建筑碳排放預(yù)測(cè)信息集成技術(shù)研究

王豫婉WANG Yu-wan

（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所，北京 100835）

0 引言

已有研究基于建筑能耗監(jiān)測(cè)信息，用大數(shù)據(jù)分析方法，提出面向設(shè)計(jì)初期的建筑碳排放預(yù)測(cè)理論框架，從理論層面實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)建筑設(shè)計(jì)方案的全生命周期碳排放[1]。應(yīng)用BIM技術(shù)可建立涵蓋工程全生命周期的信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目各個(gè)階段、不同專(zhuān)業(yè)間信息集成和共享，為建筑碳排放預(yù)測(cè)提供全生命周期信息基礎(chǔ)[2]，但當(dāng)前BIM技術(shù)在低碳預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究不足，缺少可支持設(shè)計(jì)初期碳排放決策的BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)[3]。

1 建筑碳排放預(yù)測(cè)信息集成架構(gòu)

1.1 建筑碳排放預(yù)測(cè)信息需求分析

本節(jié)根據(jù)面向設(shè)計(jì)初期的建筑碳排放預(yù)測(cè)方法原理，分析建筑碳排放預(yù)測(cè)的信息需求，明確信息模型涵蓋的信息種類(lèi)，對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)集群。建筑碳排放預(yù)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)可分為四個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊的信息需求可通過(guò)CeData相應(yīng)的子信息模型實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目信息管理模塊既是建筑碳排放預(yù)測(cè)系統(tǒng)與BIM平臺(tái)信息交互的接口，也是建筑碳排放信息模型各子模型間信息流動(dòng)的核心；CeData_Pro需要滿(mǎn)足項(xiàng)目信息管理模塊在BIM環(huán)境中功能性、交互性、可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性的需求。熱工分析模塊可快捷高效地分析設(shè)計(jì)方案中復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)及遮陽(yáng)系數(shù)；CeData_Ther可為復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工分析提供信息：玻璃庫(kù)、填充氣體庫(kù)、環(huán)境邊界庫(kù)、玻璃體系庫(kù)、窗框材料庫(kù)、框體系庫(kù)、復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料庫(kù)和復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造庫(kù)。冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)建筑冷熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)；CeData_Mor需要滿(mǎn)足云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式、分析方法和更新方式，規(guī)范科學(xué)地存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)建筑的空間構(gòu)成、各層級(jí)建筑構(gòu)件的特征分類(lèi)，熱區(qū)逐時(shí)的室內(nèi)溫濕度信息、實(shí)時(shí)人員使用信息和分項(xiàng)能耗信息，并可生成建筑能耗指標(biāo)，作為建筑冷熱預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的樣本數(shù)據(jù)。碳排放預(yù)測(cè)模塊可預(yù)測(cè)建筑設(shè)計(jì)方案的全生命周期碳排放；CeData_Coe需提供：建筑材料碳排放因子庫(kù)、能源碳排放因子庫(kù)、施工工藝碳排放因子庫(kù)、建筑材料庫(kù)、建筑構(gòu)件庫(kù)、各省市標(biāo)準(zhǔn)年標(biāo)準(zhǔn)日氣候庫(kù)等。

1.2 建筑碳排放預(yù)測(cè)信息集成框架

CeData四個(gè)子模型信息有三種數(shù)據(jù)來(lái)源：項(xiàng)目信息子模型CeData_Pro可以通過(guò)BIM平臺(tái)建立并獲取，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工屬性等碳排放附加信息可與其它子模型關(guān)聯(lián)后填充；能耗監(jiān)測(cè)子模型CeData_Mor來(lái)自建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此可以通過(guò)數(shù)據(jù)交換接口連接到數(shù)據(jù)庫(kù)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；熱工分析子模型CeData_Ther與碳排放子模型CeData_Coe中主要以系統(tǒng)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)建筑構(gòu)件庫(kù)、建筑材料庫(kù)、LCA碳排放因子庫(kù)等補(bǔ)充數(shù)據(jù)庫(kù)，因此可通過(guò)程序調(diào)用本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

