BIM技術在嚴寒地區暖通空調設計選型中的運用

吳波

【摘? 要】論文將BIM技術應用于實際建設工程項目，根據設計數據建立立體形象的三維模型，然后利用數字信息對目標物的真實信息進行模擬。BIM技術的主要特點是立體化、模擬性以及可視化。在暖通空調設計過程中對BIM技術進行有效應用，為設計方案進行改進和優化，提高暖通空調設計的科學性以及合理性。

【Abstract】This paper applies BIM technology to the actual construction project， builds a three-dimensional image model based on the design data， and then uses digital information to simulate the real information of the object. The main features of BIM technology are three-dimensional， simulation and visualization. In the design process of HVAC， BIM technology is effectively applied to improve and optimize the design scheme， so as to improve the scientific nature and rationality of HVAC design.

【關鍵詞】BIM;暖通空調;能耗;碳排放

【Keywords】BIM; HVAC; energy consumption; carbon emissions

【中圖分類號】TU83;TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）03-0190-04

1 引言

建筑設計中結構、電氣、暖通等專業越來越多地應用BIM軟件技術，隨著BIM技術的日新月異，該技術在項目設計、項目施工及后期維護中得到了廣泛的推廣。使用BIM技術構建的實體模型，其實就是使用軟件模擬構建的三維模型數據庫，是將二維圖紙從抽象到具體的跨越式轉化，是工程項目從方案構思到設計定稿再到實際施工以及后期運營維護保養整個過程全要素的模擬[1]。不同專業的設計師可以在這個平臺上共享數據與溝通，由于模擬數據能夠比較真實地還原實際情況，對設計質量和效率的提升起到了優秀的輔助作用。隨著經濟發展和可持續發展的需要，建立綠色建筑，減少建筑能耗已經變成暖通空調設計的工作重點之一[2]。本文通過將BIM技術應用于實際建設工程項目，模擬出不同方案所產生的能耗和碳排放，在這兩個方向上為暖通空調設計選型提供改進和優化意見。

2 BIM建模前的參數設定

2.1 工程概況

“華都商業廣場”商業開發工程項目位于哈爾濱市道外區團結鎮天恒大街與黃家崴子路交匯處。該項目主要包括零售、餐飲、配套設施、休閑4個板塊。規劃布局為地下1層地上3層的商業綜合體，經營面積總共50000m2。共分4個樓層：B1為生活超市、特色主題店;1F為餐飲、購物、服飾、彩妝、珠寶;2F為兒童早教、娛樂、教育培訓;3F為主題影院、餐飲、水吧等。其中1層面積15776m2，使用功能兼具大型商業項目代表性，因此，選定該區域作為此次空調系統節能應用的研究對象。

2.2 維護結構

該項目1層主要用途為商業使用，使用時間為1年365天，每天工作時間為9：00～21：00。根據項目位置信息、氣象信息對該項目進行三維建模。建筑的圍護結構設計參數均采用Revit中嚴寒地區默認數據，該數據均滿足標準GB/T 7106—2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法》中規定的6級要求。外窗外門采用隔熱斷橋型材，傳熱系數設為1.930W/m2/K。屋頂采用聚苯板XPS材料，傳熱系數設定為0.24W/m2/K。外墻采用中間層保溫，傳熱系數設定為0.34W/m2/K。

2.3 氣候數據模擬

該項目所在城市哈爾濱位于東經125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′，平均海拔143.0m，使用天氣數據模擬軟件Weathertool直接調用該城市數據，如圖1～圖3所示。該城市氣候情況：哈爾濱處于北溫帶，受西部利亞低壓控制，屬溫帶季風氣候，最大特征是夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，且冬季結冰期長達半年之久。春秋兩季時間短，溫度提升速度快，屬于典型的過渡季節。該市夏季最高溫度36.7℃，冬季最低溫度-38.7℃。供暖季設計為10月到第二年5月，最大熱負荷為839.3kW，根據規范冬季設計溫度為16～18℃;制冷季設計為6～9月，最大冷負荷為1619.7kW，根據規范夏季設計溫度為26～28℃，見表1～表3。

2.4 基于BIM技術的暖通空調系統分析

通過BIM軟件對該商業建筑全年冷熱負荷進行模擬，如圖4、圖5所示。

根據該項目的特點選用了3種不同的設計方案：

方案一：在夏季使用冰蓄冷方式制冷，在冬季時使用熱水鍋爐方式供暖。冰蓄冷空調特點：

①蓄冷空調系統一般在夜間儲冰，充分利用電力部門峰谷電價政策，分時電價差值愈大，越節省電費;

②蓄冷空調制冷主機功率較小，因為可以在夜間工作，工作時長可以延長;

③蓄冷空調系統需要額外增加儲冰及熱交換設備，因此，建造成本比常規空調系統要高;

④蓄冷空調的制冷效率取決于釋冰效率的快慢，釋冰效率主要決定因素是冰層厚度，冰層越薄釋冰效率越高，但是同時也帶來該設備體積龐大的問題，需要提供額外較大的場地空間用以安裝;

