基于BIM技術的高校教學建筑能耗仿真及節能改造*

巫春玲,任 凱,田一凡,周 潛,夏 宇

(長安大學 電子與控制工程學院,陜西 西安 710064)

0 引 言

在高校公共建筑中,教學建筑作為高校建筑中數量最多、使用頻率最高的公共建筑的代表,其存在著建筑能源消耗巨大、缺乏節能設計和建筑能源利用率低等不可忽視的問題[1-7]。教學建筑為了維持正常的運行,往往需要消耗大量的能源,從而導致高校資金和能源的浪費。因此,對一些老舊的、能耗大、能源利用率低的教學建筑急需進行節能改造[8-9]。

本文以教學建筑節能設計研究為出發點,利用BIM技術對其建立模型,并進行能耗模擬分析,闡述教學建筑在節能方面存在的問題,提出適用于高校教學建筑節能設計策略[10-11]。

1 BIM模型建立

1.1 項目概況

長安大學渭水校區鴻遠教學樓位于陜西省西安市未央區,建于2012年,為5層的綜合型教學樓。該建筑一區和二區的總建筑面積14 338 m2,建筑高度約22.5 m。

1.2 BIM核心模型建立

該建筑模型的主要教學建筑分為一區和二區,在樓層平面繪制軸網,完成軸網繪制后對其進行編號,完成之后便可對建筑主體進行繪制。軸網繪制完成以后,在建筑面板上選擇創建的“墻”、“門”、“窗”、“柱”以及“樓板”等建筑構件,繪制墻體和樓板,并在墻體合適的位置插入門和窗,完成建筑模型的主體部分。長安大學鴻遠樓平面圖如圖1所示。長安大學鴻遠樓Revit模型圖如圖2所示。

圖1 長安大學鴻遠樓平面圖

圖2 長安大學鴻遠樓Revit模型圖

2 鴻遠教學樓能耗分析計算

2.1 建筑模型的數據轉換

能耗分析軟件Ecotect主要功能是支持熱工分析、采光分析、風環境分析、日照分析以及眩光分析等建筑光熱風環境的計算分析。

建筑模型是在軟件Revit中建立,其默認文件格式為RVT文件,而RVT文件不能在軟件Ecotect中直接打開使用,因此需要對其進行文件格式的轉換。建筑模型的數據轉換界面如圖3所示[12]。

圖3 建筑模型的數據轉換界面

2.2 熱工計算及能耗分析

2.2.1 屬性參數設置

為方便對目標建筑進行能耗模擬分析,以鴻遠樓1F為目標建筑對其進行能耗模擬分析計算。

為了展示建筑能耗在選材方面有較大的節能空間,將建筑選取兩種不同的材質以便進行分析比較[6]。方案一選材為鴻遠樓現用的普通非節能選材,在保溫性能方面較差,受外界溫度變化的影響較大,需要消耗額外的能源來維持室內溫度的恒定。方案二選用在導熱系數(主要影響因素)、準入系數、太陽吸收率、熱衰減系數、熱滯后等方面性能更為突出材料。兩種選材方案對比如表1所示。兩種選材方案的導熱系數對比如表2所示。

表1 兩種選材方案比較

表2 兩種選材方案的材料導熱系數對比

材料導熱系數越小,其保溫隔熱性能越好。從表2可以看出,方案一選用的建筑構件材料的導熱系數都要比方案二選用的建筑構件材料的導熱系數要大,說明方案二選用的建筑構件材料更符合節能保溫材料的要求。

首先,對建筑內熱舒適性區域環境的參數進行設定。熱工分析區域管理一般設定界面如圖4所示。

圖4 熱工分析區域管理一般設定界面

在建筑內熱舒適性區域環境的參數設定中,將室內人員的衣著設置為短袖和T恤,其熱阻值為0.4。其室內相對濕度為60%,風速為0.30 m/s,照度水平為400 lx。

在室內人員和設備運行的參數設定中,根據典型的辦公區域人均占有面積為12 m2,可計算出該教學樓1F各個房間可容納的人數?！癝edentaty—65W”選項是根據建筑內人員不同的工作行為來確定人的平均生物熱功率,通常情況下在教學樓學習的人平均生物熱功率是65 W。根據室內單位面積照明和設備負荷參數,顯熱得熱數據為5 W/m2,潛熱得熱為2 W/m2。按照建筑內部使用氣密性,空氣交換率設置為0.5 ach,環境附加換氣率為0.25 ach[12]。

