建筑冗余能耗三維監管與再利用研究

段 羽 白志超

（1.吉林建筑科技學院，吉林 長春 130114；2.吉林省建苑設計集團有限公司，吉林 長春 130000）

1 研究背景

建筑冗余能耗是建筑節能領域的一個重要發展方向，對行業可持續發展具有重要意義，是實現國家能源安全的重要組成部分。隨著我國建筑總量持續增長，建筑行業仍處在粗獷型管理和非節能建筑浪費大量能源的大環境中。為更好地推進建筑低碳節能工作的有效開展，迫切需要深入探討以超低能耗建筑為發展依托，從節能設計階段到運營管理階段的智能化分析、預測、監管和控制的技術與方法研究。建立建筑節能信息模型，為超低能耗建筑全生命周期綜合應用建筑節能提供技術支持。

2 建筑冗余能耗三維監管

建筑冗余能耗三維監管體系主要通過設計、施工、運維和數字孿生交付等多方面的軟件應用來實現，包含了建筑全生命周期BIM技術各類型軟件。例如，利用企業級云平臺進行全生命周期數據協調，通過Revit軟件實現建筑設計和模型細化；通過BIM-film軟件對建設過程中的細節節點和工藝技術進行詳細的技術交底；通過廣聯達系列軟件對整個項目的成本進行控制，利用魯班開發者平臺對建筑后期運維過程中的數據進行監管和模型的掛接，在硬件使用方面，除傳統必要的硬件設備外，還包括超低能耗建筑所需的其他感應元器件，通過BIM技術與各類感應元器件產生的數據進行掛接，實現BIM技術在建筑全生命周期過程中數據的三維可視化表達。

利用BIM技術將地源熱泵系統的三維模型展現出來，這也是國內第一個將地源熱泵系統所包含的各類構件和能源傳遞方式進行數據三維化展現的項目，并以此協助建設單位對后期運維管理中產生的數據進行精確定位和分析。管溝內各類型管線設備通過地源熱泵系統整體模型展現，結合后期的能源監管平臺，真正實現了三維可視化方法展示地源熱泵系統不同節點、不同位置采集能源數據監控的目的，也為建筑在后期的運維過程中實現精細化控制、提高能源使用效率和分配效率提供支持。三維化表達如圖1所示。

圖1 建筑冗余地源熱泵系統三維化表達

利用BIM技術在前期模擬機房內所對應的每一條管線及空間信息位置，避免了后期實施過程中因施工碰撞而造成大量返工的問題，縮短了施工工期、也節約了施工成本。冗余能耗回收系統管線三維表達如圖2所示。

圖2 冗余能耗回收系統管線三維表達

采用帶有余熱回收的新風系統，該系統通過室內排風加熱或冷卻室外新風。本項目利用BIM技術和智能監控技術，借助系統中的溫度和流量傳感器，幫助運維人員隨時掌握每一房間的送風溫度和送風量，從而保證建筑高氣密性環境下的室內舒適度。采用具有較高舒適性且節能的毛細管供暖/供冷輻射末端系統，該系統利用BIM技術，通過前期預模擬，可以很好地控制毛細管在敷設面上的排布方式，使室內溫度更均勻、更節能。

3 建筑冗余能耗三維監管平臺搭建

建筑冗余能耗三維監管平臺主要是實現建筑三維模型的輕量化展現。將模型和數據結合算法分離，實現每一次操作都不斷對模型數據進行刷新，通過建立的數據與模型之間的邏輯關系，使每一次操作只為提取數據而非模型，最后將模型與數據掛接，這樣不僅得到了一套完整的數據輕量化模型，還進行了碰撞檢查。通過開發web端碰撞檢查這一方法，使碰撞檢查更加輕便、高效，打破了傳統利用Revit、Navisworks等碰撞類軟件無法實現碰撞和模型之間實施掛接與分析修改的現象，更好地實現了修改模型、檢查結果、問題分析三方聯動的便捷化操作，為復雜的建筑模型碰撞提供了更大的支持。通過建筑各類型感應元器件產生的數據與模型的掛接，真正地實現了模型在后期建筑運行過程中的使用價值，幫助建筑參與者控制每一個構件、每一種能耗和每一個空間數據的精準化分析，使建筑后期使用更加精準、高效，運維管理有據可循。BIM技術二次開發后的監控平臺如圖3所示。

