基于BIM技术的高校教学建筑能耗仿真及节能改造*

巫春玲,任 凯,田一凡,周 潜,夏 宇

(长安大学 电子与控制工程学院,陕西 西安 710064)

0 引 言

在高校公共建筑中,教学建筑作为高校建筑中数量最多、使用频率最高的公共建筑的代表,其存在着建筑能源消耗巨大、缺乏节能设计和建筑能源利用率低等不可忽视的问题[1-7]。教学建筑为了维持正常的运行,往往需要消耗大量的能源,从而导致高校资金和能源的浪费。因此,对一些老旧的、能耗大、能源利用率低的教学建筑急需进行节能改造[8-9]。

本文以教学建筑节能设计研究为出发点,利用BIM技术对其建立模型,并进行能耗模拟分析,阐述教学建筑在节能方面存在的问题,提出适用于高校教学建筑节能设计策略[10-11]。

1 BIM模型建立

1.1 项目概况

长安大学渭水校区鸿远教学楼位于陕西省西安市未央区,建于2012年,为5层的综合型教学楼。该建筑一区和二区的总建筑面积14 338 m2,建筑高度约22.5 m。

1.2 BIM核心模型建立

该建筑模型的主要教学建筑分为一区和二区,在楼层平面绘制轴网,完成轴网绘制后对其进行编号,完成之后便可对建筑主体进行绘制。轴网绘制完成以后,在建筑面板上选择创建的“墙”、“门”、“窗”、“柱”以及“楼板”等建筑构件,绘制墙体和楼板,并在墙体合适的位置插入门和窗,完成建筑模型的主体部分。长安大学鸿远楼平面图如图1所示。长安大学鸿远楼Revit模型图如图2所示。

图1 长安大学鸿远楼平面图

图2 长安大学鸿远楼Revit模型图

2 鸿远教学楼能耗分析计算

2.1 建筑模型的数据转换

能耗分析软件Ecotect主要功能是支持热工分析、采光分析、风环境分析、日照分析以及眩光分析等建筑光热风环境的计算分析。

建筑模型是在软件Revit中建立,其默认文件格式为RVT文件,而RVT文件不能在软件Ecotect中直接打开使用,因此需要对其进行文件格式的转换。建筑模型的数据转换界面如图3所示[12]。

图3 建筑模型的数据转换界面

2.2 热工计算及能耗分析

2.2.1 属性参数设置

为方便对目标建筑进行能耗模拟分析,以鸿远楼1F为目标建筑对其进行能耗模拟分析计算。

为了展示建筑能耗在选材方面有较大的节能空间,将建筑选取两种不同的材质以便进行分析比较[6]。方案一选材为鸿远楼现用的普通非节能选材,在保温性能方面较差,受外界温度变化的影响较大,需要消耗额外的能源来维持室内温度的恒定。方案二选用在导热系数(主要影响因素)、准入系数、太阳吸收率、热衰减系数、热滞后等方面性能更为突出材料。两种选材方案对比如表1所示。两种选材方案的导热系数对比如表2所示。

表1 两种选材方案比较

表2 两种选材方案的材料导热系数对比

材料导热系数越小,其保温隔热性能越好。从表2可以看出,方案一选用的建筑构件材料的导热系数都要比方案二选用的建筑构件材料的导热系数要大,说明方案二选用的建筑构件材料更符合节能保温材料的要求。

首先,对建筑内热舒适性区域环境的参数进行设定。热工分析区域管理一般设定界面如图4所示。

图4 热工分析区域管理一般设定界面

在建筑内热舒适性区域环境的参数设定中,将室内人员的衣着设置为短袖和T恤,其热阻值为0.4。其室内相对湿度为60%,风速为0.30 m/s,照度水平为400 lx。

在室内人员和设备运行的参数设定中,根据典型的办公区域人均占有面积为12 m2,可计算出该教学楼1F各个房间可容纳的人数。“Sedentaty—65W”选项是根据建筑内人员不同的工作行为来确定人的平均生物热功率,通常情况下在教学楼学习的人平均生物热功率是65 W。根据室内单位面积照明和设备负荷参数,显热得热数据为5 W/m2,潜热得热为2 W/m2。按照建筑内部使用气密性,空气交换率设置为0.5 ach,环境附加换气率为0.25 ach[12]。

