基于BIM的空調實驗室能耗仿真與分析

巫春玲 / 李 陽 / 謝美美 / 李永萍 / 安諾靜

(1.長安大學，陜西 西安 710064；2.陜西省建筑設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710018)

基于BIM的空調實驗室能耗仿真與分析

巫春玲1/ 李 陽2/ 謝美美1/ 李永萍1/ 安諾靜1

(1.長安大學，陜西 西安 710064；2.陜西省建筑設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710018)

使用BIM技術的能耗分析軟件EcotectAnalysis對某空調實驗室建立了房間模型，并對房間的區域屬性進行了設置。在該模型的基礎上進行了熱工計算及能耗分析。試驗表明采用BIM技術的Ecotect能耗分析軟件能夠有效對實驗室進行全方位地能耗分析。

BIM技術 能耗分析 熱工計算 建模

1 建筑能耗分析

建筑能耗分析是指對建筑物運行階段所消耗的能源進行計算和分析，例如空調系統、燈光照明系統及動力設備等的能耗。通過對每個部分的能耗進行計算分析，從而得到整個建筑的能耗情況，為后續的節能設計、節能改造、運營管理等提供重要的指導[1]。

本文以某空調實驗室為例，使用能耗模擬軟件 Ecotect Analysis對該空調實驗室進行建模，并對房間的區域屬性(該建筑中人員的衣著、運動情況、工作時間表，室內風速、通風情況、熱量得失情況、暖通空調情況等)進行了設置，然后在該模型基礎上進行熱工計算及能耗分析，分別給出西安最熱和最冷的一天的逐時溫度情況以及逐時熱量得失情況的熱環境分析。

2 BIM 技術及能耗模擬軟件 Ecotect Analysis

Building Information Modeling(BIM)即建筑信息模型。美國國家BIM 標準對其定義：“BIM是一個設施(建設項目)物理和功能特性的數字表達；BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關這個設施的信息，為該設施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據的過程；在項目不同階段，不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協同作業”[1]。

建立BIM模型常用的建筑能耗分析軟件主要有：EcotectAnalysis、IES、eQUEST、GBS、EnergyPlus、DOE-2等。本文的研究即是基于Ecotect Analysis建筑物理環境性能分析軟件進行的能耗分析。

Autodesk Ecotect Analysis軟件是一款功能全面的可持續設計及分析工具，其中包含應用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現有建筑和新建筑的設計性能。該軟件將在線能效、水耗及碳排放分析功能與桌面工具相集成，能夠可視化及仿真真實環境中的建筑性能[4-5]。該軟件很早就被引入中國市場，操作簡單，界面圖形化程度高，運算速度快，并且其運算結果具有高度的圖形化效果，便于非專業化的設計人員迅速掌握。ECOTECT軟件在國內已經擁有大量用戶群，據調查，大部分設計建筑節能方面的國內網站都有相應的ECOTECT板塊。國內的建筑設計人員也開始在建筑設計階段采用ECOTECT軟件，這樣就能夠將建筑的各項物理參數與建筑的設計方案結合起來，在方案構思階段就能根據得到的數據對建筑設計的方案進行改進。

3 使用Ecotect軟件對空調實驗室進行建模

使用Ecotect軟件完成對空調實驗室的模型建立，并對實驗室的區域屬性、人員情況、材料情況。空調系統種類、運行時間以及溫度范圍等進行設置，在此基礎上完成能耗仿真和分析。

3.1對空調實驗室的建模

如圖1所示為利用Ecotect軟件對空調實驗室進行的立體建模。其中的大房間為辦公區域，靠近窗戶的3臺機柜是3個電腦。大房間內的6個小房間是實驗房間，房間墻面都屬于室內墻，是“屋中屋”，沒有外墻，不會受到太陽輻射熱影響。大房間旁邊的房間里面是該空調系統的水系統。該房間內沒有人，不需要對房間溫度進行控制。

圖1 空調實驗室模型

為方便文章描述及模型的直觀效果更好，在軟件中將圖1中粗實線部分定義為Zone1區域，包括整個辦公區域和六個小實驗房間。將圖1中虛線部分定義為Zone3區域，包括圖1中Zone 1區域北側的房間，即容納該空調系統水系統的房間。將圖1中的帶有數字1的實線部分定于為Roof Zone區域，包括圖1中Zone1區域和Zone3區域的屋頂部分。

3.2對模型進行區域屬性設置

Ecotect中的區域屬性設置就是對該建筑中人員的衣著、運動情況、工作時間表，室內的風速、通風、熱量得失情況以及建筑物內的暖通空調情況進行設置。

圖2～4為Zone1區域的區域屬性設置，Zone1區域在模型中是大房間，即有人辦公、活動的區域。

圖2 房間的綜合設置

圖3 人員時間表

圖4 空調系統運行時間設置

圖2是區域屬性基本設置，其中人員的服裝熱阻值為0.6，即人們穿著T恤和長褲；在裝有空調的室內，房間溫度為19～24℃、濕度為40%～60%時，感覺最適宜，因此這里將房間的濕度設置為60%；在辦公室環境下，要求室內的風速<1.5m/s(因為當風速>1.5m/s時會將桌子上的文件吹得翻頁)，這里將室內的風速設置為0.5m/s；燈的照度設置為400lx，符合辦公桌或者工作室要求的照度；房間的占用情況設置為3個人，在房間內做的事情是簡單的辦公打字；內部得失熱的情況及通風率設置成系統默認值。

