高校建筑節(jié)能優(yōu)化分析

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摘要:目前我國高等院校人均能耗明顯高于國家人均能耗，其中教學(xué)樓建筑能耗占主要部分且節(jié)能潛力巨大。現(xiàn)今BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于國家與國際工程建設(shè)行業(yè)中，尤其應(yīng)用BIM技術(shù)來模擬建筑能耗進(jìn)行建筑節(jié)能分析越來越成熟。通過建立數(shù)字化BIM參數(shù)模型，對上海電力大學(xué)臨港校區(qū)建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化與分析，經(jīng)過實(shí)地調(diào)查研究，提出節(jié)能方案和建議，根據(jù)現(xiàn)有條件對節(jié)能方案進(jìn)行了分析討論，并提出優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞:BIM技術(shù);建筑能耗;節(jié)能優(yōu)化分析;校園建筑

根據(jù)近年來國家能源網(wǎng)的數(shù)據(jù)來看，建筑總能耗在中國能源消費(fèi)總量中的份額已經(jīng)超過27%。校園建筑能耗大范圍超出各建筑類型的能耗均值，高校能源消耗量增長迅速，加大了高校學(xué)生的培養(yǎng)成本，教育部大力推廣綠色校園建筑，因此在高校實(shí)行對能源消耗的控制相當(dāng)有意義。并且BIM技術(shù)應(yīng)用越來越成熟，能夠普遍應(yīng)用在工程建設(shè)行業(yè)中，本文將采用BIM技術(shù)來對上海電力大學(xué)的教學(xué)樓建筑進(jìn)行能耗分析。因?yàn)槲覈F(xiàn)有的建筑中大多數(shù)為高能耗建筑，存在新建的房屋建筑仍是高能耗建筑的情況，其中教學(xué)樓建筑能耗占比較大且節(jié)能潛力巨大。以臨港新校區(qū)為例，選擇經(jīng)外樓為主要建筑體進(jìn)行能耗分析，結(jié)合REVIT軟件與BIM的環(huán)境模擬的分析工具軟件———ECOTECT得到能耗初步數(shù)據(jù)。

1項(xiàng)目概況

浦東臨港中心城區(qū)位于浦東東南，氣候潮濕多風(fēng)，很少出現(xiàn)極端天氣。上海電力大學(xué)臨港新校區(qū)位于浦東臨港中心城區(qū)，距校本部（平?jīng)雎沸^(qū)）65km，距滴水湖約3km。新校區(qū)占地面積約960畝，規(guī)劃建筑面積58萬m2，按照“一次規(guī)劃，分期建設(shè)”的原則，上海電力學(xué)院（臨港校區(qū)）是以人為本、智能化、信息化、綠色化以及風(fēng)光儲一體化智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的特色能源化的綜合性學(xué)校。

2BIM技術(shù)概述

BIM一詞，乃BuildingInformationModeling的縮寫，是一種新興的建筑設(shè)計(jì)方法，BIM被譽(yù)為繼CAD之后的第二次設(shè)計(jì)革命。與傳統(tǒng)的二維圖紙不同，BIM可以說是三維、四維（空間+時間）甚至更多維度的設(shè)計(jì)。可以構(gòu)建建筑物的三維模型，同時還加入了時間的維度［1～2］。這就帶來了四大好處：全生命周期、所見即所得、協(xié)調(diào)性更好、模擬與優(yōu)化BIM的經(jīng)典案例有Skidmore，Owings&MerrillLLP（SOM）設(shè)計(jì)的美國世貿(mào)中心原址上興建的自由塔［3］。國內(nèi)的經(jīng)典案例有上海世博會的多個場館如中國館、芬蘭館等，在設(shè)計(jì)過程中也都使用了BIM技術(shù)［4］。目前，國家大力推廣BIM技術(shù)在建設(shè)行業(yè)中的應(yīng)用，其中建筑節(jié)能是一個重要的領(lǐng)域。山東建筑大學(xué)綠色學(xué)生公寓的平面、立面及造型都與其他普通公寓盡量保持協(xié)調(diào)一致，在保證原有建筑風(fēng)格及使用功能不受影響的基礎(chǔ)上，將多項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)與建筑有機(jī)結(jié)合。山東建筑大學(xué)綠色學(xué)生公寓作為一個示范性的低能耗綠色建筑，在太陽能利用、節(jié)約能源、改進(jìn)學(xué)生公寓空氣質(zhì)量、改善居住環(huán)境的舒適度等多方面都取得了較大的成就［5］。從國際建設(shè)工程領(lǐng)域來看，BIM技術(shù)的應(yīng)用也如火如荼。國外已經(jīng)有了比較活躍的使用BIM技術(shù)的咨詢公司。國內(nèi)各個機(jī)構(gòu)推出的BIM方面的證書也開始多了起來，隨著時代的發(fā)展，相信在不久的將來，BIM將成為主流。其中東英吉利大學(xué)在創(chuàng)新和卓越兩方面享有國際認(rèn)可的榮譽(yù)。ThomasPaineStudyCenterⅡ?yàn)閁EA最新的綠色校園建筑。東京大學(xué)為建設(shè)低碳校園，并結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，制訂了建設(shè)綠色低碳校園力求達(dá)到的最優(yōu)原則：減少溫室氣體排放量以及減少校園生命周期的維護(hù)成本［6］。

