基于BIM技術的內(nèi)蒙古寒冷區(qū)低能耗住宅窗戶對建筑能耗的影響

金國輝,張雪寒

內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

基于BIM技術的內(nèi)蒙古寒冷區(qū)低能耗住宅窗戶對建筑能耗的影響

金國輝,張雪寒

內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

本文基于BIM技術，以內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)吉蘭泰的某住宅建筑為例，創(chuàng)建了對應的3D信息模型，將該模型導入Ecotect綠色節(jié)能軟件內(nèi)，從而得到相應的節(jié)能分析模型。針對此模型進行相關的材質及系統(tǒng)設置，同時將窗體在能耗方面的相關因素展開探究，以圖表的方式進行展現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其中問題并給出相關建議。

內(nèi)蒙古寒冷區(qū);BIM;建筑節(jié)能;低能耗住宅

我國建筑市場是全世界最大的，面積的整體范圍高達5.6×1010m2，但是對于這個建筑來講，其單位的消耗狀況同樣是偏高的。當下來看，中國的年建筑總體面積高達2.0×109m2，相關研究表示，2020年時，中國的建筑面積總數(shù)可能會增加約3.0×1010m2[1]。伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，中國建筑在耗能方面的水平同樣會提升，相關研究顯示，其極有可能變成將來整體能源消耗放在的重要部分[2]。根據(jù)清華大學發(fā)布的建筑節(jié)能發(fā)展研究報告，建筑的冬季采暖是我國建筑能耗的最主要部分，同時也是建筑節(jié)能工作的重心[3]。

目前，原有2D建筑節(jié)能軟件以手工進行主體設計為基礎展開分析。隨著智能化、數(shù)字化技術的發(fā)展，3D建筑軟件逐漸成熟（BIM技術），并進而走向智能化與自動化。本文以內(nèi)蒙古寒冷區(qū)一棟典型住宅建筑為例，研究了該建筑基于BIM技術的低能耗住宅窗戶對建筑能耗的影響分析。

1 模擬軟件的介紹

Ecotect是由英國公司Square One開發(fā)的基于BIM技術的綠色建筑軟件[4,5]，它可以便捷地在設計過程的各個階段對設計進行評估，除此之外，其在速度與技術方面的優(yōu)勢同樣是十分突出的。Ecotect軟件當中的關鍵為準入系數(shù)法[6]，在區(qū)域數(shù)量與建筑物形態(tài)方面，其未進行規(guī)定，同時運算方式是相對靈活的。其中最為重要的即是其能夠在保證速度的前提下，以直接的方式展現(xiàn)結果。

2 BIM技術節(jié)能應用研究

2.1 工程背景

選取吉蘭泰地區(qū)某居住建筑為研究實例。該建筑位于阿拉善盟左旗的吉蘭泰鎮(zhèn)，始建于上世紀90年代，主要結構形式為混凝土框架結構，每層兩戶。建筑層數(shù)為六層(圖1)，是建筑標準層的平面圖，建筑的整體面積是1.38×103m2。把平面圖納入到Ecotect當中，即可得到圖2當中的基礎模型。

2.2 模型材質設定

對該建筑進行實地調研后發(fā)現(xiàn)，其基本構造做法見表1。

圖1 某居住建筑標準層平面圖Fig.1Achart of residential building standard floors

圖2 Ecotect基礎模型Fig.2 The basic model of Ecotect

表1 某居住建筑基本構造做法Table 1 The structure and construction of a residential building

根據(jù)表1中的構造做法，在Ecotect中分別對基礎模型構件的構造方式進行編輯，輸入基本參數(shù)值后利用構造物理屬性計算軟件EcoCal計算得出每種構件構造方式的傳熱系數(shù)、衰減系數(shù)等參數(shù)。

2.3 相關參數(shù)設定

在基礎模型建立完成之后需要對模型中的區(qū)域屬性進行設置，主要包括區(qū)域中的系統(tǒng)類型、人數(shù)、設備發(fā)熱量以及活動（運行）時間等內(nèi)容。其中，區(qū)域屬性需要按區(qū)域分別設置，包括一般設置、熱環(huán)境屬性和區(qū)域信息三個選項卡。

2.3.1 一般設定 一般設置均可使用默認的設置即：衣著量為1；相對濕度設置為30%；室內(nèi)風速為0.1 m/s接近無風狀態(tài)；室內(nèi)照度為100 lux。

