張連營，王 琳，王一甍

（1.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072，E-mail：tjzly126@126.com；2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300401）

基于BIM平臺的寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅熱環(huán)境分析及節(jié)能研究

張連營1，王 琳1，王一甍2

（1.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072，E-mail：tjzly126@126.com；2.河北工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300401）

為研究我國寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能問題，在對影響農(nóng)村住宅熱環(huán)境因素分析的基礎(chǔ)上，基于BIM平臺進(jìn)行建筑原型建模，并將該虛擬模型所包含的屬性信息導(dǎo)入到相應(yīng)的建筑能耗分析軟件中，選取建筑物的最佳朝向，通過對寒冷地區(qū)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的農(nóng)村住宅進(jìn)行能耗分析與對比，從而設(shè)計(jì)出最佳的節(jié)能保溫住宅形式。該研究方法方便快捷，可操作性強(qiáng)，在對寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的能耗分析和節(jié)能設(shè)計(jì)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

BIM平臺；農(nóng)村住宅；寒冷地區(qū)；能耗分析

隨著全面建設(shè)社會主義新農(nóng)村政策的大力推進(jìn)，近年來農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐不斷加快，生活水平不斷提高，對農(nóng)村住宅的結(jié)構(gòu)和功能都提出了更高的要求，農(nóng)村住宅的建筑形式也在不斷地完善和發(fā)展。相比于以往的農(nóng)村住宅，新的農(nóng)村住宅更加注重室內(nèi)熱環(huán)境和住宅舒適度。我國北方大部分地區(qū)處于寒冷或者嚴(yán)寒地區(qū)，而隨著人口數(shù)量的增長，以往舊的傳統(tǒng)民居尤其在冬季供暖上，冬季熱環(huán)境難以滿足現(xiàn)代人的生活需求[1]。與此同時(shí)，從建筑節(jié)能環(huán)保的角度來說，由于建筑面積的增加以及居民對室內(nèi)熱環(huán)境改善的需求，農(nóng)村建筑能耗在整個資源能耗中所占的比例也越來越大，農(nóng)村建筑節(jié)能越來越受重視[2]。隨著我國建筑節(jié)能工作的深入開展，農(nóng)村地區(qū)住宅的節(jié)能降耗問題逐漸被提上日程，寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的供熱能耗更是占據(jù)了建筑總能耗的大部分比例，所以減少寒冷地區(qū)農(nóng)村的住宅能耗對我國建筑節(jié)能至關(guān)重要。李金平[3]以甘肅省農(nóng)村新型綠色建筑作為研究對象，指出新型農(nóng)村建筑通過可再生能源滿足其冬季取暖、日常生活熱水、燃?xì)獾饶茉葱枨?，?shí)現(xiàn)節(jié)能減排，并且通過實(shí)例驗(yàn)證了新型農(nóng)村綠色建筑的經(jīng)濟(jì)可行性。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村建筑達(dá)到節(jié)能減排的目的，李偉杰對新農(nóng)村綠色建筑在設(shè)計(jì)建造的過程中幾個關(guān)鍵的注意事項(xiàng)給出可行性建議，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村建筑的節(jié)能減排提供參考[4]。因此，在農(nóng)村住宅的建設(shè)初期，通過合理規(guī)劃，探索設(shè)計(jì)出滿足當(dāng)?shù)貧夂虻乩項(xiàng)l件、符合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)居住特點(diǎn)、并且室內(nèi)熱環(huán)境得到明顯改善的節(jié)能建筑具有重要意義[5]。

1 我國寒冷地區(qū)農(nóng)村建筑面臨的室內(nèi)熱環(huán)境問題

1.1 住宅形式及室內(nèi)熱環(huán)境狀況

我國北方寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅多以自建的單層平房或者瓦房作為主要的建筑形式，由于經(jīng)濟(jì)條件限制，農(nóng)村地區(qū)缺少專業(yè)的施工隊(duì)伍對建筑進(jìn)行施工，以自建為主，由于水平所限，目前現(xiàn)有建筑主要以單層建筑居多，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)條件好的住戶開始選擇專業(yè)的施工隊(duì)伍進(jìn)行施工，同時(shí)為了滿足住宅面積的需求，雙層建筑開始逐漸興起[4]，然而，由于農(nóng)村建筑長期缺少統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，大多數(shù)建筑建造隨意，而且單進(jìn)深一層的平房目前仍然被廣泛采用，這種房屋體形系數(shù)較大，對冬季的保暖極為不利[5]。