⑤蓄冷空調制冷主機設備利用率高，因制冰過程負荷穩定波動較小，主機狀態穩定滿負荷運行比例增大;

⑥蓄冷空調在運行中儲冰和釋冰過程都存在較大的冷量損失，因此，實際使用過程中不一定節能，只是合理利用電價峰谷段。

方案二：在夏季使用地源熱泵制冷，在冬季時使用地源熱泵供暖。地源熱泵是以巖土體、地層土壤、地下水或河、湖水為低溫熱源，由地熱能交換系統、水地源熱泵機組、建筑物內系統組成的中央空調系統。根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統、地埋管地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。該項目具體采用地埋管地源熱泵系統，冷卻水管通過挖井立埋的埋管方式，井水作為冷熱量載體完成熱泵機組和大地土壤的熱交換。地源熱泵空調特點：

①利用可再生能源：屬可再生能源利用技術;

②高效節能，運行費用低，屬經濟有效的節能技術;

③節水省地;

④環境效益顯著;

⑤運行安全穩定，可靠性高;

⑥一機兩用，應用范圍廣。

方案三：在夏季使用水冷機組與冷卻塔相結合的方式制冷，在冬季時使用熱水鍋爐的模式制熱。末端送風主要通過空氣處理單元（AHU）進行，AHU風柜主要包括新風段、過濾段、回風段、表冷段、加熱段、電加熱段、加濕段、送風段組成[3]。主要工作原理是抽取室內空氣和部分新風以控制出風溫度和風量來維持室內溫度，是一個非常常見的暖通空調系統方案。

圖6～圖8為3個方案的每月用電、用氣能耗統計。通過數據查詢哈爾濱天然氣的單價為3.04元/m3，商業電價為0.932元/kW · h。計算3個方案耗單位電量與耗氣量費用如表4所示。

2.5 方案分析

方案一使用冰蓄冷方式制冷，在實行錯峰電價的城市有一定的經濟優勢，但哈爾濱市未實行錯峰電價，該方案就造成能耗偏高的弊端。

方案二夏季使用地源熱泵制冷，造價、制冷制熱效率均存在優勢，但也應考慮該商業建筑地理位置位于我國嚴寒地區的因素。因此，冷卻水源溫度在冬季極易接近冰點，建議應分析該商業建筑土壤溫度變化及淺層地下水溫度變化至少1年的監測數據。同時為了保證該方案冬季采暖室內溫度能夠達到設計要求，建議加裝1套熱水鍋爐系統以作備份。

方案三系統較為常見，在這里不作過多分析。以上分析僅從能耗角度出發，但也應考慮方案經濟成本及施工難易度等因素，僅為暖通空調設計選型提供改進和優化意見。

3 碳排放量

暖通空調系統在使用過程中還會排放大量的CO2，降低碳排放成為可持續經濟發展中最重要的任務之一[4]。通過BIM對3個方案的分析得到圖9～圖11的數據。

由表5全年碳排放模擬結果可知，方案二排放量最低。方案二如果不考慮冬季冷卻水源溫度可能過低的情況，其冬季幾乎可以不使用備用的鍋爐系統，該系統夏季制冷約比方案三節能30%，冬季制熱約比鍋爐系統節能40%。從能源利用和消耗方面對環境造成的影響最小。所以將該方案數據導入RevitMEP模型中，建立最優的暖通空調系統模型。

4 結語

在暖通空調設計過程中，BIM技術優勢主要表現如下：①BIM技術能夠突出設計的可視化，三維模型動畫功能方便設計人員更加直觀形象地觀看和修改設計方案;②BIM技術能夠在最大程度上保證暖通空調系統的設計精度，方便監理人員對施工管理質量以及效率進行控制;③BIM技術可以對施工過程進行虛擬模擬，具有時間維度以及三維可視化的功能，方便施工人員及時發現設計方案在實施過程中可能會出現的安全隱患以及施工過程進行優化。

本文利用BIM軟件技術從能耗和碳排放兩個方向進行模擬，對暖通空調設計方案選型提出了新改進和優化建議。本文以BIM技術為基礎對氣象數據模擬、建筑外圍護結構設計參數模擬、暖通空調多種方案能耗及碳排放模擬進行了研究，使得暖通設計方案從抽象的數據到具體三維模型的跨越式轉化，體現了BIM技術在暖通空調設計上的優越性和獨特性。本文的重點是BIM技術對暖通空調設計方案中的合理性建議，但本文主要是從模擬能耗及碳排放方向進行設計分析，方案的經濟可行性也是需要考慮的重點。所以需要從能耗、經濟可行性、舒適度3個方向綜合考慮，使最終方案在這三者之間達到一個較好的平衡。

【參考文獻】

【1】陳浩.BIM在既有辦公建筑節能改造中的應用研究[D].重慶：重慶大學，2017.

【2】王藝瑤.BIM技術的應用[J].江西建材，2012（5）：18-19.

【3】黃建軍.試論BIM技術在暖通空調設計中的應用[J].江西建材，2015（17）：30+33.

【4】閆海朋.探討BIM技術在暖通空調設計中的應用[J].智能建筑與智慧城市，2017（11）：26-27.