“時間表”選項是根據人員在建筑內活動的時間和規律來進行設定的。通過觀察在不同的時間段室內的人數來確定各個時間的曲線節點。教學樓1F熱工分析計算時間表如圖5所示。

圖5 教學樓1F熱工分析計算時間表

其次,對建筑的熱環境屬性進行設定。假設該教學樓全部教室都配有空調采暖措施,將采暖與供冷系統設置為全空調系統,工作效率為95%。根據GB 50189—2015《公共建筑節能規范設計》[2]中規定,采暖日室內溫度按照18 ℃,舒適度溫度在18～26 ℃區間,因此將空調的舒適度范圍調整為18～26 ℃,考慮到周末也有部分同學在教學樓內學習,教學樓采暖與供冷系統在周末的運行時間與工作日相同(8∶00～22∶00)。采暖與供冷系統的設置如圖6所示。

圖6 采暖與供冷系統的設置

2.2.2 逐時溫度分析

在溫度分析的控制面板中,以建筑物全年中最冷的一天為研究對象進行模擬分析,可得到該教學樓1F一年365天溫度的變化分析圖。方案一選材的逐時溫度曲線如圖7所示。方案二選材的逐時溫度曲線如圖8所示。

圖7 方案一選材的逐時溫度曲線

圖8 方案二選材的逐時溫度曲線

圖7中,1號房間代表教學樓1F其中一個教室,曲線代表該教室在一年中最冷一天的溫度變化;2號房間代表教學樓1F其中一個教室,曲線代表該教室在一年中最冷一天的溫度變化;3號房間代表教學樓1F其中一個廁所,曲線代表該廁所在一年中最冷一天的溫度變化;4號房間代表教學樓1F其中一個樓梯間,曲線代表該樓梯間在一年中最冷的一天的溫度變化。

將圖7與圖8的溫度曲線作對比,發現圖7和圖8中室內溫度變化都隨室外的溫度升高而升高,降低而降低,但整體上室內的溫度都基本保持恒定。圖7中4個房間的室內溫度都維持在-3 ℃,與室外0∶00～10∶00的溫度(-7 ℃)僅相差4 ℃,甚至比室外12∶00～20∶00中的最高溫度5 ℃還要低8 ℃;圖8中4個房間的室內溫度都維持在0 ℃,比室外0∶00～10∶00的溫度(-7 ℃)高7 ℃,且4個房間的室內溫度在大部分時間段都高于或等于室外溫度,說明方案二選材建筑的保溫性能更好,所需的能耗更低。

2.2.3 逐月能耗分析

方案一選材、方案二選材的逐月能耗分別如圖9、圖10所示。由圖9和圖10可以很直觀地看出建筑物每個月制冷和制熱所需的能耗,也可以進行逐月能耗的對比。

圖9 方案一選材的逐月能耗

圖10 方案二選材的逐月能耗

兩種選材逐月能耗數據對比分別如表3所示。

表3 兩種選材逐月能耗數據對比

由表3可看出,在方案一普通非節能選材下,教學樓1F一年的供熱負荷為235 790 888 Wh,制冷負荷為90 435 129 Wh,全年能耗總負荷為326 226 017 Wh;在方案二節能選材下,教學樓1F一年的供熱負荷為165 312 259 Wh,制冷負荷為89 273 350 Wh,全年能耗總負荷為254 585 609 Wh,1F全年單位面積內累計供熱負荷為11 529 Wh/m2,累計制冷負荷為6 226 Wh/m2。

鴻遠樓為5層標準建筑,因此可以推算,在方案一普通非節能選材下,整棟建筑一年供熱負荷為1 178 954 440 Wh,制冷負荷為452 175 645 Wh,全年能耗總負荷為1 631 130 085 Wh,全年單位面積內累計供熱負荷為82 225 Wh/m2,累計制冷負荷為31 535 Wh/m2;在方案二節能選材下,整棟建筑一年供熱負荷為826 561 295 Wh,制冷負荷為446 366 750 Wh,全年能耗總負荷為1 272 928 045 Wh,全年單位面積內累計供熱負荷為57 645 Wh/m2,累計制冷負荷為31 130 Wh/m2。

根據GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》[3],陜西省西安市民用建筑的年單位面積耗熱量指標約束值為0.21 GJ/(m2·a),換算成熱能耗負荷值為58 333 Wh/m2。從表3可知,在方案一普通非節能選材下,教學樓建筑全年單位面積累計熱負荷為82 225 Wh/m2,其值遠超過西安市建筑耗熱量指標的約束值;在方案二節能選材下,教學樓建筑全年單位面積累計熱負荷為57 645 Wh/m2,其值雖未超過西安市建筑耗熱量指標的約束值,但與約束值很相近,可以通過其他節能措施進一步減少建筑的能耗。因此在實際運用中,應盡可能地選擇綠色節能的建筑材質。