在住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選材方面，農(nóng)村住宅的墻體主要分為磚墻、土墻、石墻三種形式，土墻和石墻主要存在于以往的老舊建筑中，目前現(xiàn)有建筑及新建住宅建筑以黏土磚墻為最主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，磚墻厚度多為240mm，少部分為370mm，也有部分建筑為了冬季御寒將北側(cè)墻厚度增加至370mm，其他面?zhèn)葔穸葹?40mm。在外墻保溫層的設(shè)置上，一般僅采用水泥砂漿飾面或者外貼瓷磚飾面，絕大多數(shù)墻體沒有進(jìn)行保溫層的設(shè)置，墻體保溫效果差，冬季熱量散失較多[7，8]。

在門窗材質(zhì)的選擇上，農(nóng)村住宅由以往傳統(tǒng)的單層木窗向新建建筑采用的鋁合金窗或塑鋼窗的形式轉(zhuǎn)變，大多數(shù)采用單層窗的形式，對于安裝雙層窗或者添加中空玻璃窗的形式則應(yīng)用較少，陳舊的木質(zhì)單層窗多存在老化變形問題，部分新建建筑采用的鋁合金窗由于安裝不夠?qū)I(yè)，導(dǎo)致窗縫隙密閉不嚴(yán)而影響整體氣密性的問題[6，7，9]，同時(shí)部分住宅為提高室內(nèi)采光，充分利用太陽光照，導(dǎo)致住宅建筑南向出現(xiàn)窗墻比過大的問題，造成大量的熱量損失[10]。外門材質(zhì)上目前主要以單層木門為主，但新建建筑逐漸開始使用塑鋼門或者金屬保溫門，在冬季，一般住宅采用單層木質(zhì)門的農(nóng)村住戶為減少室內(nèi)熱量損耗往往采取在門內(nèi)添加棉質(zhì)門簾或者在門外添加簡易門斗的形式，以減少冷風(fēng)滲透造成的熱量損失[6，11]，但是依然難以保證舒適的室內(nèi)溫度。

在屋面的造型及材質(zhì)選擇上，農(nóng)村建筑多以木屋架形式坡屋頂為主，新建的平屋頂主要采用現(xiàn)澆混凝土的結(jié)構(gòu)形式，坡屋頂一般加設(shè)葦連、秸稈、黏土等保溫材料，造價(jià)低廉并且容易就地取材，在農(nóng)村使用較為廣泛，但是由于很多住宅從經(jīng)濟(jì)條件角度考慮，未增設(shè)吊頂，或者未在吊頂上加設(shè)保溫層[6，8，11]，所以保溫效果不甚理想。

農(nóng)村住宅能源消耗主要用于采暖與炊事，然而由于我國寒冷地區(qū)冬季時(shí)間較長，溫度較低，為維持室內(nèi)較為舒適的溫度，需要較大的熱量供給，因此采暖能耗占整個住宅能耗比例更大[12]。目前我國寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅采暖的主要方式以火炕、火墻為主，土暖氣加熱為輔，主要以煤和秸稈作為燃料，一火兩用，既解決取暖問題又解決炊事問題，節(jié)能環(huán)保，但與此同時(shí)，由于住宅內(nèi)整個室溫較低，冬季活動受到限制，主要集中在火炕上[5，13]。對寒冷地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果表明：農(nóng)村冬季在采暖的條件下室內(nèi)平均溫度僅為5.6℃，相對于城鎮(zhèn)居民盡管農(nóng)村居民有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，同時(shí)通過增加衣物來抵御寒冷低溫，但是室內(nèi)溫度依然低于期望溫度的下限，因此，寒冷地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)熱環(huán)境較為惡劣[14]。