根據(jù)上述三種數(shù)據(jù)源特點(diǎn)，建筑碳排放預(yù)測(cè)系統(tǒng)信息集成框架如圖1所示。①通過(guò)BIM平臺(tái)建立建筑模型：以IFC文件為載體生成CeData_Pro，后續(xù)CeData_Pro中的更新信息亦可存于IFC文件中；②計(jì)算分析復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)：將建筑模型中復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何信息通過(guò)BIM平臺(tái)轉(zhuǎn)為DWG文件，導(dǎo)入熱工分析工具，通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)補(bǔ)充復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料種類(lèi)、屬性等信息，生成CeData_Ther，完成熱工分析后，將復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)分析結(jié)果返回CeData_Pro以供后續(xù)分析；③預(yù)測(cè)建筑冷熱負(fù)荷：從CeData_Pro中自動(dòng)提取當(dāng)前模型中用于冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)的參數(shù)并設(shè)置篩選條件，從建筑能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)CeData_Mor中選取相應(yīng)的訓(xùn)練模型，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)冷熱負(fù)荷；④預(yù)測(cè)建筑全生命周期碳排放：從Data_Pro中獲取建筑全生命周期碳排放預(yù)測(cè)所需信息，通過(guò)CeData_Coe自動(dòng)根據(jù)參考建筑填充缺損值，并補(bǔ)充LCA數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算建筑全生命周期碳排放。

圖1 建筑碳排放預(yù)測(cè)系統(tǒng)信息集成框架圖

2 建筑碳排放預(yù)測(cè)信息模型

2.1 項(xiàng)目信息子模型CeData_Pro

項(xiàng)目信息子模型CeData_Pro的信息模型如圖2所示，用以描述建筑空間、建筑構(gòu)件、暖通設(shè)備等對(duì)象及其關(guān)聯(lián)和屬性。CeData_Pro的建筑空間包括CeSite，CeBuilding，CeZone，CeRoom四個(gè)層級(jí)，各層級(jí)間依次通過(guò)CeReaggegate關(guān)聯(lián)。CeData_Pro中建筑構(gòu)件包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和暖通設(shè)備構(gòu)件。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)稱(chēng)為CeSurface，包括CeWall、CeFloor和CeRoof。對(duì)一特定CeZone，可通過(guò)CeBoundary關(guān)聯(lián)獲取構(gòu)成該空間的CeSurface，CeSurface可通過(guò) CeEmbed關(guān)聯(lián)獲取CeWindow。CeConstruction通過(guò) CeReaggegate關(guān)聯(lián)CeMaterial，以描述每層材料的性能。暖通設(shè)備構(gòu)件包括冷熱源對(duì)象CeEquip、運(yùn)送對(duì)象CeHydronic、照明對(duì)象CeLight和空氣循環(huán)對(duì)象CeAirLoop，每個(gè)暖通設(shè)備構(gòu)件均通過(guò)CeBelong關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)其所屬熱區(qū)對(duì)象CeZone。CeSchedule和CeConstruction為屬性對(duì)象，CeSchedule描述所屬空間對(duì)象CeZone暖通設(shè)備使用時(shí)間，CeConstruction描述所屬CeSurface的材料組成以及熱工性能等信息。

圖2 CeData_Pro信息結(jié)構(gòu)圖

CeData_Pro滿(mǎn)足IFC、gbXML等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一方面，可通過(guò)科學(xué)的信息融合和轉(zhuǎn)換機(jī)制，由上游信息模型（如IFC模型）生成CeData_Pro；另一方面，也使得CeData_Pro可供后續(xù)信息模型（如IFC模型或gbXML模型）融合轉(zhuǎn)換。

