周宇陽 楊彬 張其林

同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

建筑全壽命能耗及碳排放計算包括設(shè)計、運輸、建造、使用及維護(hù)、拆除五項內(nèi)容。其中使用階段能量消耗及碳排放量巨大，通常能夠占建筑物全壽命周期總量的80%以上[1]。因此，研究低碳建筑使用階段包含三部分節(jié)能技術(shù)的能源消耗計算方法具有重要意義。

BIM（Building Information Modeling）通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息，在項目策劃，運行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享與傳遞[2]?，F(xiàn)階段進(jìn)行建筑低碳分析常采用的辦法是將Revit模型導(dǎo)入Ecotect Analysis中進(jìn)行熱工及采光分析。但這種方法未考慮新型低碳節(jié)能技術(shù)且無法對建筑總能耗及碳排放量直接生成計算。

本文以山東省臨沂市沂南縣金波小區(qū)四號住宅樓為例，利用Revit二次開發(fā)研究提出了基于BIM的低碳建筑使用階段能耗和碳排放計算分析方法。

1 使用階段節(jié)能計算方法

建筑使用階段總能耗主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖能耗及設(shè)備使用能耗兩部分。計算公式如下：

式中：Q為建筑使用階段總能耗，kWh；QH為圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖總能耗，QH=qHh0，kWh；QE為設(shè)備使用總能耗，kWh。

1.1 示范項目工程概況

沂南金波花園四號住宅樓位于山東省臨沂市沂南縣，地理位置為北緯35.54°，東經(jīng)118.47°，所屬寒冷地區(qū)。住宅樓結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架剪力墻，建筑面積為6187.62 m2，高度為36.38 m。地上主體共十一層，每層四家，共四十四戶。每戶住宅面積為126～140 m2，包括主臥，次臥，客廳，餐廳，陽臺，廚房，書房和一個衛(wèi)生間。建筑體型系數(shù)為0.23。

示范項目采用的低碳節(jié)能技術(shù)主要包括以下三部分內(nèi)容：

1）三層及以上住戶采用太陽能-燃?xì)獗趻鞝t復(fù)合采暖系統(tǒng)。

2）節(jié)能照明燈具及太陽能光伏路燈。

3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體及門窗均進(jìn)行保溫處理，如屋頂使用擠塑聚苯板、外墻采用膨脹聚苯板、外窗使用中空浮法等。

1.2 建筑使用階段能耗計算

1.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖能耗

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖包括屋面，外墻，外窗和門，地面，非采暖封閉陽臺五個部分組成。依據(jù)《建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]規(guī)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖能耗計算公式如下：

式中：qH為建筑物耗熱量指標(biāo)，W/m2；qHT為單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，W/m2；qINF為單位建筑面積上單位時間內(nèi)建筑物空氣換氣耗熱量，W/m2；qIH為單位建筑面積單位時間內(nèi)建筑物內(nèi)部熱量，取3.8 W/m2。

其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量計算方法如下：

式中：qHq為單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過外墻的傳熱量，W/m2；qHw為單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過屋面的傳熱量，W/m2；qHd為單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過地面的傳熱量，W/m2；qHmc為單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過門窗的傳熱量，W/m2；qHy為單位建筑面積上單位時間內(nèi)通過非供暖封閉陽臺的傳熱量，W/m2。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量計算

依據(jù)各材料給定傳熱系數(shù)、修正系數(shù)等相關(guān)因素，分別按相應(yīng)公式計算各個部分傳熱量。示范項目計算結(jié)果如表1。

最終經(jīng)計算得到示范項目外圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位傳熱量QH為9.84 W/m2。則示范項目圍護(hù)結(jié)構(gòu)一年總能耗為：QH=qHA0h=533363 kWh。

1.2.2 設(shè)備使用能耗

住宅使用階段主要消耗能源的項目為照明、采暖制冷及熱水供應(yīng)。因此使用設(shè)備主要考慮室內(nèi)照明燈具，空調(diào)和燃?xì)獗趻鞝t，電熱水器或太陽能熱水器三部分。特別地，對于冰箱、微波爐、電飯鍋等其余常用耗電設(shè)備特殊綜合考慮。同時特別考慮燃?xì)庠顚μ烊粴獾南摹?/p>