1.2 影響農(nóng)村住宅熱環(huán)境的因素

我國北方地區(qū)農(nóng)村建筑大多為農(nóng)民個人設(shè)計(jì)、建造，缺少統(tǒng)一的規(guī)劃，隨意性大，施工水平和施工技術(shù)也較差，主要依據(jù)以往的建造經(jīng)驗(yàn)。在農(nóng)村住宅位置的選擇和朝向上，一般選擇坐北朝南[15]，盡管這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于接受光照，可以充分利用太陽能和提高室內(nèi)采光，但是在設(shè)計(jì)過程中沒有考慮合理地避開冬季季風(fēng)，減少熱量損耗。

同時(shí)，研究表明寒冷地區(qū)的住宅建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和冷風(fēng)滲透是影響建筑物能耗的主要因素，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量可達(dá)到采暖能耗的1/3[16]，住宅的氣密性差導(dǎo)致冷風(fēng)滲透嚴(yán)重，進(jìn)一步加劇了熱量的散失。

王厚華等分析了屋面、窗戶、遮陽以及外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑物能耗的影響后，指出在冬季取暖過程中，外墻的熱工性能影響最為顯著[17]。結(jié)合目前農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的材質(zhì)，墻體主要采用單一240mm或者370mm厚的磚墻，傳熱系數(shù)大，沒有采取相應(yīng)的保溫設(shè)置，保溫隔熱效果差，熱量損失嚴(yán)重，難以滿足室內(nèi)的保溫需求[7，8]。

冬季供暖條件下，門窗是熱量散失最為薄弱的部分。門窗的低傳熱性和高密封性以及合理的窗墻比對于提高住宅建筑的節(jié)能和室內(nèi)具有重要作用[16]。然而目前農(nóng)村主要采用的單層窗和木質(zhì)門，傳熱系數(shù)往往不能達(dá)到熱工要求，門窗由于年久失修變形，致使門窗的氣密性差，冷熱空氣交換頻繁，冷風(fēng)滲透現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，能源大量浪費(fèi)，室內(nèi)溫度依然不理想[18]。

屋面是承受氣候要素最強(qiáng)的建筑構(gòu)件，對建筑物的保溫隔熱起到更為重要的作用[16，19]。傳統(tǒng)的坡屋頂做法，一定程度上地改善了室內(nèi)熱環(huán)境，但仍有改善提升的空間，需適當(dāng)增加保溫層的厚度，設(shè)置吊頂加設(shè)隔汽層等措施，形成空氣隔層，實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼，有效地提高室內(nèi)熱環(huán)境[8]。

2 基于Revit和Eoctect軟件對農(nóng)村住宅進(jìn)行能耗分析

BIM（Building Information Modeling）在綠色建筑上的廣泛應(yīng)用已得到充分肯定[20]，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面，可以通過可視化的方式更加直觀的得到建筑能耗分析的結(jié)果，較傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)在協(xié)同設(shè)計(jì)、效率、可視度、經(jīng)濟(jì)性方面具有突出優(yōu)勢，但是針對農(nóng)村住宅建筑能耗分析相對較少。以往建筑能耗的模擬，時(shí)間上存在一定的滯后性，一般在設(shè)計(jì)施工圖之后進(jìn)行能耗分析，一旦方案進(jìn)行設(shè)計(jì)變更需要大量的更改和計(jì)算。同時(shí)在能耗模擬的過程中需要綜合考慮氣候特點(diǎn)、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽輻射強(qiáng)度，以及建筑本身圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)的影響等因素，因此，傳統(tǒng)的計(jì)算方法存在計(jì)算繁瑣、耗時(shí)長、準(zhǔn)確度低等問題。相比于傳統(tǒng)的分析方法，本文利用Revit進(jìn)行建筑三維建模，將帶有屬性信息的模型導(dǎo)入到Ecotect能耗分析軟件中，在能耗分析的過程中只需要輸入相應(yīng)的地理位置，更改不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)，便可以方便快捷地得到整個建筑的能耗分析結(jié)果。鑒于目前我國寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑現(xiàn)狀，對農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以采取加保溫層的方式進(jìn)行處理。本文選取地處某寒冷地區(qū)的一處農(nóng)村住宅進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和研究。該地區(qū)處于我國河北省西北部，屬于我國北方典型的寒冷氣候區(qū)，因此選取該地區(qū)的農(nóng)村建筑進(jìn)行研究具有一定的代表性。

