基于BIM平台的寒冷地区农村住宅热环境分析及节能研究

张连营，王 琳，王一甍

（1.天津大学管理与经济学部，天津 300072，E-mail：tjzly126@126.com；2.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401）

基于BIM平台的寒冷地区农村住宅热环境分析及节能研究

张连营1，王 琳1，王一甍2

（1.天津大学管理与经济学部，天津 300072，E-mail：tjzly126@126.com；2.河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401）

为研究我国寒冷地区农村住宅建筑的节能问题，在对影响农村住宅热环境因素分析的基础上，基于BIM平台进行建筑原型建模，并将该虚拟模型所包含的属性信息导入到相应的建筑能耗分析软件中，选取建筑物的最佳朝向，通过对寒冷地区不同围护结构形式的农村住宅进行能耗分析与对比，从而设计出最佳的节能保温住宅形式。该研究方法方便快捷，可操作性强，在对寒冷地区农村住宅的能耗分析和节能设计方面具有一定的应用价值。

BIM平台；农村住宅；寒冷地区；能耗分析

随着全面建设社会主义新农村政策的大力推进，近年来农村地区的经济发展步伐不断加快，生活水平不断提高，对农村住宅的结构和功能都提出了更高的要求，农村住宅的建筑形式也在不断地完善和发展。相比于以往的农村住宅，新的农村住宅更加注重室内热环境和住宅舒适度。我国北方大部分地区处于寒冷或者严寒地区，而随着人口数量的增长，以往旧的传统民居尤其在冬季供暖上，冬季热环境难以满足现代人的生活需求[1]。与此同时，从建筑节能环保的角度来说，由于建筑面积的增加以及居民对室内热环境改善的需求，农村建筑能耗在整个资源能耗中所占的比例也越来越大，农村建筑节能越来越受重视[2]。随着我国建筑节能工作的深入开展，农村地区住宅的节能降耗问题逐渐被提上日程，寒冷地区农村住宅的供热能耗更是占据了建筑总能耗的大部分比例，所以减少寒冷地区农村的住宅能耗对我国建筑节能至关重要。李金平[3]以甘肃省农村新型绿色建筑作为研究对象，指出新型农村建筑通过可再生能源满足其冬季取暖、日常生活热水、燃气等能源需求，实现节能减排，并且通过实例验证了新型农村绿色建筑的经济可行性。为实现农村建筑达到节能减排的目的，李伟杰对新农村绿色建筑在设计建造的过程中几个关键的注意事项给出可行性建议，为实现农村建筑的节能减排提供参考[4]。因此，在农村住宅的建设初期，通过合理规划，探索设计出满足当地气候地理条件、符合当地传统居住特点、并且室内热环境得到明显改善的节能建筑具有重要意义[5]。

1 我国寒冷地区农村建筑面临的室内热环境问题

1.1 住宅形式及室内热环境状况

我国北方寒冷地区农村住宅多以自建的单层平房或者瓦房作为主要的建筑形式，由于经济条件限制，农村地区缺少专业的施工队伍对建筑进行施工，以自建为主，由于水平所限，目前现有建筑主要以单层建筑居多，但是随着经济的发展，经济条件好的住户开始选择专业的施工队伍进行施工，同时为了满足住宅面积的需求，双层建筑开始逐渐兴起[4]，然而，由于农村建筑长期缺少统一的规划和设计，大多数建筑建造随意，而且单进深一层的平房目前仍然被广泛采用，这种房屋体形系数较大，对冬季的保暖极为不利[5]。

在住宅围护结构的选材方面，农村住宅的墙体主要分为砖墙、土墙、石墙三种形式，土墙和石墙主要存在于以往的老旧建筑中，目前现有建筑及新建住宅建筑以黏土砖墙为最主要的围护结构形式，砖墙厚度多为240mm，少部分为370mm，也有部分建筑为了冬季御寒将北侧墙厚度增加至370mm，其他面侧墙厚度为240mm。在外墙保温层的设置上，一般仅采用水泥砂浆饰面或者外贴瓷砖饰面，绝大多数墙体没有进行保温层的设置，墙体保温效果差，冬季热量散失较多[7，8]。

