建筑碳排放预测信息集成技术研究

王豫婉WANG Yu-wan

（住房和城乡建设部标准定额研究所，北京 100835）

0 引言

已有研究基于建筑能耗监测信息，用大数据分析方法，提出面向设计初期的建筑碳排放预测理论框架，从理论层面实现了预测建筑设计方案的全生命周期碳排放[1]。应用BIM技术可建立涵盖工程全生命周期的信息库，实现建筑项目各个阶段、不同专业间信息集成和共享，为建筑碳排放预测提供全生命周期信息基础[2]，但当前BIM技术在低碳预测中的应用研究不足，缺少可支持设计初期碳排放决策的BIM设计平台[3]。

1 建筑碳排放预测信息集成架构

1.1 建筑碳排放预测信息需求分析

本节根据面向设计初期的建筑碳排放预测方法原理，分析建筑碳排放预测的信息需求，明确信息模型涵盖的信息种类，对信息进行分类集群。建筑碳排放预测功能的实现可分为四个功能模块，每个模块的信息需求可通过CeData相应的子信息模型实现。

项目信息管理模块既是建筑碳排放预测系统与BIM平台信息交互的接口，也是建筑碳排放信息模型各子模型间信息流动的核心；CeData_Pro需要满足项目信息管理模块在BIM环境中功能性、交互性、可扩展性和稳定性的需求。热工分析模块可快捷高效地分析设计方案中复合围护结构的传热系数及遮阳系数；CeData_Ther可为复合围护结构的热工分析提供信息：玻璃库、填充气体库、环境边界库、玻璃体系库、窗框材料库、框体系库、复合围护结构材料库和复合围护结构构造库。冷热负荷预测模块应实现建筑冷热负荷的预测；CeData_Mor需要满足云平台实时监测数据的存储形式、分析方法和更新方式，规范科学地存储监测建筑的空间构成、各层级建筑构件的特征分类，热区逐时的室内温湿度信息、实时人员使用信息和分项能耗信息，并可生成建筑能耗指标，作为建筑冷热预测神经网络算法的样本数据。碳排放预测模块可预测建筑设计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库、能源碳排放因子库、施工工艺碳排放因子库、建筑材料库、建筑构件库、各省市标准年标准日气候库等。

1.2 建筑碳排放预测信息集成框架

CeData四个子模型信息有三种数据来源：项目信息子模型CeData_Pro可以通过BIM平台建立并获取，其中围护结构热工属性等碳排放附加信息可与其它子模型关联后填充；能耗监测子模型CeData_Mor来自建筑能耗监测系统，监测数据以数据表的形式存储于数据库中，因此可以通过数据交换接口连接到数据库获取监测数据；热工分析子模型CeData_Ther与碳排放子模型CeData_Coe中主要以系统本地数据库的形式存储建筑构件库、建筑材料库、LCA碳排放因子库等补充数据库，因此可通过程序调用本地数据库实现数据的读写。

根据上述三种数据源特点，建筑碳排放预测系统信息集成框架如图1所示。①通过BIM平台建立建筑模型：以IFC文件为载体生成CeData_Pro，后续CeData_Pro中的更新信息亦可存于IFC文件中；②计算分析复合围护结构热工参数：将建筑模型中复合围护结构的几何信息通过BIM平台转为DWG文件，导入热工分析工具，通过本地数据库补充复合围护结构材料种类、属性等信息，生成CeData_Ther，完成热工分析后，将复合围护结构热工参数分析结果返回CeData_Pro以供后续分析；③预测建筑冷热负荷：从CeData_Pro中自动提取当前模型中用于冷热负荷预测的参数并设置筛选条件，从建筑能耗监测数据库CeData_Mor中选取相应的训练模型，训练神经网络，预测冷热负荷；④预测建筑全生命周期碳排放：从Data_Pro中获取建筑全生命周期碳排放预测所需信息，通过CeData_Coe自动根据参考建筑填充缺损值，并补充LCA数据库，计算建筑全生命周期碳排放。

