基于BIM技术的建筑能耗模拟分析——以陕南农村建筑为例

陈 婕

(陕西理工大学 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 723000)

建筑能耗模拟产生于20世纪90年代，之后由于计算机技术的发展，使得建筑环境模拟得以实现。国外以欧美为代表，开发了很多能耗模拟软件，如BLAST、DOE-2、ESP-r等[1]，这些软件均各有特点。建筑全能耗分析软件的计算方法一般是基于动态的环境，为了保证计算结果的准确性，软件需要室外逐时的气象数据或典型气象年的数据，而且需要尽可能详细的热工性能数据[2]。之前的开发软件有些需要手动输入数据，有些需要编程，对使用者来说不易上手操作。全新的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)包含了建筑能耗模拟分析的基础及室外的气象数据与建筑详细的热工数据，为建筑进行冷热负荷能耗模拟提供了有力的技术支持。运用BIM技术是实现建筑节能设计和优化设计的重要手段，也是未来建筑节能设计的发展方向[3]。

目前，我国城市建筑执行的相关节能设计标准，使建筑能耗显著降低，并且室内热环境质量明显提高。由于农村建筑多为居民自行建造，缺乏科学设计，因此，存在着围护结构热工性能差、能耗高、室内热环境不舒适等问题[4]。《GB/T 50824—2013农村居住建筑节能设计标准》2013年5月1日实施，旨在指导农村建筑节能工作，但是农村建筑的能耗一直居高不下。理论上建筑能耗受到建筑围护结构的改变、照明、采暖、空调等多方面的影响，以往很多建筑能耗的研究工作着眼于建筑能耗与照明、采暖、空调的消耗，通过调查问卷、统计等方法进行的。本文以陕南农村建筑的围护结构为研究对象，基于实地调查结果，对建筑物提供两种不同围护结构方案，并在BIM软件中进行详细的能耗分类模拟计算，以期为陕南及夏热冬冷地区的农村建筑设计提供参考。

1 实际调研

由于特殊的地形、气候、经济条件和生活习惯，陕南地区农村住宅多采用无院式[5]。为研究该地区农村住宅围护结构与能耗之间的关联，本文选取典型的传统砖混农宅为研究对象，进行能耗模拟分析。

1.1 实际调研概述

图1 砖混建筑平面图

调研地点为汉中市勉县村镇，实际对象是砖混结构农宅，房屋结构平面CAD图如图1所示。砖混农宅为一层住宅，建于20世纪90年代末期，平面形式成一字型，3个开间，中间为堂屋，联系左右客厅、卧室等主要房间。厨房、厕所、猪圈等依附主体建筑，搭建在房屋周围。墙体主要建筑材料为红色实心粘土砖与钢筋混凝土，在建筑安全性方面有所提高(有钢筋圈梁，可抵御地震、泥石流等灾害)，功能性(满足较多的功能分区要求，例如厨房与厕所与主体建筑有一定距离)及舒适性(与生土建筑相比，屋顶为钢筋混凝土预制板无漏雨现象，地面为找平水泥地)等方面。

1.2 测试结果及分析

由于空间内外的空气温湿度与建筑的围护结构有着密切的关系，本课题组于2018年7月对当地典型农村住宅采用testo174H型温湿度自动记录仪进行主要房间室内外温湿度24 h监测，结果如图2和图3所示。室外温度波动较大，尤其夜间室外温度降低，室内由于有围护结构夜间散热，使得温度波动相对较小。该地区夏季的室外湿度在70%～90%之间波动，砖混农宅室内的相对湿度峰值达到85%，比室外相对湿度峰值低。该砖混农宅室内温度波动较小，温度降幅不大，室内温度偏高，不在舒适温度范围内。室内相对湿度偏大，房间偏潮湿。

图2 砖混室内测点空气温度曲线(夏) 图3 砖混室内测点空气湿度曲线(夏)

汉中属于冬冷夏热地区，建筑材料一般就地取材，建筑成本较低。从图4可以看出：勉县农村房屋的墙体主要材料大多数都是烧结粘土砖(约占总数的70%)，其他以生土为主(约占总数的27%)；墙体材料使用种类的不同充分反映所属地区的环境以及经济状况，如村镇经济较好的墙体主要材料为烧结粘土砖，山区由于地理和经济条件比较恶劣，墙体材料中生土、木、竹所占比重较大(约占总数的37.5%)。

