基于BIM的低碳建筑使用階段節能分析

周宇陽 楊彬 張其林

同濟大學土木工程學院

0 引言

建筑全壽命能耗及碳排放計算包括設計、運輸、建造、使用及維護、拆除五項內容。其中使用階段能量消耗及碳排放量巨大，通常能夠占建筑物全壽命周期總量的80%以上[1]。因此，研究低碳建筑使用階段包含三部分節能技術的能源消耗計算方法具有重要意義。

BIM（Building Information Modeling）通過參數模型整合各種項目的相關信息，在項目策劃，運行和維護的全生命周期過程中進行共享與傳遞[2]。現階段進行建筑低碳分析常采用的辦法是將Revit模型導入Ecotect Analysis中進行熱工及采光分析。但這種方法未考慮新型低碳節能技術且無法對建筑總能耗及碳排放量直接生成計算。

本文以山東省臨沂市沂南縣金波小區四號住宅樓為例，利用Revit二次開發研究提出了基于BIM的低碳建筑使用階段能耗和碳排放計算分析方法。

1 使用階段節能計算方法

建筑使用階段總能耗主要包括圍護結構采暖能耗及設備使用能耗兩部分。計算公式如下：

式中：Q為建筑使用階段總能耗，kWh；QH為圍護結構采暖總能耗，QH=qHh0，kWh；QE為設備使用總能耗，kWh。

1.1 示范項目工程概況

沂南金波花園四號住宅樓位于山東省臨沂市沂南縣，地理位置為北緯35.54°，東經118.47°，所屬寒冷地區。住宅樓結構為鋼筋混凝土框架剪力墻，建筑面積為6187.62 m2，高度為36.38 m。地上主體共十一層，每層四家，共四十四戶。每戶住宅面積為126～140 m2，包括主臥，次臥，客廳，餐廳，陽臺，廚房，書房和一個衛生間。建筑體型系數為0.23。

示范項目采用的低碳節能技術主要包括以下三部分內容：

1）三層及以上住戶采用太陽能-燃氣壁掛爐復合采暖系統。

2）節能照明燈具及太陽能光伏路燈。

3）圍護結構墻體及門窗均進行保溫處理，如屋頂使用擠塑聚苯板、外墻采用膨脹聚苯板、外窗使用中空浮法等。

1.2 建筑使用階段能耗計算

1.2.1 圍護結構采暖能耗

圍護結構采暖包括屋面，外墻，外窗和門，地面，非采暖封閉陽臺五個部分組成。依據《建筑節能設計標準》[3]規定，圍護結構采暖能耗計算公式如下：

式中：qH為建筑物耗熱量指標，W/m2；qHT為單位建筑面積上單位時間內通過建筑圍護結構的傳熱量，W/m2；qINF為單位建筑面積上單位時間內建筑物空氣換氣耗熱量，W/m2；qIH為單位建筑面積單位時間內建筑物內部熱量，取3.8 W/m2。

其中圍護結構傳熱量計算方法如下：

式中：qHq為單位建筑面積上單位時間內通過外墻的傳熱量，W/m2；qHw為單位建筑面積上單位時間內通過屋面的傳熱量，W/m2；qHd為單位建筑面積上單位時間內通過地面的傳熱量，W/m2；qHmc為單位建筑面積上單位時間內通過門窗的傳熱量，W/m2；qHy為單位建筑面積上單位時間內通過非供暖封閉陽臺的傳熱量，W/m2。

表1 圍護結構傳熱量計算

依據各材料給定傳熱系數、修正系數等相關因素，分別按相應公式計算各個部分傳熱量。示范項目計算結果如表1。

最終經計算得到示范項目外圍護結構單位傳熱量QH為9.84 W/m2。則示范項目圍護結構一年總能耗為：QH=qHA0h=533363 kWh。

1.2.2 設備使用能耗

住宅使用階段主要消耗能源的項目為照明、采暖制冷及熱水供應。因此使用設備主要考慮室內照明燈具，空調和燃氣壁掛爐，電熱水器或太陽能熱水器三部分。特別地，對于冰箱、微波爐、電飯鍋等其余常用耗電設備特殊綜合考慮。同時特別考慮燃氣灶對天然氣的消耗。

能耗形式分為電能，太陽能和天然氣能三類。設備使用總能耗計算方法依據能耗形式如下計算：

式中：Qe為主要消耗電能的設備使用能耗總量，kWh；mi為設備數量；Pi為設備功率，kW；ti為設備一年內使用時間，h；Qs為全年太陽能能耗替代量，MJ；xa為第 a類日太陽輻照對應天數，d；qa為第a類當日實測集熱系統得熱量，MJ/d；Qg為主要耗天然氣設備使用能耗總量，kWh；a 為轉換系數，取為 10 kWh/m3；ks為設備數量；Vs為日平均天然氣消耗量，m3；ts為設備一年內使用天數，d。

1）用電設備使用能耗計算

考慮三層以上住戶使用太陽能熱水器而非電熱水器，得到表2：

表2 用電設備使用能耗

由表2可知示范項目用電設備年使用能耗Qe為208634 kWh。

2）太陽能能耗計算

表3 太陽能設備實測能耗

利用示范項目山東院實測數據，得到表3。

由表3可知示范項目太陽能年能耗量Qs為215000 kWh。

3）天然氣能耗計算

考慮三層以上住戶使用太陽能-燃氣壁掛爐復合采暖系統，至少節約一半天然氣。且采暖系統僅冬季四個月使用，則得到表4：

表4 天然氣設備使用能耗

由表4知示范項目天然氣年能耗量Qg為265660 kWh。

綜上計算可知示范項目使用階段設備能耗量QE=689294 kWh。因此計算得到該建筑使用階段總能耗Q=QH+QE=533363+689294=1222657 kWh。

