孫少楠，吳家偉

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450000)

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平快速發(fā)展和人們對居住環(huán)境舒適性要求的提升，建筑能源消耗日益增加。2016年建筑運行總商品能耗(標準煤)已經(jīng)達到9.06 億t，約占全國能源消耗總量的20%，且隨著生活水平的提高將逐步增加到30%以上。面對建筑耗能增長，建筑節(jié)能設計愈發(fā)重要，而建筑能耗仿真模擬是建筑節(jié)能設計的有效依據(jù)。BIM技術是我國在綠色建筑方向的研究前沿，建筑能耗模擬與BIM技術的結(jié)合為建筑性能分析帶來新的數(shù)據(jù)來源和模擬流程。

目前針對BIM與建筑能耗模擬的研究，主要集中在Revit和Ecot ect的結(jié)合，但Ecot ect采用DOE-2模擬引擎，且在2011年停止更新。而EnergyPlus從2001年開始一直進行迭代，在建筑能耗模擬方面帶來優(yōu)秀的表現(xiàn)，但EnergyPlus操作界面較差，參數(shù)輸入繁瑣復雜，對專業(yè)要求較高，而OpenStudio以EnergyPlus為內(nèi)核，為能耗模擬的模型構建及參數(shù)輸入提供便利。Jung等通過Revit建模，在EnergyPlus環(huán)境下進行能耗模擬，基于遺傳算法對建筑設計進行優(yōu)化。Kamel等基于OpenStudio開發(fā)新的工具ABEMAT，實現(xiàn)自動建模，通過導入gbXML文件，進行建筑能耗評價。Park對同一小型辦公樓的四個Revit模型，分別導出gbXML文件，以OpenStudio為中間軟件生成IDF文件，使用EnergyPlus進行模擬對比分析，結(jié)果表明BIM模型到建筑能耗模型無法實現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過干預。但通過gbXML數(shù)據(jù)標準，使BIM與OpenStudio進行結(jié)合，分析其可靠性，進行建筑能耗分析的研究并不多。

本文以寒冷地區(qū)典型城市鄭州作為研究的氣候條件，南水北調(diào)中線工程建設管理局辦公樓為例，使用氣候分析軟件Climate Consultan t進行氣候分析，在原Revit模型的基礎上進行能耗模型的構建，以gbXML數(shù)據(jù)格式向OpenStudio進行數(shù)據(jù)傳遞，通過OpenStudio在SketchUp平臺上的建模插件SketchUpPlugin對模型數(shù)據(jù)進行調(diào)整及補充，導入OpenStudio主程序試運行，對模型及參數(shù)屬性進行調(diào)試，最后通過OpenStudio的參數(shù)化分析工具Parametric Analysis Tool依照正交實驗方案，進行批量仿真模擬，如圖1所示。對模擬結(jié)果進行正交實驗結(jié)構分析，明晰各因子的敏感程度及各因子的最優(yōu)水平組合。

圖1 基于BIM的建筑能耗模擬流程

2 BIM與建筑能耗模擬

2.1 BIM軟件與能耗模擬軟件的選取

以Revit作為BIM軟件進行建筑能耗模型的構建和參數(shù)輸入，案例辦公樓已建立土建、結(jié)構、機電等相關BIM模型，為能耗分析提供基礎。此外，Revit模型材質(zhì)中包含部分用于建筑能耗模擬的熱工屬性，且本身具有建筑能耗分析模塊，以空間、分區(qū)為分析單元的建筑能耗模型的建立更加便捷和智能，自動劃分建筑表面類型，解決了建筑能耗模型表面類型劃分困難的問題。

以OpenStudio為建筑能耗分析軟件，該軟件是美國可再生能源實驗室(NREL)領導多家單位參與開發(fā)的開源軟件，集成EnergyPlus為內(nèi)核進行建筑能耗分析，以SketchUp為平臺的SketchUp Plugin插件建立能耗模型及進行空間劃分和參數(shù)輸入。通過OpenStudio的參數(shù)化分析工具Parametric Analysis Tool組合不同的模型屬性，進行批量仿真模擬，契合正交實驗流程。