在门窗材质的选择上，农村住宅由以往传统的单层木窗向新建建筑采用的铝合金窗或塑钢窗的形式转变，大多数采用单层窗的形式，对于安装双层窗或者添加中空玻璃窗的形式则应用较少，陈旧的木质单层窗多存在老化变形问题，部分新建建筑采用的铝合金窗由于安装不够专业，导致窗缝隙密闭不严而影响整体气密性的问题[6，7，9]，同时部分住宅为提高室内采光，充分利用太阳光照，导致住宅建筑南向出现窗墙比过大的问题，造成大量的热量损失[10]。外门材质上目前主要以单层木门为主，但新建建筑逐渐开始使用塑钢门或者金属保温门，在冬季，一般住宅采用单层木质门的农村住户为减少室内热量损耗往往采取在门内添加棉质门帘或者在门外添加简易门斗的形式，以减少冷风渗透造成的热量损失[6，11]，但是依然难以保证舒适的室内温度。

在屋面的造型及材质选择上，农村建筑多以木屋架形式坡屋顶为主，新建的平屋顶主要采用现浇混凝土的结构形式，坡屋顶一般加设苇连、秸秆、黏土等保温材料，造价低廉并且容易就地取材，在农村使用较为广泛，但是由于很多住宅从经济条件角度考虑，未增设吊顶，或者未在吊顶上加设保温层[6，8，11]，所以保温效果不甚理想。

农村住宅能源消耗主要用于采暖与炊事，然而由于我国寒冷地区冬季时间较长，温度较低，为维持室内较为舒适的温度，需要较大的热量供给，因此采暖能耗占整个住宅能耗比例更大[12]。目前我国寒冷地区农村住宅采暖的主要方式以火炕、火墙为主，土暖气加热为辅，主要以煤和秸秆作为燃料，一火两用，既解决取暖问题又解决炊事问题，节能环保，但与此同时，由于住宅内整个室温较低，冬季活动受到限制，主要集中在火炕上[5，13]。对寒冷地区农村室内温度进行实际测试，测试结果表明：农村冬季在采暖的条件下室内平均温度仅为5.6℃，相对于城镇居民尽管农村居民有较强的环境适应能力，同时通过增加衣物来抵御寒冷低温，但是室内温度依然低于期望温度的下限，因此，寒冷地区农村室内热环境较为恶劣[14]。

1.2 影响农村住宅热环境的因素

我国北方地区农村建筑大多为农民个人设计、建造，缺少统一的规划，随意性大，施工水平和施工技术也较差，主要依据以往的建造经验。在农村住宅位置的选择和朝向上，一般选择坐北朝南[15]，尽管这种传统设计有利于接受光照，可以充分利用太阳能和提高室内采光，但是在设计过程中没有考虑合理地避开冬季季风，减少热量损耗。

同时，研究表明寒冷地区的住宅建筑物围护结构的热传导和冷风渗透是影响建筑物能耗的主要因素，围护结构的散热量可达到采暖能耗的1/3[16]，住宅的气密性差导致冷风渗透严重，进一步加剧了热量的散失。

王厚华等分析了屋面、窗户、遮阳以及外墙围护结构对建筑物能耗的影响后，指出在冬季取暖过程中，外墙的热工性能影响最为显著[17]。结合目前农村住宅围护结构采用的材质，墙体主要采用单一240mm或者370mm厚的砖墙，传热系数大，没有采取相应的保温设置，保温隔热效果差，热量损失严重，难以满足室内的保温需求[7，8]。

冬季供暖条件下，门窗是热量散失最为薄弱的部分。门窗的低传热性和高密封性以及合理的窗墙比对于提高住宅建筑的节能和室内具有重要作用[16]。然而目前农村主要采用的单层窗和木质门，传热系数往往不能达到热工要求，门窗由于年久失修变形，致使门窗的气密性差，冷热空气交换频繁，冷风渗透现象进一步加剧，能源大量浪费，室内温度依然不理想[18]。

