我国寒区农村住宅热环境的BIM 建模分析与节能研究

王启武 韦海锋 郝孟超

摘要：为了研究我国寒冷地区农村居民住宅能耗问题，根据农村居民住宅热环境的影响因素，建立了 BIM模型，并将包含建筑信息的虚拟模型引入到能耗分析工具中，选择合适的建筑朝向。通过对不同围护结构形式的住宅建筑的能耗分析，设计了昀佳的节能住宅形式。该方法对研究寒冷地区农村住宅的能耗和节能设计具有一定的应用价值。

关键词：BIM;农村住宅;寒区;节能

1.引言

中国北方大部分地区处于寒冷或严寒地区，从建筑节能和环境保护的角度来看，由于建筑面积的增加和居民对改善冬季室内温度的需求，农村建筑能耗在总能耗中所占的比例越来越高。寒冷地区农村住宅供热能耗占建筑能耗总量的很大比例，在农村建筑建设初期，合理规划探索和设计符合当地气候和地理条件、符合当地传统居住特点、对室内热环境有显著改善的节能建筑具有重要意义。

2寒冷地区农村建筑室内热环境相关问题

2.1建筑形式及室内热环境

自建单层平房或瓦房是我国北方寒冷地区农村建筑的主要类型。在建筑围护结构的选择上，农村住宅的墙体主要分为砖墙、土墙和石墙 3种类型。粘土砖墙是北方农村现有建筑和新建住宅围护结构昀基本的形式。绝大多数墙体没有保温层，冬季散热量大。

在门窗的选择上，乡村建筑通常采用单层玻璃窗，一些新建筑选用铝合金窗户，由于铝合金窗的安装不够专业，窗与墙之间的间隙很大，影响整体气密性。此外，为了提高室内采光，一些建筑的南墙的窗墙比大，造成大量热损失。前开门通常采用单层木门，一些新建筑选择钢门或金属保温门，但仍难以保证室内温度舒适。

在屋面形状和材料通常选用木桁架斜坡屋面。新建平屋面主要采用现浇混凝土结构。坡屋面通常加入芦苇、秸秆、粘土等保温材料。但是，许多建筑物没有天花板，或者没有为天花板增加保温层，所以保温效果不好，因此寒冷地区农村的室内热环境相对较差。

2.2 影响乡村居住热环境的因素

大多数农村住宅都面向南方，这有助于采光，但没有考虑避免冬季风的影响。研究表明，寒冷地区住宅围护结构的传热和冷风渗透是影响建筑能耗的主要因素。住宅建筑的气密性差导致严重的冷风渗透，加剧了热量损失。

通过以上分析，可以看出，外墙保温性能对冬季采暖影响昀大。目前，农村住宅围护结构由于没有设置热绝缘材料，所以热绝缘效果很差，热损失也很严重。

在冬季供暖条件下，门窗是昀容易散热的部位。乡村建筑主要采用单层玻璃窗和木门，传热系数通常不能满足热量需求。

屋顶在建筑物的隔热方面发挥着很大的作用。传统的坡屋顶方式在一定程度上改善了室内热环境，但仍有改善的空间。适当增加保温层的厚度，设置天花板，增加隔汽层，形成空气室，使冬季和夏季相对温和，从而有效地改善室内热环境。

3.基于 BIM平台的农村居民住宅能耗分析

BIM在绿色建筑中得到了广泛的应用和肯定。在建筑节能设计中，可以实现可视化，直接得到建筑能耗分析的结果。本文选取寒冷地区某农村住宅楼作为研究对象，进行设计、分析和研究。为了快速、方便地得到整个建筑物的能耗分析结果，采用 Revit 建立了三维模型，并将带有属性信息的模型引入到 Ecotect能耗分析软件中。

3.1选择昀佳建筑朝向

在寒冷地区农村居住建筑的选址中，应满足采光和通风的要求，使建筑在冬季具有保温功能，夏季具有通风功能。就朝向而言，我国建筑物应该朝南或大致朝南。冬季住宅应避开主要风向，窗墙比应控制在规定范围内。首先，将相应区域的 WEA文件导入 Weather工具软件，并根据具体需求设置时间。在建筑朝向的选择上，应避免冬季的主要风向，以防止热量迅速散失。从该地区冬季风玫瑰图得知，冬季风的主导方向是西南方向。因此，建筑朝向的选择应避免西南朝向。根据朝向分析，可以确定建筑物的昀佳朝向。通过对该地区昀热、昀冷月份各方位的太阳辐射和全年平均太阳辐射的分析，确定该建筑的昀佳方位为东南偏东 10°，这也符合农村建筑应尽可能朝南的标准。

3.2 建筑物的初步规划

为了满足现代农村住宅的需要，提高住宅建筑的舒适性和住宅小区的需求，该建筑共有 2层，总建筑面积 411.19m2。为便于能耗对比分析，本文提出了三种建筑设计方案：按传统方法进行建筑设计，围护结构采用保温措施的建筑设计，围护结构和太阳空间采用保温措施的建筑设计。在三种设计方案中，建筑类型相同，但建筑围护结构材料不同。为了降低成本，该建筑选用木桁架斜屋面。建筑物的窗墙比和其他参数符合相关标准，符合当地特色和生活要求。

根据《农村住宅建筑节能设计标准》（GB/T50824-2013）计算冬季建筑室内热环境参数。室内卧室温度为 14℃，通风量为 0.5h-1h。考虑到寒冷地区农村的生活习惯，建筑只采取适当的取暖措施，没有空气调节和冷藏措施。对整个建筑的能耗进行了计算和比较，传统建筑物每年总耗电量为 89656 kW·h，而隔热建筑物的相应耗电量为 42431kW·h。如果建筑物设计有隔热和日光空间，建筑物每年总能耗为 36898 kW·h。传统建筑、隔热建筑和隔热太阳能建筑每平方米的年能耗分别为 218kW·h/m2、103.2kW·h/m2和 89.7kW·h/m2。对围护结构采取保温措施后，建筑能耗显著降低。总能耗下降 52.6%。如果在建筑物上增加太阳能空间，可以进一步减少能源消耗。如果为建筑设计隔热和日光空间，总能耗可降低58.8%。由此可见，围护结构类型对建筑能耗有着重要的影响。

对模拟传统建筑一层的卧室、现代隔热建筑和现代隔热建筑及太阳房的年能耗进行了横向比较。模拟传统建筑、隔热现代建筑和隔热日光间现代建筑中卧室的年能耗分别为 4577.1 kW·h、2156.5 kW·h 和 1578.1kW·h，与传统建筑相比，隔热现代建筑和隔热日光间现代建筑的能耗分别降低了 52.9%和63.4%。

4.结论

本文以建筑信息模拟平台为基础，对农村住宅建筑进行建模。通过对3种不同圍护结构类型住宅建筑的能耗模拟，选择住宅建筑的昀佳朝向，研究围护结构、材料和太阳空间对建筑能耗的定量影响。在能耗计算模拟中，提出了可视化数据模型，为方案决策提供数据支持。模拟仿真可作为初步规划设计的参考，大大提高了工作效率。研究结果表明，在农村居住建筑设计中，建立一个包含所有建筑信息的虚拟模型，准确计算能耗，根据能耗结果设计昀佳节能保温住宅建筑，对于缓解能源问题，推广绿色建筑具有重要的现实意义。