了維持正常的運(yùn)行,往往需要消耗大量的能源,從而導(dǎo)致高校資金和能源的浪費(fèi)。因此,對(duì)一些老舊的、能耗大、能源利用率低的教學(xué)建筑急需進(jìn)行節(jié)能改造[8-9]。

本文以教學(xué)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究為出發(fā)點(diǎn),利用BIM技術(shù)對(duì)其建立模型,并進(jìn)行能耗模擬分析,闡述教學(xué)建筑在節(jié)能方面存在的問(wèn)題,提出適用于高校教學(xué)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)策略[10-11]。

1 BIM模型建立

1.1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)鴻遠(yuǎn)教學(xué)樓位于陜西省西安市未央?yún)^(qū),建于2012年,為5層的綜合型教學(xué)樓。該建筑一區(qū)和二區(qū)的總建筑面積14 338 m2,建筑高度約22.5 m。

1.2 BIM核心模型建立

該建筑模型的主要教學(xué)建筑分為一區(qū)和二區(qū),在樓層平面繪制軸網(wǎng),完成軸網(wǎng)繪制后對(duì)其進(jìn)行編號(hào),完成之后便可對(duì)建筑主體進(jìn)行繪制。軸網(wǎng)繪制完成以后,在建筑面板上選擇創(chuàng)建的“墻”、“門(mén)”、“窗”、“柱”以及“樓板”等建筑構(gòu)件,繪制墻體和樓板,并在墻體合適的位置插入門(mén)和窗,完成建筑模型的主體部分。長(zhǎng)安大學(xué)鴻遠(yuǎn)樓平面圖如圖1所示。長(zhǎng)安大學(xué)鴻遠(yuǎn)樓Revit模型圖如圖2所示。

圖1 長(zhǎng)安大學(xué)鴻遠(yuǎn)樓平面圖

圖2 長(zhǎng)安大學(xué)鴻遠(yuǎn)樓Revit模型圖

2 鴻遠(yuǎn)教學(xué)樓能耗分析計(jì)算

2.1 建筑模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

能耗分析軟件Ecotect主要功能是支持熱工分析、采光分析、風(fēng)環(huán)境分析、日照分析以及眩光分析等建筑光熱風(fēng)環(huán)境的計(jì)算分析。

建筑模型是在軟件Revit中建立,其默認(rèn)文件格式為RVT文件,而RVT文件不能在軟件Ecotect中直接打開(kāi)使用,因此需要對(duì)其進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換。建筑模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換界面如圖3所示[12]。

圖3 建筑模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換界面

2.2 熱工計(jì)算及能耗分析

2.2.1 屬性參數(shù)設(shè)置

為方便對(duì)目標(biāo)建筑進(jìn)行能耗模擬分析,以鴻遠(yuǎn)樓1F為目標(biāo)建筑對(duì)其進(jìn)行能耗模擬分析計(jì)算。

為了展示建筑能耗在選材方面有較大的節(jié)能空間,將建筑選取兩種不同的材質(zhì)以便進(jìn)行分析比較[6]。方案一選材為鴻遠(yuǎn)樓現(xiàn)用的普通非節(jié)能選材,在保溫性能方面較差,受外界溫度變化的影響較大,需要消耗額外的能源來(lái)維持室內(nèi)溫度的恒定。方案二選用在導(dǎo)熱系數(shù)(主要影響因素)、準(zhǔn)入系數(shù)、太陽(yáng)吸收率、熱衰減系數(shù)、熱滯后等方面性能更為突出材料。兩種選材方案對(duì)比如表1所示。兩種選材方案的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比如表2所示。

表1 兩種選材方案比較

表2 兩種選材方案的材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

材料導(dǎo)熱系數(shù)越小,其保溫隔熱性能越好。從表2可以看出,方案一選用的建筑構(gòu)件材料的導(dǎo)熱系數(shù)都要比方案二選用的建筑構(gòu)件材料的導(dǎo)熱系數(shù)要大,說(shuō)明方案二選用的建筑構(gòu)件材料更符合節(jié)能保溫材料的要求。

首先,對(duì)建筑內(nèi)熱舒適性區(qū)域環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。熱工分析區(qū)域管理一般設(shè)定界面如圖4所示。

圖4 熱工分析區(qū)域管理一般設(shè)定界面

在建筑內(nèi)熱舒適性區(qū)域環(huán)境的參數(shù)設(shè)定中,將室內(nèi)人員的衣著設(shè)置為短袖和T恤,其熱阻值為0.4。其室內(nèi)相對(duì)濕度為60%,風(fēng)速為0.30 m/s,照度水平為400 lx。