屋面是承受气候要素最强的建筑构件，对建筑物的保温隔热起到更为重要的作用[16，19]。传统的坡屋顶做法，一定程度上地改善了室内热环境，但仍有改善提升的空间，需适当增加保温层的厚度，设置吊顶加设隔汽层等措施，形成空气隔层，实现冬暖夏凉，有效地提高室内热环境[8]。

2 基于Revit和Eoctect软件对农村住宅进行能耗分析

BIM（Building Information Modeling）在绿色建筑上的广泛应用已得到充分肯定[20]，在建筑节能设计方面，可以通过可视化的方式更加直观的得到建筑能耗分析的结果，较传统2D设计在协同设计、效率、可视度、经济性方面具有突出优势，但是针对农村住宅建筑能耗分析相对较少。以往建筑能耗的模拟，时间上存在一定的滞后性，一般在设计施工图之后进行能耗分析，一旦方案进行设计变更需要大量的更改和计算。同时在能耗模拟的过程中需要综合考虑气候特点、风速、风向、太阳辐射强度，以及建筑本身围护结构材质的影响等因素，因此，传统的计算方法存在计算繁琐、耗时长、准确度低等问题。相比于传统的分析方法，本文利用Revit进行建筑三维建模，将带有属性信息的模型导入到Ecotect能耗分析软件中，在能耗分析的过程中只需要输入相应的地理位置，更改不同围护结构材质，便可以方便快捷地得到整个建筑的能耗分析结果。鉴于目前我国寒冷地区农村住宅建筑现状，对农村住宅围护结构可以采取加保温层的方式进行处理。本文选取地处某寒冷地区的一处农村住宅进行设计、分析和研究。该地区处于我国河北省西北部，属于我国北方典型的寒冷气候区，因此选取该地区的农村建筑进行研究具有一定的代表性。

2.1 房屋最佳朝向的选择

根据《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824-2013）规定，寒冷地区的农村居住建筑选址布置应满足日照、采光、通风需求，在考虑冬季保暖的同时兼顾夏季的通风功能，朝向宜采用南北朝向或接近南北朝向，主要房屋应避开冬季的主导风向，同时窗墙比也应控制在规定范围内。

首先将对应地区的WEA文件导入到Weather tool软件中，可以根据需要对时间进行设置，选择该地区全年温度和年平均最冷的一天（1月4日）的气象条件进行分析。通过年内逐日温度变化范围，可以发现该地区在一月、二月、十二月平均气温均在-10℃左右，因此，该地区的农村住宅应做好冬季的供热保暖工作。同时，房屋朝向的选择上应尽量避开冬季的主导风向，以防热量散失较快，不利于冬季保暖。分析该地区的冬季风玫瑰图，可知冬季风的主导方向是西南方向，因此在房屋朝向的选择上应尽量避免西南朝向。图1为最佳朝向分析图，通过朝向分析可以判断建筑物的最佳朝向。对该地区各方位在全年最热月、最冷月和全年平均的太阳辐射量的分析，确定建筑的最优朝向为南偏东10°，满足规范上农村建筑物尽量接近南北朝向的要求，同时避开冬季的主导风向，因此选取该朝向作为建筑模型的朝向。

图1 最佳朝向分析图

2.2 建筑物的初期规划

为满足现代农村住宅需求，提高住宅舒适度和住宅面积的需求，该建筑物共计两层，建筑面积总计411.19m2（不含阳光间面积19.94m2）。如图2建筑三维模型所示，建筑共分为上下两层，建筑物朝向按照Weather tool软件选取的最佳朝向。为便于对比能耗分析，共设计三套农村住宅建筑，按照传统方式建造的民宅，围护结构采取保温措施后的住宅，以及在围护结构采取保温措施的基础上加设阳光间的住宅，建筑样式完全相同，但建筑围护结材质不同（如表1）。为降低成本坡屋顶采用木屋架坡屋面，住宅内部平面布置如图3、图4所示，建筑物窗墙比等均符合规范要求，满足当地的民俗特点和居住要求。