2.2 熱工分析子模型CeData_Ther

熱工分析子模型有玻璃體系模塊、框體系模塊、窗框體系模塊和圍護(hù)體系模塊組成。玻璃體系模塊可載入玻璃數(shù)據(jù)庫(kù)Glass、氣體數(shù)據(jù)庫(kù)Gases和環(huán)境邊界數(shù)據(jù)庫(kù)Bound，生成的玻璃體系的構(gòu)造及熱工屬性存至玻璃體系數(shù)據(jù)庫(kù)GlassSys中?？蝮w系模塊可載入窗框材料數(shù)據(jù)庫(kù)FrameSolid和FrameCavi，以及環(huán)境邊界數(shù)據(jù)庫(kù)Bound，將新生成的框體系構(gòu)造及熱工屬性存至框體系數(shù)據(jù)庫(kù)Frame中。窗框體系模塊中窗框體系由窗體系和框體系組合而成，該模塊可載入玻璃體系數(shù)據(jù)庫(kù)GlassSys和框體系數(shù)據(jù)庫(kù)Frame，并將新生成的窗框體系的構(gòu)造及傳熱系數(shù)存至窗框體系數(shù)據(jù)庫(kù)WindFrame中。圍護(hù)體系可載入圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫(kù)WallMat，并將新生成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)存至圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)WallConst中。

2.3 能耗監(jiān)測(cè)子模型CeData_Mor

CeData_Mor的信息結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括三個(gè)數(shù)據(jù)子庫(kù)：建筑模型子庫(kù)（BuildingInfo）、實(shí)時(shí)采集信息子庫(kù)（CollectionInfo）和建筑能耗指標(biāo)子庫(kù)（MonitorInfo）。其中，建筑信息子庫(kù)（BuildingInfo）主要存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)對(duì)象建筑的空間構(gòu)成、各層級(jí)建筑構(gòu)件的特征分類(lèi)等信息，是建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)科學(xué)檢索的核心子庫(kù)，也是建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息模型與BIM模型集成的關(guān)聯(lián)信息子庫(kù)。建筑實(shí)時(shí)采集信息子庫(kù)（MonitorInfo）主要存儲(chǔ)每個(gè)被監(jiān)測(cè)熱區(qū)逐時(shí)的室內(nèi)溫濕度信息、實(shí)時(shí)人員使用信息和分項(xiàng)能耗信息，是直接通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器及智能設(shè)備獲取的監(jiān)測(cè)值。建筑能耗指標(biāo)子庫(kù)（CollectionInfo）旨在將以熱區(qū)為單位的建筑能耗監(jiān)測(cè)信息整合為以建筑為單位的建筑能耗指標(biāo)，進(jìn)而作為建筑冷熱負(fù)荷預(yù)測(cè)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 CeData_Mor信息結(jié)構(gòu)圖

2.4 碳排放子模型CeData_Coe

碳排放子模型CeData_Coe信息結(jié)構(gòu)如圖4所示。System Data存放建筑碳排放預(yù)測(cè)所需的各類(lèi)對(duì)象屬性和分析參數(shù)，供設(shè)計(jì)人員選擇參考，Local Data存儲(chǔ)本項(xiàng)目選用的對(duì)象屬性和分析參數(shù)。System Data中存有材料性質(zhì)補(bǔ)充信息：建筑材料信息MaterialList、圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息ConstructionList、窗戶(hù)種類(lèi)信息WindowList，熱區(qū)使用參數(shù)信息：熱區(qū)標(biāo)準(zhǔn)日作息信息ScheduleDList、熱區(qū)標(biāo)準(zhǔn)年作息信息ScheduleYList、設(shè)備信息EquipList、熱區(qū)信息ZoneList，碳排放因子補(bǔ)充信息：能源碳排放系數(shù)EnergyCoe等子表。Local Data中存有設(shè)備LocalZoneList子表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造LocalConstructionList子表和窗戶(hù)種類(lèi)LocalWindowList子表。

圖4 CeData_Coe信息結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文研究了建筑碳排放預(yù)測(cè)信息集成技術(shù)，首先，根據(jù)建筑碳排放預(yù)測(cè)信息需求，提出建筑碳排放預(yù)測(cè)信息集成架構(gòu)；而后，建立集成的建筑碳排放預(yù)測(cè)信息模型CeData，并提出項(xiàng)目信息子模型CeData_Pro、熱工分析子模型CeData_Ther、能耗監(jiān)測(cè)子模型CeData_Mor和碳排放子模型CeData_Coe四個(gè)子模型的信息結(jié)構(gòu)。CeData基于IFC標(biāo)準(zhǔn)與gbXML數(shù)據(jù)格式，可在BIM環(huán)境中高效獲取和傳遞信息，為建筑碳排放預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)提供了信息基礎(chǔ)。