在室內(nèi)人員和設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)設(shè)定中,根據(jù)典型的辦公區(qū)域人均占有面積為12 m2,可計(jì)算出該教學(xué)樓1F各個(gè)房間可容納的人數(shù)?！癝edentaty—65W”選項(xiàng)是根據(jù)建筑內(nèi)人員不同的工作行為來(lái)確定人的平均生物熱功率,通常情況下在教學(xué)樓學(xué)習(xí)的人平均生物熱功率是65 W。根據(jù)室內(nèi)單位面積照明和設(shè)備負(fù)荷參數(shù),顯熱得熱數(shù)據(jù)為5 W/m2,潛熱得熱為2 W/m2。按照建筑內(nèi)部使用氣密性,空氣交換率設(shè)置為0.5 ach,環(huán)境附加換氣率為0.25 ach[12]。

“時(shí)間表”選項(xiàng)是根據(jù)人員在建筑內(nèi)活動(dòng)的時(shí)間和規(guī)律來(lái)進(jìn)行設(shè)定的。通過(guò)觀察在不同的時(shí)間段室內(nèi)的人數(shù)來(lái)確定各個(gè)時(shí)間的曲線節(jié)點(diǎn)。教學(xué)樓1F熱工分析計(jì)算時(shí)間表如圖5所示。

圖5 教學(xué)樓1F熱工分析計(jì)算時(shí)間表

其次,對(duì)建筑的熱環(huán)境屬性進(jìn)行設(shè)定。假設(shè)該教學(xué)樓全部教室都配有空調(diào)采暖措施,將采暖與供冷系統(tǒng)設(shè)置為全空調(diào)系統(tǒng),工作效率為95%。根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能規(guī)范設(shè)計(jì)》[2]中規(guī)定,采暖日室內(nèi)溫度按照18 ℃,舒適度溫度在18～26 ℃區(qū)間,因此將空調(diào)的舒適度范圍調(diào)整為18～26 ℃,考慮到周末也有部分同學(xué)在教學(xué)樓內(nèi)學(xué)習(xí),教學(xué)樓采暖與供冷系統(tǒng)在周末的運(yùn)行時(shí)間與工作日相同(8∶00～22∶00)。采暖與供冷系統(tǒng)的設(shè)置如圖6所示。

圖6 采暖與供冷系統(tǒng)的設(shè)置

2.2.2 逐時(shí)溫度分析

在溫度分析的控制面板中,以建筑物全年中最冷的一天為研究對(duì)象進(jìn)行模擬分析,可得到該教學(xué)樓1F一年365天溫度的變化分析圖。方案一選材的逐時(shí)溫度曲線如圖7所示。方案二選材的逐時(shí)溫度曲線如圖8所示。

圖7 方案一選材的逐時(shí)溫度曲線

圖8 方案二選材的逐時(shí)溫度曲線

圖7中,1號(hào)房間代表教學(xué)樓1F其中一個(gè)教室,曲線代表該教室在一年中最冷一天的溫度變化;2號(hào)房間代表教學(xué)樓1F其中一個(gè)教室,曲線代表該教室在一年中最冷一天的溫度變化;3號(hào)房間代表教學(xué)樓1F其中一個(gè)廁所,曲線代表該廁所在一年中最冷一天的溫度變化;4號(hào)房間代表教學(xué)樓1F其中一個(gè)樓梯間,曲線代表該樓梯間在一年中最冷的一天的溫度變化。

將圖7與圖8的溫度曲線作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)圖7和圖8中室內(nèi)溫度變化都隨室外的溫度升高而升高,降低而降低,但整體上室內(nèi)的溫度都基本保持恒定。圖7中4個(gè)房間的室內(nèi)溫度都維持在-3 ℃,與室外0∶00～10∶00的溫度(-7 ℃)僅相差4 ℃,甚至比室外12∶00～20∶00中的最高溫度5 ℃還要低8 ℃;圖8中4個(gè)房間的室內(nèi)溫度都維持在0 ℃,比室外0∶00～10∶00的溫度(-7 ℃)高7 ℃,且4個(gè)房間的室內(nèi)溫度在大部分時(shí)間段都高于或等于室外溫度,說(shuō)明方案二選材建筑的保溫性能更好,所需的能耗更低。

2.2.3 逐月能耗分析

方案一選材、方案二選材的逐月能耗分別如圖9、圖10所示。由圖9和圖10可以很直觀地看出建筑物每個(gè)月制冷和制熱所需的能耗,也可以進(jìn)行逐月能耗的對(duì)比。