就人員和運行方面來看，其含有兩方面設置內(nèi)容，即滲透率與室內(nèi)得熱狀況，在對所有房間狀況展開詳細探究的基礎上能夠明確其人數(shù)與人員活動情況（一般設為“靜坐—70 W”）。

滲透率的設置即空氣交換率為0.25。

2.3.2 熱環(huán)境屬性設定 熱環(huán)境屬性設定包括采暖、通風及空氣調節(jié)設定、UK PART L-SBEM設定（此項為英國部分建筑能耗簡化模型概述，此處將不會涉及）和運行時間設定3項。

在系統(tǒng)類型中，針對該建筑模型則選擇了全空調系統(tǒng)選項，效率為95%。

系統(tǒng)運行時間根據(jù)實際調研情況設定，工作日系統(tǒng)運行時間為晚上8點至次日早晨5點；周末系統(tǒng)運行時間為晚上7點至次日早晨6點。

3 建筑節(jié)能設計的Ecotect分析

外窗作為圍護結構，其重要的作用即是讓建筑物保持采光與通風狀況良好，同時其是室內(nèi)外失熱環(huán)節(jié)當中的關鍵內(nèi)容。相關數(shù)據(jù)表示[7]，通過外窗損失的能耗大約占圍護結構總能耗量的60%以上，經(jīng)過計算外窗玻璃損失的能耗占圍護結構總能耗的近四成[8]，外窗是建筑圍護結構中熱消耗最多的部位。

3.1 窗框的材料

建筑外窗中經(jīng)常使用的窗框材料有很多種類。以材質進行劃分能發(fā)現(xiàn)，框體多含有下述材質，即鋼窗，木窗，鋁合金窗，塑鋼窗，斷熱鋁合金窗等。各種常見材質窗框的優(yōu)缺點如下表所示。

表2 幾種常用窗框材質優(yōu)缺點的對比Table 2 Comparison among characters of usual materials in window

3.2 窗戶的玻璃材質

玻窗戶是由玻璃和窗框組成，玻璃占窗戶的80%以上，普通窗戶材料是由單層玻璃制成的。現(xiàn)今，為研究被動式低能耗住宅建筑以達到利用太陽能資源解決冬季能耗大的問題，將玻璃技術中摻入一些元素以達到吸熱的作用。詳細來講，其包括可進行熱發(fā)射的鍍膜玻璃，以及低輻射鍍膜玻璃等類型。結合此課題，主要使用3種不同材質的玻璃材料，分別是普通單層玻璃、低輻射鍍膜玻璃及雙層真空玻璃來作為對比分析。

3.3 外窗類型

外窗對能耗的影響主要由傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)決定，試驗選取單層木窗、雙層鋁窗以及雙層Low-E真空玻璃鋁窗等6種外窗，窗戶的光熱性能系數(shù)如表3所示。

表3 窗戶的光熱性能系數(shù)Table 3 The coefficients of light and heat performances in windows

通過Ecotect軟件進行冷熱負荷的計算，并按U值大小排列繪制成圖，對應的負荷指標如圖3所示。

圖3 不同材質的窗戶對能耗的影響Fig.3 The effects of materials in windows on the energy consumption

由上圖3可見，在相同的下這6種不同材質的外窗的制冷能耗情況不一，鋁合金窗框單層玻璃窗的總能耗最高，且采暖能耗也是最高的。因為上文提到，普通鋁合金窗在熱工性能方面存在明顯不足，并且采用單片玻璃，保溫隔熱性能太差。而雙層Low-E玻璃木窗所產(chǎn)生的熱負荷最低，但因為其強度低，受力易變形，因此在實際使用中應采用雙層Low-E玻璃鋁窗更為合適。

3.4 窗墻比

所謂窗墻比，即窗洞自身面積和整個房間內(nèi)單元面積之間的比值[9]。建筑耗能方面，窗墻比所占作用偏大。夏季時期，隨著窗墻比的增大，空調制冷能耗越大；但在冬季，圍護結構丟失的相應熱量和通過太陽輻射獲取到的相應熱量對等關系是較差的，其需以地理位置為基礎，在此前提下明確窗墻比，從而推動采暖消耗的降低。

