我國寒區農村住宅熱環境的BIM 建模分析與節能研究

王啟武 韋海鋒 郝孟超

摘要：為了研究我國寒冷地區農村居民住宅能耗問題，根據農村居民住宅熱環境的影響因素，建立了 BIM模型，并將包含建筑信息的虛擬模型引入到能耗分析工具中，選擇合適的建筑朝向。通過對不同圍護結構形式的住宅建筑的能耗分析，設計了昀佳的節能住宅形式。該方法對研究寒冷地區農村住宅的能耗和節能設計具有一定的應用價值。

關鍵詞：BIM;農村住宅;寒區;節能

1.引言

中國北方大部分地區處于寒冷或嚴寒地區，從建筑節能和環境保護的角度來看，由于建筑面積的增加和居民對改善冬季室內溫度的需求，農村建筑能耗在總能耗中所占的比例越來越高。寒冷地區農村住宅供熱能耗占建筑能耗總量的很大比例，在農村建筑建設初期，合理規劃探索和設計符合當地氣候和地理條件、符合當地傳統居住特點、對室內熱環境有顯著改善的節能建筑具有重要意義。

2寒冷地區農村建筑室內熱環境相關問題

2.1建筑形式及室內熱環境

自建單層平房或瓦房是我國北方寒冷地區農村建筑的主要類型。在建筑圍護結構的選擇上，農村住宅的墻體主要分為磚墻、土墻和石墻 3種類型。粘土磚墻是北方農村現有建筑和新建住宅圍護結構昀基本的形式。絕大多數墻體沒有保溫層，冬季散熱量大。

在門窗的選擇上，鄉村建筑通常采用單層玻璃窗，一些新建筑選用鋁合金窗戶，由于鋁合金窗的安裝不夠專業，窗與墻之間的間隙很大，影響整體氣密性。此外，為了提高室內采光，一些建筑的南墻的窗墻比大，造成大量熱損失。前開門通常采用單層木門，一些新建筑選擇鋼門或金屬保溫門，但仍難以保證室內溫度舒適。

在屋面形狀和材料通常選用木桁架斜坡屋面。新建平屋面主要采用現澆混凝土結構。坡屋面通常加入蘆葦、秸稈、粘土等保溫材料。但是，許多建筑物沒有天花板，或者沒有為天花板增加保溫層，所以保溫效果不好，因此寒冷地區農村的室內熱環境相對較差。

2.2 影響鄉村居住熱環境的因素

大多數農村住宅都面向南方，這有助于采光，但沒有考慮避免冬季風的影響。研究表明，寒冷地區住宅圍護結構的傳熱和冷風滲透是影響建筑能耗的主要因素。住宅建筑的氣密性差導致嚴重的冷風滲透，加劇了熱量損失。

通過以上分析，可以看出，外墻保溫性能對冬季采暖影響昀大。目前，農村住宅圍護結構由于沒有設置熱絕緣材料，所以熱絕緣效果很差，熱損失也很嚴重。

在冬季供暖條件下，門窗是昀容易散熱的部位。鄉村建筑主要采用單層玻璃窗和木門，傳熱系數通常不能滿足熱量需求。

屋頂在建筑物的隔熱方面發揮著很大的作用。傳統的坡屋頂方式在一定程度上改善了室內熱環境，但仍有改善的空間。適當增加保溫層的厚度，設置天花板，增加隔汽層，形成空氣室，使冬季和夏季相對溫和，從而有效地改善室內熱環境。

3.基于 BIM平臺的農村居民住宅能耗分析

BIM在綠色建筑中得到了廣泛的應用和肯定。在建筑節能設計中，可以實現可視化，直接得到建筑能耗分析的結果。本文選取寒冷地區某農村住宅樓作為研究對象，進行設計、分析和研究。為了快速、方便地得到整個建筑物的能耗分析結果，采用 Revit 建立了三維模型，并將帶有屬性信息的模型引入到 Ecotect能耗分析軟件中。