能耗形式分為電能，太陽能和天然氣能三類。設(shè)備使用總能耗計算方法依據(jù)能耗形式如下計算：

式中：Qe為主要消耗電能的設(shè)備使用能耗總量，kWh；mi為設(shè)備數(shù)量；Pi為設(shè)備功率，kW；ti為設(shè)備一年內(nèi)使用時間，h；Qs為全年太陽能能耗替代量，MJ；xa為第 a類日太陽輻照對應(yīng)天數(shù)，d；qa為第a類當(dāng)日實測集熱系統(tǒng)得熱量，MJ/d；Qg為主要耗天然氣設(shè)備使用能耗總量，kWh；a 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取為 10 kWh/m3；ks為設(shè)備數(shù)量；Vs為日平均天然氣消耗量，m3；ts為設(shè)備一年內(nèi)使用天數(shù)，d。

1）用電設(shè)備使用能耗計算

考慮三層以上住戶使用太陽能熱水器而非電熱水器，得到表2：

表2 用電設(shè)備使用能耗

由表2可知示范項目用電設(shè)備年使用能耗Qe為208634 kWh。

2）太陽能能耗計算

表3 太陽能設(shè)備實測能耗

利用示范項目山東院實測數(shù)據(jù)，得到表3。

由表3可知示范項目太陽能年能耗量Qs為215000 kWh。

3）天然氣能耗計算

考慮三層以上住戶使用太陽能-燃?xì)獗趻鞝t復(fù)合采暖系統(tǒng)，至少節(jié)約一半天然氣。且采暖系統(tǒng)僅冬季四個月使用，則得到表4：

表4 天然氣設(shè)備使用能耗

由表4知示范項目天然氣年能耗量Qg為265660 kWh。

綜上計算可知示范項目使用階段設(shè)備能耗量QE=689294 kWh。因此計算得到該建筑使用階段總能耗Q=QH+QE=533363+689294=1222657 kWh。

1.3 低碳指標(biāo)計算

1.3.1 碳排放量計算方法

碳排放量計算考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖能耗、用電設(shè)備使用能耗及天然氣設(shè)備使用能耗。太陽能部分為清潔能源，不產(chǎn)生二氧化碳排放。建筑全壽命周期使用階段碳排放的計算方法為：

式中：C為建筑使用階段CO2排放總量，kg；ρi為第i類能源的二氧化碳排放折算系數(shù)，對于電能依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ρi近似取為0.95 kg/kWh[4]；Qi為使用階段消耗的第i類能源的能量。

因此示范項目使用階段年二氧化碳排放量計算結(jié)果為 C=ρe(Q-Qs)=957274.15 kg。

1.3.2 可再生能源占比

主要利用太陽能的使用設(shè)備，其消耗的能源為可再生能源。其余所有的第一類或第二類均為不可再生能源。因此對于建筑使用階段可再生能源占比的計算方法為：

因此示范項目使用階段可再生能源占比為：Pr=215000/1222657=17.6%。超過低碳建筑預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)10%，符合綠色建筑節(jié)能要求。

2 基于BIM的節(jié)能計算流程

2.1 建筑信息模型建立

1975年，美國喬治亞理工的Chuck Eastman教授首先提出了BIM理念，為傳統(tǒng)土建行業(yè)開啟了信息時代的大門[5]。他提出了：“建筑信息模型整合了幾何模型信息，建筑的功能及能力要求，建筑的施工進(jìn)度，建造工藝以及一系列建筑在全生命周期中所需的信息?！苯氖臧l(fā)展至今，BIM技術(shù)開發(fā)設(shè)計軟件越來越多，功能也越來越強大完整。針對如本示范項目此類的民用建筑，尤以歐特克公司的Autodesk Revit應(yīng)用最為廣泛。

根據(jù)建筑使用階段低碳計算方法的相關(guān)要求，本項目的設(shè)計分析信息模型應(yīng)包括：

1）墻體、樓板、屋頂、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何特性及物理性質(zhì)。特別注意各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、熱阻、熱惰性指數(shù)、厚度、修正系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。

