建筑碳排放預測信息集成技術研究

王豫婉WANG Yu-wan

（住房和城鄉建設部標準定額研究所，北京 100835）

0 引言

已有研究基于建筑能耗監測信息，用大數據分析方法，提出面向設計初期的建筑碳排放預測理論框架，從理論層面實現了預測建筑設計方案的全生命周期碳排放[1]。應用BIM技術可建立涵蓋工程全生命周期的信息庫，實現建筑項目各個階段、不同專業間信息集成和共享，為建筑碳排放預測提供全生命周期信息基礎[2]，但當前BIM技術在低碳預測中的應用研究不足，缺少可支持設計初期碳排放決策的BIM設計平臺[3]。

1 建筑碳排放預測信息集成架構

1.1 建筑碳排放預測信息需求分析

本節根據面向設計初期的建筑碳排放預測方法原理，分析建筑碳排放預測的信息需求，明確信息模型涵蓋的信息種類，對信息進行分類集群。建筑碳排放預測功能的實現可分為四個功能模塊，每個模塊的信息需求可通過CeData相應的子信息模型實現。

項目信息管理模塊既是建筑碳排放預測系統與BIM平臺信息交互的接口，也是建筑碳排放信息模型各子模型間信息流動的核心；CeData_Pro需要滿足項目信息管理模塊在BIM環境中功能性、交互性、可擴展性和穩定性的需求。熱工分析模塊可快捷高效地分析設計方案中復合圍護結構的傳熱系數及遮陽系數；CeData_Ther可為復合圍護結構的熱工分析提供信息：玻璃庫、填充氣體庫、環境邊界庫、玻璃體系庫、窗框材料庫、框體系庫、復合圍護結構材料庫和復合圍護結構構造庫。冷熱負荷預測模塊應實現建筑冷熱負荷的預測；CeData_Mor需要滿足云平臺實時監測數據的存儲形式、分析方法和更新方式，規范科學地存儲監測建筑的空間構成、各層級建筑構件的特征分類，熱區逐時的室內溫濕度信息、實時人員使用信息和分項能耗信息，并可生成建筑能耗指標，作為建筑冷熱預測神經網絡算法的樣本數據。碳排放預測模塊可預測建筑設計方案的全生命周期碳排放；CeData_Coe需提供：建筑材料碳排放因子庫、能源碳排放因子庫、施工工藝碳排放因子庫、建筑材料庫、建筑構件庫、各省市標準年標準日氣候庫等。

1.2 建筑碳排放預測信息集成框架

CeData四個子模型信息有三種數據來源：項目信息子模型CeData_Pro可以通過BIM平臺建立并獲取，其中圍護結構熱工屬性等碳排放附加信息可與其它子模型關聯后填充；能耗監測子模型CeData_Mor來自建筑能耗監測系統，監測數據以數據表的形式存儲于數據庫中，因此可以通過數據交換接口連接到數據庫獲取監測數據；熱工分析子模型CeData_Ther與碳排放子模型CeData_Coe中主要以系統本地數據庫的形式存儲建筑構件庫、建筑材料庫、LCA碳排放因子庫等補充數據庫，因此可通過程序調用本地數據庫實現數據的讀寫。

根據上述三種數據源特點，建筑碳排放預測系統信息集成框架如圖1所示。①通過BIM平臺建立建筑模型：以IFC文件為載體生成CeData_Pro，后續CeData_Pro中的更新信息亦可存于IFC文件中；②計算分析復合圍護結構熱工參數：將建筑模型中復合圍護結構的幾何信息通過BIM平臺轉為DWG文件，導入熱工分析工具，通過本地數據庫補充復合圍護結構材料種類、屬性等信息，生成CeData_Ther，完成熱工分析后，將復合圍護結構熱工參數分析結果返回CeData_Pro以供后續分析；③預測建筑冷熱負荷：從CeData_Pro中自動提取當前模型中用于冷熱負荷預測的參數并設置篩選條件，從建筑能耗監測數據庫CeData_Mor中選取相應的訓練模型，訓練神經網絡，預測冷熱負荷；④預測建筑全生命周期碳排放：從Data_Pro中獲取建筑全生命周期碳排放預測所需信息，通過CeData_Coe自動根據參考建筑填充缺損值，并補充LCA數據庫，計算建筑全生命周期碳排放。