圖3 建筑冗余能耗三維監管平臺

4 建筑冗余能耗再利用體系研究

4.1 冗余熱能

在日照良好的情況下，采用太陽能光熱系統進行室內供暖是最佳選擇，合理地匹配蓄熱水箱容積和蓄熱方式，可使太陽能得到充分利用，減少電能過度消耗。但由于太陽能光熱系統在供暖期未實現自動控制，只能通過手動控制來切換兩種系統的運行方式，因此，我們提出了二次優化閥門的方案。利用現有小型氣象站及相關系統的監測數據，通過對閥門的計算和判斷，實現遠程控制閥的啟動、關閉、停止和閥門開度。具體實現：智能閥門的遠程自動化控制；實時監測智能閥門的開到位、關到位狀態和閥門的開度；遠程控制智能閥門的開啟、關閉和停止；遠程控制電動蝶閥的開度，閥門開度值可設置；自定義智能閥門開啟、關閉和停止時間節點，智能閥門按照時間節點實現太陽能光熱系統和地源熱泵系統的自由切換及其他時間節點自動化控制；實時上報監測數據到控制平臺，監控閥門工作狀態。

4.2 冗余電能

合理利用風光互補發電系統能有效降低嚴寒地區近零能耗建筑的整體能耗，該嚴寒地區近零能耗建筑采用了風光互補發電與建筑一體化設計，其中，光伏發電系統配置了122塊光伏板，風力發電系統配置了4臺微風力發電機。全年發電量除滿足耗電量外，還有相當一部分冗余。可以利用這部分冗余電能接入蓄電池組，將蓄電池組充滿電后用于鄰近建筑的應急照明供電。還可以連接周邊的綠植滴灌系統，與生活用水分類二次利用和雨水收集系統耦合，將雨水箱中的水輸送到地管管中，對綠植進行滴灌澆水，既使冗余電能得到充分利用，又將雨水箱中的雨水和生活污水進行二次利用，更體現出冗余能量再利用的特點。當太陽輻射率高、陽光充足時，在滿足自身用電量和以上兩種利用方式的同時仍有冗余電能，可通過逆變器通入電網，向國家電網輸送冗余電能，獲取一定的經濟收益。

4.3 生活用水二次利用及雨水收集

隨著人們生活水平的提高，生活污水排放日益嚴重，日常生活用水中如綠化澆灌、道路和廁所沖洗等都不需要達到可飲用標準，使用自來水會造成浪費。因此，二次優化設計方案就是在排水系統上，采用雙水槽分流處理，將二次循環利用和不可利用水分開處理，收集洗手水、洗滌水等可循環利用水，使其流入L型管道，處理后存入雨水箱。另外，對屋頂進行處理，將樓房頂層作為雨水收集系統的一部分，使收集到的雨水盡可能多地流入蓄水系統，通過水管收集到雨水箱。雨水箱通過溢流孔調控水量，過多的雨水通過排水管道溢出。生活污水和雨水經簡單過濾、凈化存入雨水箱，再進行消毒。通過生活用水分類二次利用和雨水收集，可提高對雨水的利用率，減少水資源的使用，以達到節能環保的目的。

5 結語

本文針對目前建筑發展過程中產生的冗余能耗進行分析，利用BIM技術搭建冗余能耗產生設備的精細化模型。通過三維化運維管理體系，對建筑冗余能耗體系進行深度梳理與監管模式的創新。同時，提出了建筑冗余能耗再利用的發展理念，為現階段預計實現被動式低能耗建筑的發展提供理論依據。下一步還將通過實際項目驗證，進一步強化建筑冗余能耗再利用理念的深層次落地與發展。