圖9 方案一選材的逐月能耗

圖10 方案二選材的逐月能耗

兩種選材逐月能耗數(shù)據(jù)對(duì)比分別如表3所示。

表3 兩種選材逐月能耗數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3可看出,在方案一普通非節(jié)能選材下,教學(xué)樓1F一年的供熱負(fù)荷為235 790 888 Wh,制冷負(fù)荷為90 435 129 Wh,全年能耗總負(fù)荷為326 226 017 Wh;在方案二節(jié)能選材下,教學(xué)樓1F一年的供熱負(fù)荷為165 312 259 Wh,制冷負(fù)荷為89 273 350 Wh,全年能耗總負(fù)荷為254 585 609 Wh,1F全年單位面積內(nèi)累計(jì)供熱負(fù)荷為11 529 Wh/m2,累計(jì)制冷負(fù)荷為6 226 Wh/m2。

鴻遠(yuǎn)樓為5層標(biāo)準(zhǔn)建筑,因此可以推算,在方案一普通非節(jié)能選材下,整棟建筑一年供熱負(fù)荷為1 178 954 440 Wh,制冷負(fù)荷為452 175 645 Wh,全年能耗總負(fù)荷為1 631 130 085 Wh,全年單位面積內(nèi)累計(jì)供熱負(fù)荷為82 225 Wh/m2,累計(jì)制冷負(fù)荷為31 535 Wh/m2;在方案二節(jié)能選材下,整棟建筑一年供熱負(fù)荷為826 561 295 Wh,制冷負(fù)荷為446 366 750 Wh,全年能耗總負(fù)荷為1 272 928 045 Wh,全年單位面積內(nèi)累計(jì)供熱負(fù)荷為57 645 Wh/m2,累計(jì)制冷負(fù)荷為31 130 Wh/m2。

根據(jù)GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》[3],陜西省西安市民用建筑的年單位面積耗熱量指標(biāo)約束值為0.21 GJ/(m2·a),換算成熱能耗負(fù)荷值為58 333 Wh/m2。從表3可知,在方案一普通非節(jié)能選材下,教學(xué)樓建筑全年單位面積累計(jì)熱負(fù)荷為82 225 Wh/m2,其值遠(yuǎn)超過(guò)西安市建筑耗熱量指標(biāo)的約束值;在方案二節(jié)能選材下,教學(xué)樓建筑全年單位面積累計(jì)熱負(fù)荷為57 645 Wh/m2,其值雖未超過(guò)西安市建筑耗熱量指標(biāo)的約束值,但與約束值很相近,可以通過(guò)其他節(jié)能措施進(jìn)一步減少建筑的能耗。因此在實(shí)際運(yùn)用中,應(yīng)盡可能地選擇綠色節(jié)能的建筑材質(zhì)。

2.2.4 熱負(fù)荷分布分析

為了清楚直觀地了解到建筑在不同途徑中得失熱情況,從而了解影響建筑得失熱的主要方面,需進(jìn)一步改善其性能和優(yōu)化其設(shè)計(jì),從而達(dá)到建筑節(jié)能的目的。

兩種選材的失熱分布如圖11所示。兩種選材的得熱分布如圖12所示。

從圖11、圖12可看出,方案一選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比高達(dá)74.50%,而方案二選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比為48.10%,說(shuō)明方案二選材的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性更好;方案一選材的建筑受太陽(yáng)光照射獲得的熱量達(dá)到51.10%,而方案二選材的建筑受太陽(yáng)光照射獲得的熱量?jī)H為21.70%,說(shuō)明方案二選材的建筑隔熱性能更好;方案一選材的建筑從房間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行和人員活動(dòng)獲得的熱量?jī)H占13.50%,而方案二選材的建筑從房間內(nèi)設(shè)備運(yùn)行和人員活動(dòng)獲得的熱量高達(dá)56.40%,說(shuō)明方案一選材的建筑蓄熱性能和門(mén)窗的氣密性都較差,相比于方案一選材,方案二選材的建筑在蓄熱和門(mén)窗的氣密性方面都表現(xiàn)良好。

圖11 兩種選材的失熱分布

圖12 兩種選材的得熱分布

通過(guò)對(duì)教學(xué)樓1F進(jìn)行熱量損耗與獲取途徑進(jìn)行分析,可以獲得建筑物不同構(gòu)件的能耗得失的詳細(xì)情況,對(duì)建筑物能源消耗影響最大的是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為了盡可能降低建筑能耗,應(yīng)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的熱工性能進(jìn)行深入了解,這樣對(duì)建筑物的材料選擇、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采暖空調(diào)系統(tǒng)的選擇提供參考依據(jù)。

