基于BIM的空调实验室能耗仿真与分析

巫春玲 / 李 阳 / 谢美美 / 李永萍 / 安诺静

(1.长安大学，陕西 西安 710064；2.陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710018)

基于BIM的空调实验室能耗仿真与分析

巫春玲1/ 李 阳2/ 谢美美1/ 李永萍1/ 安诺静1

(1.长安大学，陕西 西安 710064；2.陕西省建筑设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710018)

使用BIM技术的能耗分析软件EcotectAnalysis对某空调实验室建立了房间模型，并对房间的区域属性进行了设置。在该模型的基础上进行了热工计算及能耗分析。试验表明采用BIM技术的Ecotect能耗分析软件能够有效对实验室进行全方位地能耗分析。

BIM技术 能耗分析 热工计算 建模

1 建筑能耗分析

建筑能耗分析是指对建筑物运行阶段所消耗的能源进行计算和分析，例如空调系统、灯光照明系统及动力设备等的能耗。通过对每个部分的能耗进行计算分析，从而得到整个建筑的能耗情况，为后续的节能设计、节能改造、运营管理等提供重要的指导[1]。

本文以某空调实验室为例，使用能耗模拟软件 Ecotect Analysis对该空调实验室进行建模，并对房间的区域属性(该建筑中人员的衣着、运动情况、工作时间表，室内风速、通风情况、热量得失情况、暖通空调情况等)进行了设置，然后在该模型基础上进行热工计算及能耗分析，分别给出西安最热和最冷的一天的逐时温度情况以及逐时热量得失情况的热环境分析。

2 BIM 技术及能耗模拟软件 Ecotect Analysis

Building Information Modeling(BIM)即建筑信息模型。美国国家BIM 标准对其定义：“BIM是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业”[1]。

建立BIM模型常用的建筑能耗分析软件主要有：EcotectAnalysis、IES、eQUEST、GBS、EnergyPlus、DOE-2等。本文的研究即是基于Ecotect Analysis建筑物理环境性能分析软件进行的能耗分析。

Autodesk Ecotect Analysis软件是一款功能全面的可持续设计及分析工具，其中包含应用广泛的仿真和分析功能，能够提高现有建筑和新建筑的设计性能。该软件将在线能效、水耗及碳排放分析功能与桌面工具相集成，能够可视化及仿真真实环境中的建筑性能[4-5]。该软件很早就被引入中国市场，操作简单，界面图形化程度高，运算速度快，并且其运算结果具有高度的图形化效果，便于非专业化的设计人员迅速掌握。ECOTECT软件在国内已经拥有大量用户群，据调查，大部分设计建筑节能方面的国内网站都有相应的ECOTECT板块。国内的建筑设计人员也开始在建筑设计阶段采用ECOTECT软件，这样就能够将建筑的各项物理参数与建筑的设计方案结合起来，在方案构思阶段就能根据得到的数据对建筑设计的方案进行改进。

3 使用Ecotect软件对空调实验室进行建模

使用Ecotect软件完成对空调实验室的模型建立，并对实验室的区域属性、人员情况、材料情况。空调系统种类、运行时间以及温度范围等进行设置，在此基础上完成能耗仿真和分析。

3.1对空调实验室的建模

如图1所示为利用Ecotect软件对空调实验室进行的立体建模。其中的大房间为办公区域，靠近窗户的3台机柜是3个电脑。大房间内的6个小房间是实验房间，房间墙面都属于室内墙，是“屋中屋”，没有外墙，不会受到太阳辐射热影响。大房间旁边的房间里面是该空调系统的水系统。该房间内没有人，不需要对房间温度进行控制。

图1 空调实验室模型

为方便文章描述及模型的直观效果更好，在软件中将图1中粗实线部分定义为Zone1区域，包括整个办公区域和六个小实验房间。将图1中虚线部分定义为Zone3区域，包括图1中Zone 1区域北侧的房间，即容纳该空调系统水系统的房间。将图1中的带有数字1的实线部分定于为Roof Zone区域，包括图1中Zone1区域和Zone3区域的屋顶部分。

3.2对模型进行区域属性设置

Ecotect中的区域属性设置就是对该建筑中人员的衣着、运动情况、工作时间表，室内的风速、通风、热量得失情况以及建筑物内的暖通空调情况进行设置。

图2～4为Zone1区域的区域属性设置，Zone1区域在模型中是大房间，即有人办公、活动的区域。

图2 房间的综合设置

图3 人员时间表

图4 空调系统运行时间设置

图2是区域属性基本设置，其中人员的服装热阻值为0.6，即人们穿着T恤和长裤；在装有空调的室内，房间温度为19～24℃、湿度为40%～60%时，感觉最适宜，因此这里将房间的湿度设置为60%；在办公室环境下，要求室内的风速<1.5m/s(因为当风速>1.5m/s时会将桌子上的文件吹得翻页)，这里将室内的风速设置为0.5m/s；灯的照度设置为400lx，符合办公桌或者工作室要求的照度；房间的占用情况设置为3个人，在房间内做的事情是简单的办公打字；内部得失热的情况及通风率设置成系统默认值。