2.1 房屋最佳朝向的選擇

根據(jù)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）規(guī)定，寒冷地區(qū)的農(nóng)村居住建筑選址布置應(yīng)滿足日照、采光、通風(fēng)需求，在考慮冬季保暖的同時(shí)兼顧夏季的通風(fēng)功能，朝向宜采用南北朝向或接近南北朝向，主要房屋應(yīng)避開冬季的主導(dǎo)風(fēng)向，同時(shí)窗墻比也應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

首先將對應(yīng)地區(qū)的WEA文件導(dǎo)入到Weather tool軟件中，可以根據(jù)需要對時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，選擇該地區(qū)全年溫度和年平均最冷的一天（1月4日）的氣象條件進(jìn)行分析。通過年內(nèi)逐日溫度變化范圍，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)在一月、二月、十二月平均氣溫均在-10℃左右，因此，該地區(qū)的農(nóng)村住宅應(yīng)做好冬季的供熱保暖工作。同時(shí)，房屋朝向的選擇上應(yīng)盡量避開冬季的主導(dǎo)風(fēng)向，以防熱量散失較快，不利于冬季保暖。分析該地區(qū)的冬季風(fēng)玫瑰圖，可知冬季風(fēng)的主導(dǎo)方向是西南方向，因此在房屋朝向的選擇上應(yīng)盡量避免西南朝向。圖1為最佳朝向分析圖，通過朝向分析可以判斷建筑物的最佳朝向。對該地區(qū)各方位在全年最熱月、最冷月和全年平均的太陽輻射量的分析，確定建筑的最優(yōu)朝向?yàn)槟掀珫|10°，滿足規(guī)范上農(nóng)村建筑物盡量接近南北朝向的要求，同時(shí)避開冬季的主導(dǎo)風(fēng)向，因此選取該朝向作為建筑模型的朝向。

圖1 最佳朝向分析圖

2.2 建筑物的初期規(guī)劃

為滿足現(xiàn)代農(nóng)村住宅需求，提高住宅舒適度和住宅面積的需求，該建筑物共計(jì)兩層，建筑面積總計(jì)411.19m2（不含陽光間面積19.94m2）。如圖2建筑三維模型所示，建筑共分為上下兩層，建筑物朝向按照Weather tool軟件選取的最佳朝向。為便于對比能耗分析，共設(shè)計(jì)三套農(nóng)村住宅建筑，按照傳統(tǒng)方式建造的民宅，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取保溫措施后的住宅，以及在圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取保溫措施的基礎(chǔ)上加設(shè)陽光間的住宅，建筑樣式完全相同，但建筑圍護(hù)結(jié)材質(zhì)不同（如表1）。為降低成本坡屋頂采用木屋架坡屋面，住宅內(nèi)部平面布置如圖3、圖4所示，建筑物窗墻比等均符合規(guī)范要求，滿足當(dāng)?shù)氐拿袼滋攸c(diǎn)和居住要求。

圖2 農(nóng)村建筑模型

2.3 建筑物能耗分析

根據(jù)規(guī)范對寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑的臥室主要功能房間，節(jié)能計(jì)算冬季室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)按照《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50824-2013）選取如下：室內(nèi)臥室溫度取14℃；計(jì)算換氣次數(shù)取0.5h-1?？紤]到寒冷地區(qū)農(nóng)村生活習(xí)慣，建筑內(nèi)只采取相應(yīng)的加熱措施，沒有空調(diào)制冷措施，對整個建筑物的耗能進(jìn)行對比計(jì)算，對比傳統(tǒng)建筑與采取保溫措施建筑模擬一年的能耗，對每月能耗進(jìn)行對比制成柱狀圖（見圖5），可見耗能主要集中在冬季，傳統(tǒng)建筑一年總能耗為89656 kw·h，采取保溫措施建筑一年總能耗為42431 kw·h，在保溫措施基礎(chǔ)上加設(shè)陽光間年總耗能36898 kw·h。年單位平米能耗分別為218 kw·h/m2、103.2 kw·h/m2和89.7 kw·h/m2。對圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的保溫措施后，建筑能耗明顯降低，總能耗約減少52.6%，加設(shè)陽光間后可進(jìn)一步降低能耗，總能耗可減少58.8%，可見圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對住宅能耗具有顯著影響。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)及熱工參數(shù)

