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基于BIM的建筑热工和能耗模拟分析

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1.建筑热工和能耗模拟分析

四建筑节能必须从建筑方案规划、建筑设备系统的设计开始。不同的建筑造型、不同的建筑材料、不同的建筑设备系统可以组合成很多方案,要从众多方案中选出最节能的方案,必须对每个方案的能耗进行估计。大型建筑非常复杂,建筑与环境、系统以及机房存在动态作用,这些都需要建立模型,进行动态模拟和分析。

建筑模拟已经在建筑环境和能源领域取得了越来越广泛的应用,贯穿于建筑的整个寿命期,具体应用有如下方面:


(1)建筑冷/热负荷的计算,用于空调设备的选型;

(2)在设计建筑或者改造既有建筑时,对建筑进行能耗分析,以优化设计或者节能改造方案;

(3)建筑能耗管理和控制模式的设定与制定,保证室内环境的舒适度,并挖掘节能潜力;

(4)与各种标准规范相结合,帮助设计人员设计符合国家标准或当地标准的建筑;

(5)对建筑进行经济性分析,方便设计人员对各种设计方案从能耗与费用两方面进行比较。


由此可见,建筑能耗模拟分析与BIM有非常大的关联性,建筑能耗模拟需要BIM的信息,但又有别于BIM的信息。建筑能耗模拟模型与BIM模型的差异如下:


(1)建筑能耗模拟需要对BIM模型简化

在能耗模拟中,按照空气系统进行分区,每个分区的内部温度一致,而所有的墙体和窗口等维护结构的构件都被处理为没有厚度的表面,而在建筑设计当中的墙体是有厚度的,为了解决这个问题,避免重复建模,建筑能耗模拟软件希望从BIM信息中获得的构件是没有厚度的一组坐标。

除了对维护结构的简化外,由于实际的建筑和空调系统往往非常复杂,完全真实的表述不仅太过繁杂,而且也没有必要,必须做一些简化处理。比如热区的个数,往往受程序的限制决定,即使在程序的限制以内,也不能过多,以免速度过慢。


(2)补充建筑构件的热工特性参数

BIM模型中含有建筑构件的很多信息,例如尺寸、材料等,但能耗模拟软件的热工性能参数往往没有,这就需要我们进行补充和完善。


(3)负荷时间表

要想得到建筑的冷/热负荷,必须知道建筑的使用情况,即对负荷的时间表进行设置,这在BIM模型中往往是没有的,必须在能和模拟软件中单独进行设置。由于还要其他模拟要基于BIM信息进行计算(比如采光和CFD模拟)所以可以在BIM信息中增加负荷时间表,降低模拟软件的工作量。


2.常用的建筑能耗模拟分析软件

用于建筑能耗模拟分析的软件有很多,美国能源部统了全世界范围内用于建筑能效、可再生能源、建筑可持续等方面评价的软件工具,到目前为止共有393款。其中比较流行的主要有: Energy-10、HAP、TRACE、DOE-2、BLASTT、 Energyplus、TRAN-SYS、ESP-r、Dest等。


目前国内外有许多软件工具也是以 Energyplus为计算内核开发了一些商用的计算软件,如 Desing Builder、 OpenStudio、 Simergy等。本书仅以Simergy为例,说明基于BIM的热工能耗模拟计算。


3.Simergy基于BIM的能耗模拟

(1)导入模型

BIM模型中包含了很多的建筑信息,数据量非常大。对于能耗模拟计算而已,仅仅需要建筑的几何尺寸、窗洞口位置等基本信息,目前的 gbXML文件格式就是包含这类信息的一种文件,所以直接从BIM建模软件中导出 gbXML文件就可以了。

(2)房间功能及维护结构设置

由于模型传输的过程中有可能会出现数据的丢失,所以需要对模型进行校对以保证信息的完整。

一栋建筑中有很多不同功能要求的房间,必须分别设置采暖空调房间和非采暖空调房间,对于室内温度要求不一样的房间,也应该进行单独设置;同时,对于大型建筑,某些功能空间在使用功能和室内环境要求一样的时间,为了减少计算资源的占用,需要合并房间时也在该操作中进行。

(3) 模拟基本参数设置

在设置空调系统之前,必须对模拟类型和模拟周期等进行设置。所有参数设置完成后,需要将以上设置内容保存为模板以供模拟运行时进行调用。

(4)空调系统设置

要保证计算能耗与实际结果的一致性,必须按照实际空调系统的设置情况对空调系统进行配置。具体的容量设置包括:空调类型、客气环路、冷凝水环路、冷却水环路等。



(摘自《BIM应用与项目管理》本平台整理)