图1 建筑碳排放预测系统信息集成框架图

2 建筑碳排放预测信息模型

2.1 项目信息子模型CeData_Pro

项目信息子模型CeData_Pro的信息模型如图2所示，用以描述建筑空间、建筑构件、暖通设备等对象及其关联和属性。CeData_Pro的建筑空间包括CeSite，CeBuilding，CeZone，CeRoom四个层级，各层级间依次通过CeReaggegate关联。CeData_Pro中建筑构件包括围护结构构件和暖通设备构件。其中，围护结构构件统称为CeSurface，包括CeWall、CeFloor和CeRoof。对一特定CeZone，可通过CeBoundary关联获取构成该空间的CeSurface，CeSurface可通过 CeEmbed关联获取CeWindow。CeConstruction通过 CeReaggegate关联CeMaterial，以描述每层材料的性能。暖通设备构件包括冷热源对象CeEquip、运送对象CeHydronic、照明对象CeLight和空气循环对象CeAirLoop，每个暖通设备构件均通过CeBelong关联关联其所属热区对象CeZone。CeSchedule和CeConstruction为属性对象，CeSchedule描述所属空间对象CeZone暖通设备使用时间，CeConstruction描述所属CeSurface的材料组成以及热工性能等信息。

图2 CeData_Pro信息结构图

CeData_Pro满足IFC、gbXML等数据标准，一方面，可通过科学的信息融合和转换机制，由上游信息模型（如IFC模型）生成CeData_Pro；另一方面，也使得CeData_Pro可供后续信息模型（如IFC模型或gbXML模型）融合转换。

2.2 热工分析子模型CeData_Ther

热工分析子模型有玻璃体系模块、框体系模块、窗框体系模块和围护体系模块组成。玻璃体系模块可载入玻璃数据库Glass、气体数据库Gases和环境边界数据库Bound，生成的玻璃体系的构造及热工属性存至玻璃体系数据库GlassSys中。框体系模块可载入窗框材料数据库FrameSolid和FrameCavi，以及环境边界数据库Bound，将新生成的框体系构造及热工属性存至框体系数据库Frame中。窗框体系模块中窗框体系由窗体系和框体系组合而成，该模块可载入玻璃体系数据库GlassSys和框体系数据库Frame，并将新生成的窗框体系的构造及传热系数存至窗框体系数据库WindFrame中。围护体系可载入围护结构材料数据库WallMat，并将新生成的围护结构构造及传热系数存至围护结构构造数据库WallConst中。

2.3 能耗监测子模型CeData_Mor

CeData_Mor的信息结构图如图3所示，包括三个数据子库：建筑模型子库（BuildingInfo）、实时采集信息子库（CollectionInfo）和建筑能耗指标子库（MonitorInfo）。其中，建筑信息子库（BuildingInfo）主要存储监测对象建筑的空间构成、各层级建筑构件的特征分类等信息，是建筑能耗监测系统信息结构科学检索的核心子库，也是建筑能耗监测系统信息模型与BIM模型集成的关联信息子库。建筑实时采集信息子库（MonitorInfo）主要存储每个被监测热区逐时的室内温湿度信息、实时人员使用信息和分项能耗信息，是直接通过物联网终端传感器及智能设备获取的监测值。建筑能耗指标子库（CollectionInfo）旨在将以热区为单位的建筑能耗监测信息整合为以建筑为单位的建筑能耗指标，进而作为建筑冷热负荷预测样本数据库。

图3 CeData_Mor信息结构图

2.4 碳排放子模型CeData_Coe

碳排放子模型CeData_Coe信息结构如图4所示。System Data存放建筑碳排放预测所需的各类对象属性和分析参数，供设计人员选择参考，Local Data存储本项目选用的对象属性和分析参数。System Data中存有材料性质补充信息：建筑材料信息MaterialList、围护结构构造信息ConstructionList、窗户种类信息WindowList，热区使用参数信息：热区标准日作息信息ScheduleDList、热区标准年作息信息ScheduleYList、设备信息EquipList、热区信息ZoneList，碳排放因子补充信息：能源碳排放系数EnergyCoe等子表。Local Data中存有设备LocalZoneList子表、围护结构构造LocalConstructionList子表和窗户种类LocalWindowList子表。

图4 CeData_Coe信息结构图

3 结论

本文研究了建筑碳排放预测信息集成技术，首先，根据建筑碳排放预测信息需求，提出建筑碳排放预测信息集成架构；而后，建立集成的建筑碳排放预测信息模型CeData，并提出项目信息子模型CeData_Pro、热工分析子模型CeData_Ther、能耗监测子模型CeData_Mor和碳排放子模型CeData_Coe四个子模型的信息结构。CeData基于IFC标准与gbXML数据格式，可在BIM环境中高效获取和传递信息，为建筑碳排放预测系统的研发提供了信息基础。