圖3為人員時間表，該時間表是一個工作時間表，即每周一～周五為標準的工作日，8:00～18:00房間內有人，周六、周日是標準的周末，房間內無人。

圖4是熱屬性設置，選擇全空調系統，最低溫度設置為22℃，最高溫度設置為26℃。空調運行時間是工作日的8:00～19:00。

這樣就完成了Zone1的區域屬性設置，即空調實驗室的辦公區域。

4 熱工計算及能耗分析

建筑熱環境分析就是求解在室內、外各種擾動的作用下室內的熱環境參數，其中外部擾動主要是指室外各種氣候的影響因素，包括室外溫度、濕度、太陽輻射強度等；內部擾動主要是指室內的設備、人員等影響因素，可以直接影響室內熱環境。以下主要給出逐時溫度分析和逐時熱量得失情況。

4.1逐時溫度分析

通過對逐時溫度的模擬分析可知每個區域中某一天內的逐時溫度變化情況以當天某些室外氣象數據(比如室外溫度、太陽輻射量、風速等)為其主要影響因素。

圖5是熱環境分析后得到的西安全年中最熱的一天的每小時溫度情況。圖5下方三條虛線表示的是當地的氣象數據，實線表示的是空調實驗室內部的環境溫度。圖5中的1號實線表示的是室外環境溫度，2號實線表示的是室內環境溫度。可以注意到，從8:00開始，室內的環境溫度開始下降到所設置的溫度范圍內并且維持到18:00。在下午的18:00之后空調系統停止運行，室內溫度開始上升。

圖5 西安最熱的一天逐時溫度情況

圖6是熱環境分析后得到的西安一年中最冷的一天。同樣，在空調運行的時間范圍內室內的溫度能夠維持在所要求的溫度范圍內(22～26℃之間)，其中曲線1所示為室內溫度，曲線2為室外溫度。

圖6 西安最冷的一天逐時溫度情況

圖7 逐時熱量得失情況a

4.2逐時熱量得失情況

對于逐時熱量得失情況的分析，主要包含了得熱和失熱等與建筑能耗相關的逐時數據。圖7為逐時熱量得失分析圖，包含了圍護結構導熱的得失熱(Conduction)、逐時的空調采暖負荷(HVAV Load)、綜合溫度產生的熱量(Sol-Air)、太陽直射輻射得熱(Direct Solar)、冷風滲透得失熱(Ventilation)、內部人員與設備得熱(Internal)、區域間得失熱(Inter-Zonal)七項內容。

圖7所示是西安一年中最熱一天的分析數據。其中，曲線1是空調暖通系統得失熱的情況，從8:00～18:00，空調系統一直處于得到熱量并且基本趨勢是上升的情況，這是由于8:00空調系統開始運行，對房間起到制冷作用，空調系統相對來說是得到熱量。圖7中8:00～9:00，空調系統得到的熱量呈上升趨勢，這是因為空調系統剛開始運行時需要將房間溫度調節到設定的范圍內，空調是上升運行的；9:00～12:00空調得熱曲線較為平穩，這是因為早上的溫度不是很高，在房間溫度調節到設定范圍之后空調就保持平穩運行；12:00之后空調的得熱再呈上升趨勢是因為下午的室外溫度達到一天中的高峰，空調系統又需要上升運行才能夠使得室內溫度維持在設定的范圍內；在18:00之后空調的制冷停止，空調對外界的智能作用停止了，此時空調系統溫度還是低于外界溫度的，但空調系統得到的熱量開始快速下降。

圖8為西安一年中最冷的一天的逐時得失熱的情況。與西安一年中最熱的一天對比，可以發現在空調運行時段，房間是得熱的，空調系統是失熱的，其中曲線1是空調系統的逐時熱量得失情況，曲線2是房間熱量得失情況。另外，在冬季，室內的很多熱量都是通過傳導形式散出的，夏季則沒有這種情況，因為夏天時室外的溫度與室內相差不是很多，室內會通過傳導形式得到熱量。

圖8 逐時熱量得失情況b

5 結束語

文中給出BIM技術的定義，并說明了BIM的建模軟件和能耗分析軟件，采用Ecotect能耗分析軟件對某空調實驗室建立了房間模型，并對房間的區域屬性進行了設置，。然后在該模型基礎上進行了熱工計算及能耗分析，分別給出西安最熱和最冷的一天逐時溫度情況以及逐時熱量得失情況的熱環境分析。試驗表明，采用BIM技術的Ecotec能耗分析軟件能夠有效地對實驗室進行全方位的能耗分析。

[1] 何關培,王軼群,應宇墾.BIM 總論[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[2] 李崢嶸,李浩翥,郁盛等.建筑能效當量能耗方法研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2010(03):353-357.

[3] 李曉山.建筑能耗分析方法的研究與實例[J].節能,2012(04):34-37.

[4] 徐俊芳,田昕,江青文等.北京市住宅小區建筑全年能耗分析[J].節能技術,2011(03):252-255.

[5] 首靈麗.基于 BIM 技術的建筑能耗模擬分析與傳統建筑能耗分析對比研究[D].重慶大學，2013.

SimulationandAnalysisofEnergyConsumptioninanAir-conditioningLaboratoryBasedonBIM

Wu Chunling / LiYang / Xie Meimei / Li Yongping / An Nuojing

A room model was set up for an air conditioning laboratory by using BIM energy consumption analysis software Ecotect Analysis, and the area properties of the room were set up too. Based on the model, thermal calculation and energy consumption analysis were carried out. The experiment shows that the Ecotect energy analysis software using BIM technology can analyze the energy consumption of the laboratory effectively.

BIM technology, energy consumption analysis, thermal calculation, modelling

巫春玲，工學博士，博士后，副教授，碩士生導師。主要從事控制理論與控制工程以及建筑電氣與智能化的科研和教學工作；李 陽，助理工程師，陜西省建筑設計研究院有限責任公司，研究方向主要為智能建筑；謝美美，碩士研究生，研究方向主要為建筑電氣及建筑電氣與智能化。