2.3 光環(huán)境分析

教學(xué)建筑照明系統(tǒng)所消耗的能源為教學(xué)建筑總能耗的第2位,因此為了減少人工照明所消耗的能源,必須合理地利用自然采光。自然光利用率越高,所需要的人工照明越少,從而減少高校在人工照明方面所投入的資金,這對(duì)于降低建筑總能耗、提高能源利用率、實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能要求起著十分重要的作用[5]。

GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]中將全國(guó)劃分為5個(gè)光氣候分區(qū),其中西安屬于Ⅳ區(qū)。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:教育建筑普通教室的采光不應(yīng)低于Ⅲ級(jí)采光標(biāo)準(zhǔn)值,側(cè)面的采光系數(shù)不應(yīng)低于3%,室內(nèi)天然光照度不應(yīng)低于450 lx。教育建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)值如表4所示。

表4 教育建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)值

為了使教學(xué)樓1F需要人工照明的地方降到最低,需要對(duì)1F的自然采光進(jìn)行分析。為了使模擬的采光數(shù)據(jù)更加精確,分別對(duì)教學(xué)樓一區(qū)和二區(qū)進(jìn)行采光模擬分析。

在采光分析的控制面板中,選擇CIE全陰天的天氣條件對(duì)教學(xué)樓1F進(jìn)行采光模擬分析,這是為了模擬最差天氣環(huán)境中的室內(nèi)采光條件,得出自然采光模擬結(jié)果。教學(xué)樓1F一區(qū)和二區(qū)采光系數(shù)如表5所示。

由表5可知,自然采光條件下,教學(xué)樓1F一區(qū)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值在3%以上的面積為65.29%,二區(qū)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值在3%以上的面積為58.31%。不管是一區(qū)還是二區(qū),其室內(nèi)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值低于3%的面積約為40%,說(shuō)明在自然采光條件,教學(xué)樓中有較多教室的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),而這些房間需要人工照明來(lái)滿足照度要求,導(dǎo)致建筑過(guò)多的能源消耗。因此,在對(duì)建筑設(shè)計(jì)初期,應(yīng)充分考慮建筑的窗地面積比,盡可能利用天然光使建筑房間內(nèi)的采光系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值,從而減少人工照明,降低照明所需的能耗。

表5 教學(xué)樓1F一區(qū)和二區(qū)采光系數(shù)

為了進(jìn)一步比較自然采光和人工照明對(duì)教學(xué)樓室內(nèi)采光照度的影響,對(duì)一區(qū)進(jìn)行自然采光和人工照明性能進(jìn)行比較分析,通過(guò)采光照度清楚直觀展示自然采光和人工照明對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響。一區(qū)自然采光照度和全局照度數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 一區(qū)自然采光照度和全局照度數(shù)據(jù)

由表6可知,在自然采光照度下鴻遠(yuǎn)樓室內(nèi)照度達(dá)到450 lx以上的區(qū)域?yàn)?4.64%,在相同條件下啟動(dòng)人工照明,在全局照度下鴻遠(yuǎn)樓室內(nèi)照度達(dá)到450 lx以上的區(qū)域?yàn)?7.64%。由此可知,鴻遠(yuǎn)樓僅在自然采光的條件下其室內(nèi)50%以上區(qū)域的照度都達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明該建筑自然采光利用率低,也反映該建筑窗地面積占比小,需要進(jìn)行人工照明,加大了建筑照明系統(tǒng)的能源消耗。而在全局照度下也有50%以上的區(qū)域的照度沒(méi)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明利用人工照明來(lái)滿足室內(nèi)照度要求將要消耗大量的能源和資金。因此,盡可能地利用自然采光,才能使建筑照明所需能耗大大降低。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)目標(biāo)建筑長(zhǎng)安大學(xué)鴻遠(yuǎn)樓的Revit項(xiàng)目模型的建立,運(yùn)用Ecotect模擬軟件對(duì)建筑進(jìn)行模擬分析。通過(guò)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用兩種不同的材質(zhì),對(duì)其能耗仿真比較,發(fā)現(xiàn)建筑現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不足,提出了較為節(jié)能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選材方案,證明能耗仿真可以為建筑的節(jié)能改造提供一定的依據(jù),為了實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能,可以選用方案二的建筑選材;通過(guò)對(duì)建筑光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境的模擬分析,發(fā)現(xiàn)其采光設(shè)計(jì)和室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的不足,基于其模擬分析結(jié)果提出優(yōu)化建議。證明了教學(xué)建筑在節(jié)能方面具有較大的潛在空間。