图2 农村建筑模型

2.3 建筑物能耗分析

根据规范对寒冷地区农村居住建筑的卧室主要功能房间，节能计算冬季室内热环境参数按照《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824-2013）选取如下：室内卧室温度取14℃；计算换气次数取0.5h-1。考虑到寒冷地区农村生活习惯，建筑内只采取相应的加热措施，没有空调制冷措施，对整个建筑物的耗能进行对比计算，对比传统建筑与采取保温措施建筑模拟一年的能耗，对每月能耗进行对比制成柱状图（见图5），可见耗能主要集中在冬季，传统建筑一年总能耗为89656 kw·h，采取保温措施建筑一年总能耗为42431 kw·h，在保温措施基础上加设阳光间年总耗能36898 kw·h。年单位平米能耗分别为218 kw·h/m2、103.2 kw·h/m2和89.7 kw·h/m2。对围护结构采取相应的保温措施后，建筑能耗明显降低，总能耗约减少52.6%，加设阳光间后可进一步降低能耗，总能耗可减少58.8%，可见围护结构形式对住宅能耗具有显著影响。

表1 围护结构材质及热工参数

图3 一层建筑平面示意图

图4 二层建筑平面示意图

图5 住宅月总耗能值对比

对住宅建筑一层卧室年耗能进行横向对比，传统建筑一层卧室、新型建筑不带阳光间卧室、新型建筑外搭设阳光间卧室进行模拟分析对比（见图6）。卧室在传统做法、增设保温结构和加设阳光间3种情况下年总能耗分别为4577.1 kw·h、2156.5 kw·h、1578.1kw·h；比传统建筑能耗可分别减少52.9%、63.4%。

图6 建筑物一层卧室逐月能耗对比

从对比分析图可以看出增加围护结构保温层设置，加强门窗的气密性可以有效地降低耗能，对比新型带阳光间的建筑和无阳光间的建筑不难看出由于农村建筑相对比较低矮，太阳能充足，因此在入口处设置阳光间可以有效缓冲门窗的热量渗透，保温效果好，同时阳光间对卧室热环境影响也更为显著，因此，设置阳光间可以进一步降低耗能。

3 结语

本文基于BIM平台对农村住宅建筑进行建模，通过为住宅建筑选择最佳朝向，并且对不同围护结构形式的住宅进行能耗模拟分析，计算出围护结构形式、材质以及加设阳光间对住宅建筑能耗的量化影响。在能耗计算的模拟上，通过呈现可视化数据模型，为方案决策提供数据支持，模拟仿真可作为前期规划设计的一个参考，极大地提高了工作效率。同时通过模型的导入，软件之间得到有效的衔接，降低了错误率，保证模型的精确性。

研究结果表明：在农村住宅的设计过程中创建包含全部建筑信息的虚拟模型，对能耗进行精确测算，通过能量分析结果设计出最佳的节能保温住宅，这对缓解我国的能源问题和生态建筑的普及具有极大的现实意义。由于没有大量对住宅实际施工后的能耗与模拟值进行对比，因此缺乏大样本的数据依据，后续的研究需要进一步完善这部分工作。