3.5 南向外窗的節(jié)能模擬

住宅建筑要實現(xiàn)低能耗目標，建筑的南向外窗不僅要求有較好的隔熱保溫性能，還需要有具有的太陽得熱系數(shù)。外窗玻璃具備較好的太陽得熱系數(shù)能，天氣較冷，尤其是冬季時，太陽光就可更容易的進到室內(nèi)當中，從而提升整個室內(nèi)的溫度，減少建筑的消耗。基于規(guī)范，一般較冷區(qū)域當中的南向窗墻比會低于0.5，所以，本篇在進行探究時，會將南向窗墻比的值設置成：0.3，0.4，0.5，得出下圖4。

圖4 不同南向窗墻比對能耗的影響Fig.4 The effects of southward window and wall ratios on energy consumption

由上圖可知，在南向的窗墻比增加的同時，采暖的能耗同樣在提升，之所以會出現(xiàn)這樣的狀況，是由于提升南向窗墻比后，冬季采暖期間會增加單位面積通過圍護結構的傳熱耗熱量，即建筑物的采暖能耗隨窗墻比的增大而增大。而通過減下窗墻比，能夠顯著降低全年的總能耗。隨著窗墻比的增大，對于室內(nèi)來講，其采光系數(shù)同樣得到提升，空調能耗會隨之減少。根據(jù)房間的朝向和功能的不同選擇適合的窗墻比，一方面可以讓室內(nèi)的相應采光與舒適的得到保障，另一方面還能節(jié)約能源。

4 結語

本文按照內(nèi)蒙古寒冷區(qū)某居住建筑的建筑圖紙建立BIM模型，并將模型導入到Ecotect軟件中，同時對環(huán)境與材質進行設定。以Ecotect軟件為基礎，模擬可以影響窗體耗能方面的因素，進而根據(jù)圖表，給出結論，同時進行建議。就當下來看，BIM系列軟件在中國內(nèi)地發(fā)展時間是較短的，因此還沒有完全在建筑業(yè)的各專業(yè)中運用。在一些情況下，模型在跨軟件導入的時候可能會發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失，從而影響建筑綠色節(jié)能分析的效果。雖然BIM技術用于綠色建筑還存在這些問題，但是BIM技術用于綠色建筑分析是大勢所趨，二者的有機結合也一定會對建筑節(jié)能以及可持續(xù)發(fā)展起到巨大的推動作用。

[1]車立兵.淺析生態(tài)節(jié)能建筑的規(guī)劃與設計[J].建筑與發(fā)展,2013(3):83,85

[2]宋樹信.BIM技術在綠色建筑設計中的應用[J].中外建筑,2015(10):148-149

[3]清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2011[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011

[4]云 朋.ECOTECT建筑環(huán)境設計教程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[5]余 莊.建筑智能設計:計算機輔助建筑性能的模擬與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[6]云 鵬,黃俊鵬.生態(tài)設計軟件Ecotect在建筑設計中應用//浙江省土木建筑學會.首屆中國建筑節(jié)能總工高峰論壇論文集[C].杭州:中國建筑節(jié)能總工高峰論壇,2007

[7]張云霞,朱 琨.節(jié)能窗的研究應用現(xiàn)狀及存在問題探討[J].能源與環(huán)境,2008(3):13-15

[8]劉宇寧,陳 超,屈 璐,等.玻璃窗在建筑節(jié)能中的作用及其特征性分析[J].建筑熱能通風空調,2006,25(6):80-84

[9]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部.嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準JGJ26-2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

The Effect of Residential Windows in Low Energy-saving Zones of Inner Mongolia on the Buildings Based on BIM

JIN Guo-hui,ZHANG Xue-han
School of Civil Engineering/Inner Mongolia University of Science&Technology,Baotou014010,China

Based on BIM technology,a 3D information model is created by taking a residential building in Jilantai,Inner Mongolia as an example and then the model is imported into Ecotect green energy-saving software to get the corresponding energy-saving analysis model.The material and system settings for the model,while the energy consumption of the form in the relevant factors to explore the way to show the chart to find the problem and give recommendations

Cold area of Inner Mongolia;BIM;energy-saving building;low energy house

TU201.5

A

1000-2324(2017)04-0528-04

2016-10-20

2016-11-12

內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2014MS0535;2016MS0516);國家自然科學基金項目(51668051)

金國輝(1966-),男,碩士,教授,研究方向:土木工程建造與管理.E-mail:jinguohuimba@163.com