“时间表”选项是根据人员在建筑内活动的时间和规律来进行设定的。通过观察在不同的时间段室内的人数来确定各个时间的曲线节点。教学楼1F热工分析计算时间表如图5所示。

图5 教学楼1F热工分析计算时间表

其次,对建筑的热环境属性进行设定。假设该教学楼全部教室都配有空调采暖措施,将采暖与供冷系统设置为全空调系统,工作效率为95%。根据GB 50189—2015《公共建筑节能规范设计》[2]中规定,采暖日室内温度按照18 ℃,舒适度温度在18～26 ℃区间,因此将空调的舒适度范围调整为18～26 ℃,考虑到周末也有部分同学在教学楼内学习,教学楼采暖与供冷系统在周末的运行时间与工作日相同(8∶00～22∶00)。采暖与供冷系统的设置如图6所示。

图6 采暖与供冷系统的设置

2.2.2 逐时温度分析

在温度分析的控制面板中,以建筑物全年中最冷的一天为研究对象进行模拟分析,可得到该教学楼1F一年365天温度的变化分析图。方案一选材的逐时温度曲线如图7所示。方案二选材的逐时温度曲线如图8所示。

图7 方案一选材的逐时温度曲线

图8 方案二选材的逐时温度曲线

图7中,1号房间代表教学楼1F其中一个教室,曲线代表该教室在一年中最冷一天的温度变化;2号房间代表教学楼1F其中一个教室,曲线代表该教室在一年中最冷一天的温度变化;3号房间代表教学楼1F其中一个厕所,曲线代表该厕所在一年中最冷一天的温度变化;4号房间代表教学楼1F其中一个楼梯间,曲线代表该楼梯间在一年中最冷的一天的温度变化。

将图7与图8的温度曲线作对比,发现图7和图8中室内温度变化都随室外的温度升高而升高,降低而降低,但整体上室内的温度都基本保持恒定。图7中4个房间的室内温度都维持在-3 ℃,与室外0∶00～10∶00的温度(-7 ℃)仅相差4 ℃,甚至比室外12∶00～20∶00中的最高温度5 ℃还要低8 ℃;图8中4个房间的室内温度都维持在0 ℃,比室外0∶00～10∶00的温度(-7 ℃)高7 ℃,且4个房间的室内温度在大部分时间段都高于或等于室外温度,说明方案二选材建筑的保温性能更好,所需的能耗更低。

2.2.3 逐月能耗分析

方案一选材、方案二选材的逐月能耗分别如图9、图10所示。由图9和图10可以很直观地看出建筑物每个月制冷和制热所需的能耗,也可以进行逐月能耗的对比。

图9 方案一选材的逐月能耗

图10 方案二选材的逐月能耗

两种选材逐月能耗数据对比分别如表3所示。

表3 两种选材逐月能耗数据对比

由表3可看出,在方案一普通非节能选材下,教学楼1F一年的供热负荷为235 790 888 Wh,制冷负荷为90 435 129 Wh,全年能耗总负荷为326 226 017 Wh;在方案二节能选材下,教学楼1F一年的供热负荷为165 312 259 Wh,制冷负荷为89 273 350 Wh,全年能耗总负荷为254 585 609 Wh,1F全年单位面积内累计供热负荷为11 529 Wh/m2,累计制冷负荷为6 226 Wh/m2。

鸿远楼为5层标准建筑,因此可以推算,在方案一普通非节能选材下,整栋建筑一年供热负荷为1 178 954 440 Wh,制冷负荷为452 175 645 Wh,全年能耗总负荷为1 631 130 085 Wh,全年单位面积内累计供热负荷为82 225 Wh/m2,累计制冷负荷为31 535 Wh/m2;在方案二节能选材下,整栋建筑一年供热负荷为826 561 295 Wh,制冷负荷为446 366 750 Wh,全年能耗总负荷为1 272 928 045 Wh,全年单位面积内累计供热负荷为57 645 Wh/m2,累计制冷负荷为31 130 Wh/m2。

根据GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》[3],陕西省西安市民用建筑的年单位面积耗热量指标约束值为0.21 GJ/(m2·a),换算成热能耗负荷值为58 333 Wh/m2。从表3可知,在方案一普通非节能选材下,教学楼建筑全年单位面积累计热负荷为82 225 Wh/m2,其值远超过西安市建筑耗热量指标的约束值;在方案二节能选材下,教学楼建筑全年单位面积累计热负荷为57 645 Wh/m2,其值虽未超过西安市建筑耗热量指标的约束值,但与约束值很相近,可以通过其他节能措施进一步减少建筑的能耗。因此在实际运用中,应尽可能地选择绿色节能的建筑材质。