2.2 BIM與能耗模擬軟件的數(shù)據(jù)傳遞

隨著不同商業(yè)軟件的普及以及專業(yè)偏向性、基礎理論多樣性，使得出現(xiàn)工具碎片化、模型重用和產(chǎn)權保護等問題。其基礎問題是數(shù)據(jù)流通共享，需要建立通用的數(shù)據(jù)標準，使建筑數(shù)據(jù)形成延續(xù)性和一致性，達到“一模多算”的要求，避免重復建模，打破“信息孤島”。

GBXML數(shù)據(jù)標準能夠使BIM模型與綠色節(jié)能分析軟件之間實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)信息的互通，也是大多數(shù)綠色節(jié)能分析軟件之間銜接的格式，但是在實際使用過程中，會出現(xiàn)材質(zhì)丟失，部分屬性無法傳遞等情況。通過多個模型的實驗，對Revit和OpenStudio之間的數(shù)據(jù)傳輸進行分析，見圖2，結(jié)構及其構件熱工屬性均可傳遞，熱區(qū)的劃分與空間類型的匹配也可進行繼承，但是對應的時間表屬性無法傳遞，例如熱區(qū)的制冷、供暖的溫度設定時間表，對應空間類型的人員、照明、設備的載荷及對應全年的使用情況時間表。

雖無法完整的進行模型及能耗數(shù)據(jù)的傳遞，但是可以減少模型的構建、材料熱工屬性的設置、熱區(qū)和空間類型的劃分等大部分工作，并且解決了OpenStudio中容易出錯的構件表面類型劃分的問題，減少重復建模，深入利用BIM模型數(shù)據(jù)，為建筑能耗分析提供新的數(shù)據(jù)來源。

3 鄭州氣候分析及被動式敏感因子識別

對鄭州地區(qū)的辦公樓進行研究，根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》可知，鄭州屬于寒冷B區(qū)(2B)，應以保溫設計為主，兼顧隔熱要求。

為了對鄭州氣候進行針對性的量化分析，使用建筑氣候分析軟件Climate Consultan t進行氣候分析，此軟件由美國加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)建筑與城市設計系開發(fā)，可以將原始氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化多種圖示語言，根據(jù)選定的舒適模型，提出被動式策略。給出的被動式措施是基于歐美國家住宅狀況和舒適標準，對于我國有一定不適應性，但是對于被動式因子的識別有一定參考意義。

使用Climate Consultan t軟件讀取鄭州CSWD氣象數(shù)據(jù)，選擇具有冬季和夏季兩個舒適范圍且規(guī)定含濕量上下限的ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005 舒適模型生成具有被動式節(jié)能策略的焓濕圖，見圖3。

從圖3中焓濕圖及16項措施解決全年8760個小時氣候的占比可知，藍色的框圍成的時間點為不用采取任何措施本身氣候就是舒適的，僅占到全年時間的10.7%，表明需采取必要的措施，提高建筑舒適性。大部分點落到藍色舒適區(qū)的左側(cè)，即大部分時間處于舒適溫度以下，采用主動供暖占到37.1%，主動制冷占到13%，也印證了鄭州屬于寒冷地區(qū)，主要解決冬天供暖問題，但是也要兼顧夏季的隔熱。由于內(nèi)部的人員、機械、照明等設備按需配置，而且內(nèi)部人員、設備得熱也不屬于建筑物理構造措施，不予考慮，辦公建筑也不以自然通風為主要手段。則由圖中占比較高的措施可知，合理設計遮陽，充分利用太陽能和提高外圍護結(jié)構的性能是被動式設計的關鍵。

圖2 Revit與OpenStudio通過gbXML的數(shù)據(jù)傳遞

圖3 鄭州節(jié)能策略焓濕圖

4 實驗方法及流程

正交實驗設計是研究和處理多因子對實驗指標的優(yōu)化，用盡可能少的實驗次數(shù)，獲得可靠、有代表性的實驗結(jié)果，并通過對實驗結(jié)果的分析得出各因子的最優(yōu)水平組合。

構建正交實驗，應提前規(guī)劃正交表，以致達到正交性，使各列的地位平等，搭配均衡，使實驗具有代表性，還應考慮各因子之間的交互作用，合理進行表頭設計，構建實驗方案。