2）各類使用設(shè)備的布置。注意三層及以上住戶使用太陽能-燃?xì)獗趻鞝t復(fù)合采暖系統(tǒng)，而底兩層依然內(nèi)部設(shè)置的是電熱水器和燃?xì)獗趻鞝t。

綜上，使用建模速度快、精度高，建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備模型均能布置完全，且可直接出施工圖并計算工程量的Revit軟件建立本示范項目信息模型，如圖1。

圖1 示范項目建筑信息模型

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

傳統(tǒng)能耗分析軟件需要重新建模，且需要輸入大量復(fù)雜參數(shù)，大大降低了工作效率。而如Ecotect Analysis等可以將Revit模型導(dǎo)入分析的能耗軟件，其雖然可以進(jìn)行詳細(xì)的熱工及采光分析，但這種方法未考慮新型低碳節(jié)能技術(shù)，如太陽能光熱的分析。并且無法對建筑總能耗及碳排放量直接生成計算，效率也不高。

目前，Revit平臺上的BIM技術(shù)在數(shù)據(jù)交換方面主要通過三種方式進(jìn)行[6]：1）利用IFC公共標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)不同軟件間的數(shù)據(jù)交換。2）利用Revit API二次開發(fā)，在Revit核心建模軟件基礎(chǔ)上形成相關(guān)插件。3）利用Excel等其他形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換?？紤]到工作穩(wěn)定、操作便捷、靈活多面等優(yōu)點，本次對建筑全壽命使用階段的低碳能耗分析選用了Revit API二次開發(fā)。

Revit API為開發(fā)者提供了對Revit各項功能進(jìn)行訪問的大門，能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑模型的可視化操作和參數(shù)分析的集成[7]。本次針對使用階段能耗計算的二次開發(fā)主要為實現(xiàn)以下功能：

1）利用數(shù)據(jù)接口讀取如墻體、門窗、屋頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、材料厚度、密度，以及住宅面積和設(shè)備數(shù)量等信息模型中相關(guān)參數(shù)。

2）利用代碼編譯修改及寫入如設(shè)備功率、使用時間、太陽能設(shè)備相關(guān)實測數(shù)據(jù)等其余相關(guān)參數(shù)。同時考慮到材料庫限值，新型材料及節(jié)能做法日益增多，允許對墻體傳熱系數(shù)的直接寫入。

3）利用代碼編譯實現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖能耗、設(shè)備使用能耗、各項低碳指標(biāo)等的計算。同時考慮相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，評定指標(biāo)是否合格。

具體程序開發(fā)流程見圖2所示：

圖2 Revit API二次開發(fā)流程

2.3 基于BIM的節(jié)能計算流程

依據(jù)上一章研究提出的能耗計算方法，利用本章節(jié)Revit API二次開發(fā)技術(shù)初步在Revit平臺上得到了基于BIM的節(jié)能計算研究成果。具體的建立模型、輸入?yún)?shù)、計算能耗和輸出低碳指標(biāo)的流程圖如圖3所示：

圖3 基于BIM的節(jié)能計算流程

3 結(jié)論與展望

本文通過對LCA建筑全壽命周期使用階段的能耗分析與研究，結(jié)合十二五國家自然科學(xué)基金示范項目，首先提出了綠色建筑使用階段的低碳能耗計算分析公式。然后利用Revit軟件的API二次開發(fā)功能，依據(jù)之前提出的計算公式研究提出了基于BIM的低碳建筑能耗分析計算方法。本結(jié)論大大提高了建筑能耗方面的工作效率，無需其余復(fù)雜軟件且無需考慮模型轉(zhuǎn)換可能在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上出現(xiàn)的差異。同時也是首次將可再生能源引入其中，能源涵蓋廣泛，對當(dāng)下較為火熱的建筑全壽命研究具有重要指導(dǎo)意義。

本文研究成果由于還是僅考慮建筑全壽命使用階段，且為提高計算效率，計算方法較為簡化改進(jìn)。因此在此基礎(chǔ)上依然可以針對全壽命其余階段，同時也針對本過程進(jìn)行更深入的研究與討論。