3.1選擇昀佳建筑朝向

在寒冷地區農村居住建筑的選址中，應滿足采光和通風的要求，使建筑在冬季具有保溫功能，夏季具有通風功能。就朝向而言，我國建筑物應該朝南或大致朝南。冬季住宅應避開主要風向，窗墻比應控制在規定范圍內。首先，將相應區域的 WEA文件導入 Weather工具軟件，并根據具體需求設置時間。在建筑朝向的選擇上，應避免冬季的主要風向，以防止熱量迅速散失。從該地區冬季風玫瑰圖得知，冬季風的主導方向是西南方向。因此，建筑朝向的選擇應避免西南朝向。根據朝向分析，可以確定建筑物的昀佳朝向。通過對該地區昀熱、昀冷月份各方位的太陽輻射和全年平均太陽輻射的分析，確定該建筑的昀佳方位為東南偏東 10°，這也符合農村建筑應盡可能朝南的標準。

3.2 建筑物的初步規劃

為了滿足現代農村住宅的需要，提高住宅建筑的舒適性和住宅小區的需求，該建筑共有 2層，總建筑面積 411.19m2。為便于能耗對比分析，本文提出了三種建筑設計方案：按傳統方法進行建筑設計，圍護結構采用保溫措施的建筑設計，圍護結構和太陽空間采用保溫措施的建筑設計。在三種設計方案中，建筑類型相同，但建筑圍護結構材料不同。為了降低成本，該建筑選用木桁架斜屋面。建筑物的窗墻比和其他參數符合相關標準，符合當地特色和生活要求。

根據《農村住宅建筑節能設計標準》（GB/T50824-2013）計算冬季建筑室內熱環境參數。室內臥室溫度為 14℃，通風量為 0.5h-1h。考慮到寒冷地區農村的生活習慣，建筑只采取適當的取暖措施，沒有空氣調節和冷藏措施。對整個建筑的能耗進行了計算和比較，傳統建筑物每年總耗電量為 89656 kW·h，而隔熱建筑物的相應耗電量為 42431kW·h。如果建筑物設計有隔熱和日光空間，建筑物每年總能耗為 36898 kW·h。傳統建筑、隔熱建筑和隔熱太陽能建筑每平方米的年能耗分別為 218kW·h/m2、103.2kW·h/m2和 89.7kW·h/m2。對圍護結構采取保溫措施后，建筑能耗顯著降低。總能耗下降 52.6%。如果在建筑物上增加太陽能空間，可以進一步減少能源消耗。如果為建筑設計隔熱和日光空間，總能耗可降低58.8%。由此可見，圍護結構類型對建筑能耗有著重要的影響。

對模擬傳統建筑一層的臥室、現代隔熱建筑和現代隔熱建筑及太陽房的年能耗進行了橫向比較。模擬傳統建筑、隔熱現代建筑和隔熱日光間現代建筑中臥室的年能耗分別為 4577.1 kW·h、2156.5 kW·h 和 1578.1kW·h，與傳統建筑相比，隔熱現代建筑和隔熱日光間現代建筑的能耗分別降低了 52.9%和63.4%。

4.結論

本文以建筑信息模擬平臺為基礎，對農村住宅建筑進行建模。通過對3種不同圍護結構類型住宅建筑的能耗模擬，選擇住宅建筑的昀佳朝向，研究圍護結構、材料和太陽空間對建筑能耗的定量影響。在能耗計算模擬中，提出了可視化數據模型，為方案決策提供數據支持。模擬仿真可作為初步規劃設計的參考，大大提高了工作效率。研究結果表明，在農村居住建筑設計中，建立一個包含所有建筑信息的虛擬模型，準確計算能耗，根據能耗結果設計昀佳節能保溫住宅建筑，對于緩解能源問題，推廣綠色建筑具有重要的現實意義。