3基于BIM技術(shù)的節(jié)能分析軟件

基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能模擬體系是在以BIM模型和相關(guān)模擬分析軟件的基礎(chǔ)之上，將氣候環(huán)境等相關(guān)因素的影響考慮進(jìn)去，創(chuàng)建一個環(huán)境模擬分析的平臺，在該平臺上利用模擬分析的結(jié)果調(diào)整建筑節(jié)能設(shè)計(jì)階段的成果，優(yōu)化建筑的空間布局。本文選擇上海電力大學(xué)臨港校區(qū)經(jīng)外樓為實(shí)例，運(yùn)用REVIT軟件與BIM的環(huán)境模擬的分析工具軟件—ECOTECT得到設(shè)計(jì)初期基本數(shù)據(jù)。通過Revit軟件建立上海電力大學(xué)臨港校區(qū)經(jīng)外樓的BIM模型并且在Revit軟件中生成建筑物能量模型，對建筑主題能量模型進(jìn)行設(shè)置。導(dǎo)出GBXML文件，隨后導(dǎo)入GBXML文件到Ecotect軟件，修改模型設(shè)置，設(shè)置氣象數(shù)據(jù)、時間以及坐標(biāo)位置，以此依據(jù)來對建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Revit是專門針對BIM建筑信息模型設(shè)計(jì)的，是最先引入建筑社群并提供建筑設(shè)計(jì)和文件管理支持的軟件。但其基礎(chǔ)技術(shù)，建筑信息化模型以及參數(shù)化變更引擎在經(jīng)過設(shè)計(jì)和優(yōu)化后，可以支持整個建筑企業(yè)的信息建立和管理。建筑信息化模型是一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以滿足建筑設(shè)計(jì)和制作團(tuán)隊(duì)的信息需求。參見圖1。

4日照分析

日照方面，上海電力大學(xué)臨港校區(qū)經(jīng)外樓位于學(xué)校大門的西側(cè)，周邊無遮擋。本文通過改變建筑的坐標(biāo)位置，通過軟件模擬日照時間。由于上海電力大學(xué)經(jīng)外樓位于上海市浦東新區(qū)，上海市在Ⅲ氣候區(qū)，在冬至日有效日照時間為9點(diǎn)至15點(diǎn)，氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象局。以冬至日12點(diǎn)為例，對比建筑物東、南、西、北四個朝向的日照分析，以判斷其能耗情況。藍(lán)色為0.00至0.80h，紫色為1.60至2.40h，紅色為3.20至4.00h，橘色為4.80~6.40h，黃色為7.20至8.00+h。圖2~5所示分別為西、東、北、南朝向時，建筑物的南側(cè)立面，通過對比觀察可知，當(dāng)建筑物朝向?yàn)槟线厱r，是最優(yōu)方案。通過對比和觀察建筑物東、南、西、北四個朝向在冬至日的日照分析圖可知，當(dāng)建筑物以東西向排列時，日照時間基本≥0.8h，絕大部分滿足《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范GB50180—93（2002年版）》冬至日有效日照時數(shù)≥1h，其中建筑物北側(cè)立面日照時長基本為0，所以應(yīng)該在靠北的方向盡量在拐角處設(shè)置一扇窗可以達(dá)到日照要求。這時，建筑內(nèi)部環(huán)境不能獲得充足的日照，因而不能保證建筑物內(nèi)部衛(wèi)生、改善室內(nèi)小氣候、提高舒適度等環(huán)境質(zhì)量，因此會增大空調(diào)、空氣凈化器等一系列電器的使用頻率，增大能耗，不能響應(yīng)國家一直倡導(dǎo)的降低能耗節(jié)約資源的理念。當(dāng)建筑物朝向南邊時，建筑物總體顏色鮮艷，說明日照時間比較充足。日照時長基本≥1.6h，有充足的日照時長，可以具有一定的殺菌作用，降低全年采暖空調(diào)能耗和照明能耗，提高建筑物的舒適度，保持環(huán)境溫暖和干燥［7～8］。綜上所述，建筑物朝向南邊時，不僅日照充足，而且可以有效降低建筑物能耗，是最優(yōu)方案。

5結(jié)論

本文研究僅考慮冬至日的日照時間作為參考，有一定的局限性，由于氣候多變，可能存在一定數(shù)據(jù)誤差。上海電力大學(xué)臨港校區(qū)經(jīng)外樓現(xiàn)有東西南北采光分析表明，在滿足規(guī)定冬至日≥1h的日照時長規(guī)定時，最佳朝向是南邊，這與學(xué)校節(jié)能減排的設(shè)計(jì)理念是一致的，有相對充足的日照，利用有充足的陽光滿足室內(nèi)光環(huán)境和衛(wèi)生要求，以達(dá)到減少照明能耗，提高人體健康的舒適環(huán)境的目的，同時可以防止室內(nèi)過熱，對教學(xué)辦公樓環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化和科學(xué)化的設(shè)計(jì)，充分利用自然資源降低能耗以達(dá)到綠色環(huán)保降低能耗的理念。通過對建筑結(jié)構(gòu)和位置提出優(yōu)化方案，可以降低建筑的能耗、提高日照時長等。所以，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑節(jié)能協(xié)同設(shè)計(jì)是很有必要的。

作者:竺晶婧 楊太華 吳愛蓮 單位:上海電力大學(xué)