圖3 一層建筑平面示意圖

圖4 二層建筑平面示意圖

圖5 住宅月總耗能值對比

對住宅建筑一層臥室年耗能進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，傳統(tǒng)建筑一層臥室、新型建筑不帶陽光間臥室、新型建筑外搭設(shè)陽光間臥室進(jìn)行模擬分析對比（見圖6）。臥室在傳統(tǒng)做法、增設(shè)保溫結(jié)構(gòu)和加設(shè)陽光間3種情況下年總能耗分別為4577.1 kw·h、2156.5 kw·h、1578.1kw·h；比傳統(tǒng)建筑能耗可分別減少52.9%、63.4%。

圖6 建筑物一層臥室逐月能耗對比

從對比分析圖可以看出增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層設(shè)置，加強(qiáng)門窗的氣密性可以有效地降低耗能，對比新型帶陽光間的建筑和無陽光間的建筑不難看出由于農(nóng)村建筑相對比較低矮，太陽能充足，因此在入口處設(shè)置陽光間可以有效緩沖門窗的熱量滲透，保溫效果好，同時(shí)陽光間對臥室熱環(huán)境影響也更為顯著，因此，設(shè)置陽光間可以進(jìn)一步降低耗能。

3 結(jié)語

本文基于BIM平臺對農(nóng)村住宅建筑進(jìn)行建模，通過為住宅建筑選擇最佳朝向，并且對不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的住宅進(jìn)行能耗模擬分析，計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)以及加設(shè)陽光間對住宅建筑能耗的量化影響。在能耗計(jì)算的模擬上，通過呈現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)模型，為方案決策提供數(shù)據(jù)支持，模擬仿真可作為前期規(guī)劃設(shè)計(jì)的一個參考，極大地提高了工作效率。同時(shí)通過模型的導(dǎo)入，軟件之間得到有效的銜接，降低了錯誤率，保證模型的精確性。

研究結(jié)果表明：在農(nóng)村住宅的設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建包含全部建筑信息的虛擬模型，對能耗進(jìn)行精確測算，通過能量分析結(jié)果設(shè)計(jì)出最佳的節(jié)能保溫住宅，這對緩解我國的能源問題和生態(tài)建筑的普及具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。由于沒有大量對住宅實(shí)際施工后的能耗與模擬值進(jìn)行對比，因此缺乏大樣本的數(shù)據(jù)依據(jù)，后續(xù)的研究需要進(jìn)一步完善這部分工作。

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[20] Bonenberg W，Wei X．Green BIM in Sustainable Infrastructure[J]．Procedia Manufacturing，2015（3）：1654-1659．

Thermal Environment Analysis and Energy Conservation Research of Rural Residence in Cold Regions Based on BIM Platform

ZHANG Lian-ying1，WANG Lin1，WANG Yi-meng2
（1. College of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin 300072，China，E-mail：tjzly126@126.com；2. School of Achitecture & Art Design，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

In order to study the issue of rural residential energy consumption in cold regions，we modeled an architecture prototype based on BIM platform according to the affecting factors of rural residential thermal environment，and imported the virtual model which contains building information into energy analysis tools and chose the appropriate building orientation. By analyzing the energy consumption of the residential buildings with different enclosure structure forms，we designed the optimal energy-saving residence form. There is a certain application value of this method for researching the energy consumption and energy-saving design for the rural residence in cold regions.

BIM platform；rural residential；cold regions；energy consumption analysis

TU17

A

1674-8859（2016）06-061-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.06.012

張連營（1965-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：基于BIM支持的IPD項(xiàng)目交付模式，項(xiàng)目知識治理等；

王 琳（1988-），男，碩士研究生，研究方向：基于BIM綠色建筑；

王一甍（1990-），男，碩士研究生，研究方向：建筑設(shè)計(jì)及其理論。

2016-05-16．

國家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAL01B02）．