图3为人员时间表，该时间表是一个工作时间表，即每周一～周五为标准的工作日，8:00～18:00房间内有人，周六、周日是标准的周末，房间内无人。

图4是热属性设置，选择全空调系统，最低温度设置为22℃，最高温度设置为26℃。空调运行时间是工作日的8:00～19:00。

这样就完成了Zone1的区域属性设置，即空调实验室的办公区域。

4 热工计算及能耗分析

建筑热环境分析就是求解在室内、外各种扰动的作用下室内的热环境参数，其中外部扰动主要是指室外各种气候的影响因素，包括室外温度、湿度、太阳辐射强度等；内部扰动主要是指室内的设备、人员等影响因素，可以直接影响室内热环境。以下主要给出逐时温度分析和逐时热量得失情况。

4.1逐时温度分析

通过对逐时温度的模拟分析可知每个区域中某一天内的逐时温度变化情况以当天某些室外气象数据(比如室外温度、太阳辐射量、风速等)为其主要影响因素。

图5是热环境分析后得到的西安全年中最热的一天的每小时温度情况。图5下方三条虚线表示的是当地的气象数据，实线表示的是空调实验室内部的环境温度。图5中的1号实线表示的是室外环境温度，2号实线表示的是室内环境温度。可以注意到，从8:00开始，室内的环境温度开始下降到所设置的温度范围内并且维持到18:00。在下午的18:00之后空调系统停止运行，室内温度开始上升。

图5 西安最热的一天逐时温度情况

图6是热环境分析后得到的西安一年中最冷的一天。同样，在空调运行的时间范围内室内的温度能够维持在所要求的温度范围内(22～26℃之间)，其中曲线1所示为室内温度，曲线2为室外温度。

图6 西安最冷的一天逐时温度情况

图7 逐时热量得失情况a

4.2逐时热量得失情况

对于逐时热量得失情况的分析，主要包含了得热和失热等与建筑能耗相关的逐时数据。图7为逐时热量得失分析图，包含了围护结构导热的得失热(Conduction)、逐时的空调采暖负荷(HVAV Load)、综合温度产生的热量(Sol-Air)、太阳直射辐射得热(Direct Solar)、冷风渗透得失热(Ventilation)、内部人员与设备得热(Internal)、区域间得失热(Inter-Zonal)七项内容。

图7所示是西安一年中最热一天的分析数据。其中，曲线1是空调暖通系统得失热的情况，从8:00～18:00，空调系统一直处于得到热量并且基本趋势是上升的情况，这是由于8:00空调系统开始运行，对房间起到制冷作用，空调系统相对来说是得到热量。图7中8:00～9:00，空调系统得到的热量呈上升趋势，这是因为空调系统刚开始运行时需要将房间温度调节到设定的范围内，空调是上升运行的；9:00～12:00空调得热曲线较为平稳，这是因为早上的温度不是很高，在房间温度调节到设定范围之后空调就保持平稳运行；12:00之后空调的得热再呈上升趋势是因为下午的室外温度达到一天中的高峰，空调系统又需要上升运行才能够使得室内温度维持在设定的范围内；在18:00之后空调的制冷停止，空调对外界的智能作用停止了，此时空调系统温度还是低于外界温度的，但空调系统得到的热量开始快速下降。

图8为西安一年中最冷的一天的逐时得失热的情况。与西安一年中最热的一天对比，可以发现在空调运行时段，房间是得热的，空调系统是失热的，其中曲线1是空调系统的逐时热量得失情况，曲线2是房间热量得失情况。另外，在冬季，室内的很多热量都是通过传导形式散出的，夏季则没有这种情况，因为夏天时室外的温度与室内相差不是很多，室内会通过传导形式得到热量。

图8 逐时热量得失情况b

5 结束语

文中给出BIM技术的定义，并说明了BIM的建模软件和能耗分析软件，采用Ecotect能耗分析软件对某空调实验室建立了房间模型，并对房间的区域属性进行了设置，。然后在该模型基础上进行了热工计算及能耗分析，分别给出西安最热和最冷的一天逐时温度情况以及逐时热量得失情况的热环境分析。试验表明，采用BIM技术的Ecotec能耗分析软件能够有效地对实验室进行全方位的能耗分析。

[1] 何关培,王轶群,应宇垦.BIM 总论[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2] 李峥嵘,李浩翥,郁盛等.建筑能效当量能耗方法研究[J].同济大学学报(自然科学版),2010(03):353-357.

[3] 李晓山.建筑能耗分析方法的研究与实例[J].节能,2012(04):34-37.

[4] 徐俊芳,田昕,江青文等.北京市住宅小区建筑全年能耗分析[J].节能技术,2011(03):252-255.

[5] 首灵丽.基于 BIM 技术的建筑能耗模拟分析与传统建筑能耗分析对比研究[D].重庆大学，2013.

SimulationandAnalysisofEnergyConsumptioninanAir-conditioningLaboratoryBasedonBIM

Wu Chunling / LiYang / Xie Meimei / Li Yongping / An Nuojing

A room model was set up for an air conditioning laboratory by using BIM energy consumption analysis software Ecotect Analysis, and the area properties of the room were set up too. Based on the model, thermal calculation and energy consumption analysis were carried out. The experiment shows that the Ecotect energy analysis software using BIM technology can analyze the energy consumption of the laboratory effectively.

BIM technology, energy consumption analysis, thermal calculation, modelling

巫春玲，工学博士，博士后，副教授，硕士生导师。主要从事控制理论与控制工程以及建筑电气与智能化的科研和教学工作；李 阳，助理工程师，陕西省建筑设计研究院有限责任公司，研究方向主要为智能建筑；谢美美，硕士研究生，研究方向主要为建筑电气及建筑电气与智能化。