2.2.4 熱負荷分布分析

為了清楚直觀地了解到建筑在不同途徑中得失熱情況,從而了解影響建筑得失熱的主要方面,需進一步改善其性能和優化其設計,從而達到建筑節能的目的。

兩種選材的失熱分布如圖11所示。兩種選材的得熱分布如圖12所示。

從圖11、圖12可看出,方案一選材的建筑圍護結構失熱占比高達74.50%,而方案二選材的建筑圍護結構失熱占比為48.10%,說明方案二選材的建筑圍護結構的保溫性更好;方案一選材的建筑受太陽光照射獲得的熱量達到51.10%,而方案二選材的建筑受太陽光照射獲得的熱量僅為21.70%,說明方案二選材的建筑隔熱性能更好;方案一選材的建筑從房間內的設備運行和人員活動獲得的熱量僅占13.50%,而方案二選材的建筑從房間內設備運行和人員活動獲得的熱量高達56.40%,說明方案一選材的建筑蓄熱性能和門窗的氣密性都較差,相比于方案一選材,方案二選材的建筑在蓄熱和門窗的氣密性方面都表現良好。

圖11 兩種選材的失熱分布

圖12 兩種選材的得熱分布

通過對教學樓1F進行熱量損耗與獲取途徑進行分析,可以獲得建筑物不同構件的能耗得失的詳細情況,對建筑物能源消耗影響最大的是建筑圍護結構。為了盡可能降低建筑能耗,應對建筑圍護結構相關的熱工性能進行深入了解,這樣對建筑物的材料選擇、外形結構設計以及采暖空調系統的選擇提供參考依據。

2.3 光環境分析

教學建筑照明系統所消耗的能源為教學建筑總能耗的第2位,因此為了減少人工照明所消耗的能源,必須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,從而減少高校在人工照明方面所投入的資金,這對于降低建筑總能耗、提高能源利用率、實現建筑的節能要求起著十分重要的作用[5]。

GB 50033—2013《建筑采光設計標準》[1]中將全國劃分為5個光氣候分區,其中西安屬于Ⅳ區。該標準中規定:教育建筑普通教室的采光不應低于Ⅲ級采光標準值,側面的采光系數不應低于3%,室內天然光照度不應低于450 lx。教育建筑的采光標準值如表4所示。

表4 教育建筑的采光標準值

為了使教學樓1F需要人工照明的地方降到最低,需要對1F的自然采光進行分析。為了使模擬的采光數據更加精確,分別對教學樓一區和二區進行采光模擬分析。

在采光分析的控制面板中,選擇CIE全陰天的天氣條件對教學樓1F進行采光模擬分析,這是為了模擬最差天氣環境中的室內采光條件,得出自然采光模擬結果。教學樓1F一區和二區采光系數如表5所示。

由表5可知,自然采光條件下,教學樓1F一區采光系數標準值在3%以上的面積為65.29%,二區采光系數標準值在3%以上的面積為58.31%。不管是一區還是二區,其室內采光系數標準值低于3%的面積約為40%,說明在自然采光條件,教學樓中有較多教室的采光系數標準值達不到國家規定的標準,而這些房間需要人工照明來滿足照度要求,導致建筑過多的能源消耗。因此,在對建筑設計初期,應充分考慮建筑的窗地面積比,盡可能利用天然光使建筑房間內的采光系數達到標準值,從而減少人工照明,降低照明所需的能耗。

表5 教學樓1F一區和二區采光系數

為了進一步比較自然采光和人工照明對教學樓室內采光照度的影響,對一區進行自然采光和人工照明性能進行比較分析,通過采光照度清楚直觀展示自然采光和人工照明對室內光環境的影響。一區自然采光照度和全局照度數據如表6所示。

表6 一區自然采光照度和全局照度數據

由表6可知,在自然采光照度下鴻遠樓室內照度達到450 lx以上的區域為44.64%,在相同條件下啟動人工照明,在全局照度下鴻遠樓室內照度達到450 lx以上的區域為47.64%。由此可知,鴻遠樓僅在自然采光的條件下其室內50%以上區域的照度都達不到國家規定的照度標準,說明該建筑自然采光利用率低,也反映該建筑窗地面積占比小,需要進行人工照明,加大了建筑照明系統的能源消耗。而在全局照度下也有50%以上的區域的照度沒達到國家規定的照度標準,說明利用人工照明來滿足室內照度要求將要消耗大量的能源和資金。因此,盡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 結 語

本文通過對目標建筑長安大學鴻遠樓的Revit項目模型的建立,運用Ecotect模擬軟件對建筑進行模擬分析。通過對建筑圍護結構選用兩種不同的材質,對其能耗仿真比較,發現建筑現有圍護結構的不足,提出了較為節能的建筑圍護結構的選材方案,證明能耗仿真可以為建筑的節能改造提供一定的依據,為了實現建筑節能,可以選用方案二的建筑選材;通過對建筑光環境和風環境的模擬分析,發現其采光設計和室內通風環境的不足,基于其模擬分析結果提出優化建議。證明了教學建筑在節能方面具有較大的潛在空間。