圖1 建筑碳排放預測系統信息集成框架圖

2 建筑碳排放預測信息模型

2.1 項目信息子模型CeData_Pro

項目信息子模型CeData_Pro的信息模型如圖2所示，用以描述建筑空間、建筑構件、暖通設備等對象及其關聯和屬性。CeData_Pro的建筑空間包括CeSite，CeBuilding，CeZone，CeRoom四個層級，各層級間依次通過CeReaggegate關聯。CeData_Pro中建筑構件包括圍護結構構件和暖通設備構件。其中，圍護結構構件統稱為CeSurface，包括CeWall、CeFloor和CeRoof。對一特定CeZone，可通過CeBoundary關聯獲取構成該空間的CeSurface，CeSurface可通過 CeEmbed關聯獲取CeWindow。CeConstruction通過 CeReaggegate關聯CeMaterial，以描述每層材料的性能。暖通設備構件包括冷熱源對象CeEquip、運送對象CeHydronic、照明對象CeLight和空氣循環對象CeAirLoop，每個暖通設備構件均通過CeBelong關聯關聯其所屬熱區對象CeZone。CeSchedule和CeConstruction為屬性對象，CeSchedule描述所屬空間對象CeZone暖通設備使用時間，CeConstruction描述所屬CeSurface的材料組成以及熱工性能等信息。

圖2 CeData_Pro信息結構圖

CeData_Pro滿足IFC、gbXML等數據標準，一方面，可通過科學的信息融合和轉換機制，由上游信息模型（如IFC模型）生成CeData_Pro；另一方面，也使得CeData_Pro可供后續信息模型（如IFC模型或gbXML模型）融合轉換。

2.2 熱工分析子模型CeData_Ther

熱工分析子模型有玻璃體系模塊、框體系模塊、窗框體系模塊和圍護體系模塊組成。玻璃體系模塊可載入玻璃數據庫Glass、氣體數據庫Gases和環境邊界數據庫Bound，生成的玻璃體系的構造及熱工屬性存至玻璃體系數據庫GlassSys中。框體系模塊可載入窗框材料數據庫FrameSolid和FrameCavi，以及環境邊界數據庫Bound，將新生成的框體系構造及熱工屬性存至框體系數據庫Frame中。窗框體系模塊中窗框體系由窗體系和框體系組合而成，該模塊可載入玻璃體系數據庫GlassSys和框體系數據庫Frame，并將新生成的窗框體系的構造及傳熱系數存至窗框體系數據庫WindFrame中。圍護體系可載入圍護結構材料數據庫WallMat，并將新生成的圍護結構構造及傳熱系數存至圍護結構構造數據庫WallConst中。

2.3 能耗監測子模型CeData_Mor

CeData_Mor的信息結構圖如圖3所示，包括三個數據子庫：建筑模型子庫（BuildingInfo）、實時采集信息子庫（CollectionInfo）和建筑能耗指標子庫（MonitorInfo）。其中，建筑信息子庫（BuildingInfo）主要存儲監測對象建筑的空間構成、各層級建筑構件的特征分類等信息，是建筑能耗監測系統信息結構科學檢索的核心子庫，也是建筑能耗監測系統信息模型與BIM模型集成的關聯信息子庫。建筑實時采集信息子庫（MonitorInfo）主要存儲每個被監測熱區逐時的室內溫濕度信息、實時人員使用信息和分項能耗信息，是直接通過物聯網終端傳感器及智能設備獲取的監測值。建筑能耗指標子庫（CollectionInfo）旨在將以熱區為單位的建筑能耗監測信息整合為以建筑為單位的建筑能耗指標，進而作為建筑冷熱負荷預測樣本數據庫。

圖3 CeData_Mor信息結構圖

2.4 碳排放子模型CeData_Coe

碳排放子模型CeData_Coe信息結構如圖4所示。System Data存放建筑碳排放預測所需的各類對象屬性和分析參數，供設計人員選擇參考，Local Data存儲本項目選用的對象屬性和分析參數。System Data中存有材料性質補充信息：建筑材料信息MaterialList、圍護結構構造信息ConstructionList、窗戶種類信息WindowList，熱區使用參數信息：熱區標準日作息信息ScheduleDList、熱區標準年作息信息ScheduleYList、設備信息EquipList、熱區信息ZoneList，碳排放因子補充信息：能源碳排放系數EnergyCoe等子表。Local Data中存有設備LocalZoneList子表、圍護結構構造LocalConstructionList子表和窗戶種類LocalWindowList子表。

圖4 CeData_Coe信息結構圖

3 結論

本文研究了建筑碳排放預測信息集成技術，首先，根據建筑碳排放預測信息需求，提出建筑碳排放預測信息集成架構；而后，建立集成的建筑碳排放預測信息模型CeData，并提出項目信息子模型CeData_Pro、熱工分析子模型CeData_Ther、能耗監測子模型CeData_Mor和碳排放子模型CeData_Coe四個子模型的信息結構。CeData基于IFC標準與gbXML數據格式，可在BIM環境中高效獲取和傳遞信息，為建筑碳排放預測系統的研發提供了信息基礎。