[1] 杨 柳，赵云兵．寒冷地区农村住宅冬季室内热环境研究[J]．建筑节能，2013（7）：2-7．

[2] 马 超，刘艳峰，王登甲．西北农村住宅建筑热工性能及节能策略分析[J]．西安建筑科技大学学报（自然科学版），2015，47（3）：427-432．

[3] 李金平，马思聪，刁荣丹，等．新型农村绿色建筑的构建与能耗分析[J]．中国沼气，2012，30（6）：28-32．

[4] 李伟杰．新农村发展绿色建筑的几个问题探讨[J]．安徽农业科学，2011，39（20）：12371-12372．

[5] 周茗如，龙利军，张豪杰．甘肃农村住房建筑节能技术探讨[J]．节能技术，2012，30（3）：262-265．

[6] 刘 晶，邹 瑜，宋 波．严寒和寒冷地区农村居住建筑现状调研与节能途径[J]．建筑科学，2012，28（12）：1-5．

[7] 高 倩，徐学东．北方寒冷地区农村住房节能现状分析与节能改造措施[J]．施工技术，2011，40（20）：98-101．

[8] 张耀军，崔千祥．山东农村民宅的热环境改进措施[J]．山东农业大学学报（自然科学版），2008，39（1）：69-72．

[9] 郑武幸，杨 柳，句德胜．寒冷地区既有居住建筑围护体系节能改造方案研究[J]．施工技术，2015（4）：107-110．

[10] 吴雅君，许 东，王雪英．锦州地区农村住宅现状及节能情况分析[J]．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010，29（2）：228-231．

[11] 李 骥，邹 瑜，刘 晶．严寒和寒冷地区农宅围护结构最优化参数及节能率研究[J]．建筑科学，2012，28（12）：6-9．

[12] Shan M，Wang P，Li J，et al．Energy and environment in Chinese rural buildings：Situations，challenges，and intervention strategies[J]．Building and Environment，2015，91：271-282．

[13] 金 虹，赵 华，王秀萍．严寒地区村镇住宅冬季室内热舒适环境研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2006，38（12）：2108-2111．

[14] 杨 柳，杨 茜，闫海燕．陕西关中农村冬季住宅室内热舒适调查研究[J]．西安建筑科技大学学报（自然科学版），2011，43（4）：551-556．

[15] 付 彬，崔艳东．浅析农村建筑现状及对策[J]．建筑工程技术与设计，2014（28）：11-11．

[16] 钱 坤，尹新生．寒冷地区绿色建筑节能构造分析[J]．建筑节能，2009，37（8）：44-47．

[17] 王厚华，庄燕燕，吴伟伟．夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分析[J]．同济大学学报（自然科学版），2010，38（11）：1641-1646，1700．

[18] 邹惠芬，王国业，郭立杰．严寒地区窗户热工性能对建筑能耗的影响分析[J]．沈阳建筑大学学报（自然科学版），2009，25（5）：982-986．

[19] 葛翠玉，屈万英．寒冷地区村镇住宅围护结构的节能改造设计[J]．住宅科技，2008，28（3）：6-11．

[20] Bonenberg W，Wei X．Green BIM in Sustainable Infrastructure[J]．Procedia Manufacturing，2015（3）：1654-1659．

Thermal Environment Analysis and Energy Conservation Research of Rural Residence in Cold Regions Based on BIM Platform

ZHANG Lian-ying1，WANG Lin1，WANG Yi-meng2
（1. College of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin 300072，China，E-mail：tjzly126@126.com；2. School of Achitecture & Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

In order to study the issue of rural residential energy consumption in cold regions，we modeled an architecture prototype based on BIM platform according to the affecting factors of rural residential thermal environment，and imported the virtual model which contains building information into energy analysis tools and chose the appropriate building orientation. By analyzing the energy consumption of the residential buildings with different enclosure structure forms，we designed the optimal energy-saving residence form. There is a certain application value of this method for researching the energy consumption and energy-saving design for the rural residence in cold regions.

BIM platform；rural residential；cold regions；energy consumption analysis

TU17

A

1674-8859（2016）06-061-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.06.012

张连营（1965-），男，教授，博士生导师，研究方向：基于BIM支持的IPD项目交付模式，项目知识治理等；

王 琳（1988-），男，硕士研究生，研究方向：基于BIM绿色建筑；

王一甍（1990-），男，硕士研究生，研究方向：建筑设计及其理论。

2016-05-16．

国家科技支撑计划课题（2013BAL01B02）．