1.3 低碳指標計算

1.3.1 碳排放量計算方法

碳排放量計算考慮圍護結構采暖能耗、用電設備使用能耗及天然氣設備使用能耗。太陽能部分為清潔能源，不產生二氧化碳排放。建筑全壽命周期使用階段碳排放的計算方法為：

式中：C為建筑使用階段CO2排放總量，kg；ρi為第i類能源的二氧化碳排放折算系數，對于電能依據國家相關標準ρi近似取為0.95 kg/kWh[4]；Qi為使用階段消耗的第i類能源的能量。

因此示范項目使用階段年二氧化碳排放量計算結果為 C=ρe(Q-Qs)=957274.15 kg。

1.3.2 可再生能源占比

主要利用太陽能的使用設備，其消耗的能源為可再生能源。其余所有的第一類或第二類均為不可再生能源。因此對于建筑使用階段可再生能源占比的計算方法為：

因此示范項目使用階段可再生能源占比為：Pr=215000/1222657=17.6%。超過低碳建筑預期標準10%，符合綠色建筑節能要求。

2 基于BIM的節能計算流程

2.1 建筑信息模型建立

1975年，美國喬治亞理工的Chuck Eastman教授首先提出了BIM理念，為傳統土建行業開啟了信息時代的大門[5]。他提出了：“建筑信息模型整合了幾何模型信息，建筑的功能及能力要求，建筑的施工進度，建造工藝以及一系列建筑在全生命周期中所需的信息。”近四十年發展至今，BIM技術開發設計軟件越來越多，功能也越來越強大完整。針對如本示范項目此類的民用建筑，尤以歐特克公司的Autodesk Revit應用最為廣泛。

根據建筑使用階段低碳計算方法的相關要求，本項目的設計分析信息模型應包括：

1）墻體、樓板、屋頂、門窗等圍護結構的幾何特性及物理性質。特別注意各層材料的導熱系數、蓄熱系數、熱阻、熱惰性指數、厚度、修正系數等關鍵參數。

2）各類使用設備的布置。注意三層及以上住戶使用太陽能-燃氣壁掛爐復合采暖系統，而底兩層依然內部設置的是電熱水器和燃氣壁掛爐。

綜上，使用建模速度快、精度高，建筑、結構、設備模型均能布置完全，且可直接出施工圖并計算工程量的Revit軟件建立本示范項目信息模型，如圖1。

圖1 示范項目建筑信息模型

2.2 關鍵技術研究

傳統能耗分析軟件需要重新建模，且需要輸入大量復雜參數，大大降低了工作效率。而如Ecotect Analysis等可以將Revit模型導入分析的能耗軟件，其雖然可以進行詳細的熱工及采光分析，但這種方法未考慮新型低碳節能技術，如太陽能光熱的分析。并且無法對建筑總能耗及碳排放量直接生成計算，效率也不高。

目前，Revit平臺上的BIM技術在數據交換方面主要通過三種方式進行[6]：1）利用IFC公共標準，實現不同軟件間的數據交換。2）利用Revit API二次開發，在Revit核心建模軟件基礎上形成相關插件。3）利用Excel等其他形式實現數據交換。考慮到工作穩定、操作便捷、靈活多面等優點，本次對建筑全壽命使用階段的低碳能耗分析選用了Revit API二次開發。

Revit API為開發者提供了對Revit各項功能進行訪問的大門，能夠實現對建筑模型的可視化操作和參數分析的集成[7]。本次針對使用階段能耗計算的二次開發主要為實現以下功能：

1）利用數據接口讀取如墻體、門窗、屋頂等圍護結構的傳熱系數、材料厚度、密度，以及住宅面積和設備數量等信息模型中相關參數。

2）利用代碼編譯修改及寫入如設備功率、使用時間、太陽能設備相關實測數據等其余相關參數。同時考慮到材料庫限值，新型材料及節能做法日益增多，允許對墻體傳熱系數的直接寫入。

3）利用代碼編譯實現圍護結構采暖能耗、設備使用能耗、各項低碳指標等的計算。同時考慮相關節能標準，評定指標是否合格。

具體程序開發流程見圖2所示：

圖2 Revit API二次開發流程

2.3 基于BIM的節能計算流程

依據上一章研究提出的能耗計算方法，利用本章節Revit API二次開發技術初步在Revit平臺上得到了基于BIM的節能計算研究成果。具體的建立模型、輸入參數、計算能耗和輸出低碳指標的流程圖如圖3所示：

圖3 基于BIM的節能計算流程

3 結論與展望

本文通過對LCA建筑全壽命周期使用階段的能耗分析與研究，結合十二五國家自然科學基金示范項目，首先提出了綠色建筑使用階段的低碳能耗計算分析公式。然后利用Revit軟件的API二次開發功能，依據之前提出的計算公式研究提出了基于BIM的低碳建筑能耗分析計算方法。本結論大大提高了建筑能耗方面的工作效率，無需其余復雜軟件且無需考慮模型轉換可能在數據轉換上出現的差異。同時也是首次將可再生能源引入其中，能源涵蓋廣泛，對當下較為火熱的建筑全壽命研究具有重要指導意義。

本文研究成果由于還是僅考慮建筑全壽命使用階段，且為提高計算效率，計算方法較為簡化改進。因此在此基礎上依然可以針對全壽命其余階段，同時也針對本過程進行更深入的研究與討論。