1.3 构造换置模拟

对已建成投入使用的建筑来说，更换围护结构很难实现，而BIM软件提供了模拟建筑中围护结构构件的多样选择，进而对不同方案的建筑模型进行冷热负荷能耗模拟。根据图1砖混建筑平面图，在BIM中的Ecotect(绿色建筑分析软件之一)建立同尺寸的模型，并对于模型里屋顶、外墙、外窗、地面、天花、门等各个构件赋予设计构造A。构造A是调研砖混建筑实际各个构件，各个构件构造详情与传热系数如表1所示，图5为各构件的构造详图。构造B是选取规范里的构造限值[6]，在软件中赋予模型。软件对A、B两栋模拟建筑物进行具体的热工性能分析，进一步进行能耗模拟计算。

图4 勉县村镇住宅墙体主要材料统计图

表1 建筑A、B构造对比及材料参数

图5 建筑构件的构造详图

2 能耗模拟

2.1 模拟计算条件

过去建筑能耗的研究工作是通过调查问卷、统计等方法进行的，单栋建筑能耗通过能源消耗(电、水、经济方面的消耗)来表示，对于建筑本身的能耗变化研究意义不大。由于受到室外气象因素及建筑围护结构热工性能的影响，建筑本体的冷热负荷能耗不易计算与统计，而BIM则可以提供更换围护结构并进行全年的冷热负荷计算。本文采用对实际建筑物的围护结构改换，进行同一建筑构造A、B能耗详细地分类模拟，并对计算结果进行对比分析。

2.2 模型B能耗计算

在Ecotect软件中建立同尺寸的模型，加载汉中的气象参数，热环境设置选择混合系统(mixed-mode system)，即一半空调系统，一半无空调自然通风系统。在系统类型里的下拉菜单中有无系统(none)、自然通风(nature ventilation)、混合模式系统(mixed-mode system)、全空调系统(full air condition)、仅采暖(heating only)、仅制冷(cooling only)6个选项[7]，考虑到现在的农村住宅也可能安装空调，选择混合系统。Ecotect软件中对模型B的全年逐月供暖、制冷负荷计算结果如图6所示。供暖能耗最大月在1月，负荷超过7.2×106W。制冷能耗最大月在7月，负荷不到3.6×106W。中线(纵坐标为0 W)以上表示供暖，中线以下表示制冷。

图6 模型B逐月供暖、制冷负荷图

图7 B建筑最热日、最冷日各项能耗图

Ecotect对模型B各项能耗计算结果如图7所示，其中空白柱状图表示模型B在最热日(大暑)、斜纹柱状图表示模型B在最冷日(冬至)的各项能耗，包含了采暖空调负荷(Hvac load)在最热日制冷的能耗不到2×105W·h，而在最冷日供暖需要超过2.5×105W·h的能耗；围护结构得失热(Fabric)在最热日得到的能耗约大于1.5×105W·h，而在最冷日需要的能耗超过2.5×105W·h；太阳辐射得热(Solar)在最热和最冷日得到能耗相差不大，数值较小，都恒为正值；冷风渗透得失热(Ventilation)在最热日得到能耗与太阳辐射得热比较偏多一点，而最冷日由于冷风需要补充的能耗量更大一些；室内人员与设备得热(Inter)在最热和最冷日得到能耗数值相差不大，都恒为正值；区域间得失热(Zonal)在最热日失去能耗较小，为负值，最冷日失去能耗非常微小，为负值，几乎在图上看不出来。

2.3 模型AB能耗比较

Ecotect计算模型A(空白柱状图)、B(斜纹柱状)每个月能耗量如图8所示。A、B建筑能耗模拟值柱状图变化趋势一致，最冷月1月需要能耗(供暖)接近8×106W·h，最热月7月能耗(制冷)则需要相对较少，不到3×106W·h。模型B比模型A每月能耗值低。Ecotect计算模型A、B建筑在供暖、制冷、总能耗值的对比如图9所示，纵坐标是建筑的能耗值，模型B较A在全年供暖、制冷、总能耗三方面的值均有所降低。

图8 A、B逐月能耗对比图 图9 A、B建筑供暖、制冷、总能耗对比图

3 结束语

本文根据陕南地区已建成的砖混建筑，采用典型通用的户型作为Ecotect软件模拟的实例，对其围护结构构造及各个构件的热工参数(主要是传热系数)进行了确定，对比该构造类型的现行围护结构和规定性指标，在模拟计算中对比各项能耗量。规定性指标是《节能标准》的各种指标限值，比现行围护结构热工参数要求高，所以模拟计算结果显示：模型B逐月能耗较模型A低，全年各项能耗值也是模型B低。

运用BIM技术改换现成建筑的围护结构是实现建筑节能设计和优化设计的重要手段，也是未来建筑节能设的计发展方向。研究结果是《JGJ 134—2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》的各种指标限值，虽然有利于节能，但是模型B的能耗值降幅不大；建筑本身能耗除了与建筑围护结构有关，还与其他因素如体形系数、窗墙面积比等相关。因此，在建筑节能设计时，应综合考虑墙体、门窗、屋面以及它们之间的关系。