2.2.4 热负荷分布分析

为了清楚直观地了解到建筑在不同途径中得失热情况,从而了解影响建筑得失热的主要方面,需进一步改善其性能和优化其设计,从而达到建筑节能的目的。

两种选材的失热分布如图11所示。两种选材的得热分布如图12所示。

从图11、图12可看出,方案一选材的建筑围护结构失热占比高达74.50%,而方案二选材的建筑围护结构失热占比为48.10%,说明方案二选材的建筑围护结构的保温性更好;方案一选材的建筑受太阳光照射获得的热量达到51.10%,而方案二选材的建筑受太阳光照射获得的热量仅为21.70%,说明方案二选材的建筑隔热性能更好;方案一选材的建筑从房间内的设备运行和人员活动获得的热量仅占13.50%,而方案二选材的建筑从房间内设备运行和人员活动获得的热量高达56.40%,说明方案一选材的建筑蓄热性能和门窗的气密性都较差,相比于方案一选材,方案二选材的建筑在蓄热和门窗的气密性方面都表现良好。

图11 两种选材的失热分布

图12 两种选材的得热分布

通过对教学楼1F进行热量损耗与获取途径进行分析,可以获得建筑物不同构件的能耗得失的详细情况,对建筑物能源消耗影响最大的是建筑围护结构。为了尽可能降低建筑能耗,应对建筑围护结构相关的热工性能进行深入了解,这样对建筑物的材料选择、外形结构设计以及采暖空调系统的选择提供参考依据。

2.3 光环境分析

教学建筑照明系统所消耗的能源为教学建筑总能耗的第2位,因此为了减少人工照明所消耗的能源,必须合理地利用自然采光。自然光利用率越高,所需要的人工照明越少,从而减少高校在人工照明方面所投入的资金,这对于降低建筑总能耗、提高能源利用率、实现建筑的节能要求起着十分重要的作用[5]。

GB 50033—2013《建筑采光设计标准》[1]中将全国划分为5个光气候分区,其中西安属于Ⅳ区。该标准中规定:教育建筑普通教室的采光不应低于Ⅲ级采光标准值,侧面的采光系数不应低于3%,室内天然光照度不应低于450 lx。教育建筑的采光标准值如表4所示。

表4 教育建筑的采光标准值

为了使教学楼1F需要人工照明的地方降到最低,需要对1F的自然采光进行分析。为了使模拟的采光数据更加精确,分别对教学楼一区和二区进行采光模拟分析。

在采光分析的控制面板中,选择CIE全阴天的天气条件对教学楼1F进行采光模拟分析,这是为了模拟最差天气环境中的室内采光条件,得出自然采光模拟结果。教学楼1F一区和二区采光系数如表5所示。

由表5可知,自然采光条件下,教学楼1F一区采光系数标准值在3%以上的面积为65.29%,二区采光系数标准值在3%以上的面积为58.31%。不管是一区还是二区,其室内采光系数标准值低于3%的面积约为40%,说明在自然采光条件,教学楼中有较多教室的采光系数标准值达不到国家规定的标准,而这些房间需要人工照明来满足照度要求,导致建筑过多的能源消耗。因此,在对建筑设计初期,应充分考虑建筑的窗地面积比,尽可能利用天然光使建筑房间内的采光系数达到标准值,从而减少人工照明,降低照明所需的能耗。

表5 教学楼1F一区和二区采光系数

为了进一步比较自然采光和人工照明对教学楼室内采光照度的影响,对一区进行自然采光和人工照明性能进行比较分析,通过采光照度清楚直观展示自然采光和人工照明对室内光环境的影响。一区自然采光照度和全局照度数据如表6所示。

表6 一区自然采光照度和全局照度数据

由表6可知,在自然采光照度下鸿远楼室内照度达到450 lx以上的区域为44.64%,在相同条件下启动人工照明,在全局照度下鸿远楼室内照度达到450 lx以上的区域为47.64%。由此可知,鸿远楼仅在自然采光的条件下其室内50%以上区域的照度都达不到国家规定的照度标准,说明该建筑自然采光利用率低,也反映该建筑窗地面积占比小,需要进行人工照明,加大了建筑照明系统的能源消耗。而在全局照度下也有50%以上的区域的照度没达到国家规定的照度标准,说明利用人工照明来满足室内照度要求将要消耗大量的能源和资金。因此,尽可能地利用自然采光,才能使建筑照明所需能耗大大降低。

3 结 语

本文通过对目标建筑长安大学鸿远楼的Revit项目模型的建立,运用Ecotect模拟软件对建筑进行模拟分析。通过对建筑围护结构选用两种不同的材质,对其能耗仿真比较,发现建筑现有围护结构的不足,提出了较为节能的建筑围护结构的选材方案,证明能耗仿真可以为建筑的节能改造提供一定的依据,为了实现建筑节能,可以选用方案二的建筑选材;通过对建筑光环境和风环境的模拟分析,发现其采光设计和室内通风环境的不足,基于其模拟分析结果提出优化建议。证明了教学建筑在节能方面具有较大的潜在空间。