依照正交實驗方案，進行仿真模擬生成實驗結(jié)果，通過極差法和方差分析法的正交實驗結(jié)構分析，得出影響被動式因子敏感次序及最優(yōu)水平組合。

5 實證研究

5.1 建筑模型參數(shù)設定

以鄭州市南水北調(diào)中線工程建設管理局辦公樓為例，只對地上部分進行能耗分析，此樓由主樓和裙樓兩部分組成，主樓16層，高度69.3 m，裙樓4層，高度20.7 m，建筑朝向北偏西120°。因《近零能耗建筑技術標準》對建筑節(jié)能提出了更高的要求，本文大部分的參數(shù)設置均參照此標準進行設定，在文中簡稱《標準》。

圖4 建筑空間類型劃分

將所有房間劃分了9種空間類型，如圖4每種空間類型的人員、照明、設備等的荷載和使用情況均不相同，參照《標準》進行設定，其中食堂、衛(wèi)生間、走廊、樓梯間這些輔助空間，《標準》沒有給予具體規(guī)定，參照ASHRAE進行設定。熱區(qū)一般按照供暖、制冷的控制溫度與供應時間的不同進行劃分，如圖5。熱區(qū)1為人們經(jīng)常活動的辦公室、會議室等空間，《公共建筑節(jié)能設計標準》中對各房間類型的制冷供暖時間及逐時溫度控制有詳細的說明，參照此標準進行設置。熱區(qū)2為走廊、樓梯、衛(wèi)生間等不進行供暖空調(diào)的房間，熱區(qū)3為全年保持一定低溫的倉庫等用房。由于主要對被動式因素進行研究，對于室內(nèi)熱擾及主動式控制不做細致處理，均參照《標準》及軟件內(nèi)置的庫進行設定。

圖5 建筑熱區(qū)劃分

5.2 Revit模型與OpenStudio的數(shù)據(jù)傳遞

建筑能耗模擬以熱區(qū)為單位，由于建筑模擬的特殊性，不需要曲面等一些復雜的平面，但對模型的質(zhì)量要求比較高，建筑能耗模擬的房間需要是封閉的空間，如果模型表面不符合規(guī)則，則無法進行仿真計算。刪除Revit土建模型中不需要的地形、基礎、室外設施等構造，對復雜曲面做簡化處理。將所有房間均按照建筑類型放置空間，對于沒有放置空間的構造，將被轉(zhuǎn)化為OpenStudio中的遮陽構件。把處理過的Revit模型導出gbXML格式，如圖6所示。

圖6 Revit能耗模型導出

以SketchUp為平臺，使用OpenStudio的插件SketchUp Plugin將生成的gbXML導入，對缺少材質(zhì)的進行補充，多余的構件進行刪除和簡化，檢查空間類型和熱區(qū)是否正確傳遞。將設置好的模型加載到OpenStudio Application主程序中，補充空間類型與熱區(qū)的屬性。試運行主程序，根據(jù)錯誤提示進行修改。

5.3 正交實驗

5.3.1 實驗因子水平的選定及正交實驗方案

根據(jù)上文的氣候分析，選定外墻傳熱系數(shù)(K值)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(K值)、外窗傳熱系數(shù)(K值)、外窗的太陽得熱SHGC為圍護結(jié)構性能的實驗因子。劉立等研究表明，寒冷地區(qū)南立面在夏季由于太陽高度角變大，對建筑夏季的制冷帶來不利影響，則以傳統(tǒng)的遮陽板為遮陽措施，其中太陽平行光線會因遮陽板距離窗頂?shù)拇怪本嚯x，對投射到玻璃的太陽輻射產(chǎn)生影響。則選取南向的遮陽系數(shù)和南向的遮陽板偏移的距離為另外的兩個實驗因子。遮陽板偏移距離為遮陽板距離窗頂?shù)木嚯x。

R

L/H

(1)

L

H

遮陽系數(shù)和遮陽板偏移兩個實驗因子的變化會發(fā)生相互作用，對建筑能耗產(chǎn)生額外影響。根據(jù)以上實驗因子和水平及因子間的交互作用，選用標準正交表L(3)。將具有交互作用的A，B實驗因子分別放置在第1、2兩列，依照L(3)兩列間的正交交互表，A、B兩列的交互作用列應在第3、4列，實驗因子C、D、E、F為正交表第5、6、7、8列。最后5列空白列，因?qū)嶒炗捎嬎銠C軟件進行仿真模擬得出結(jié)果，所以實驗誤差的影響不進行分析。

依據(jù)標準正交表共安排27次實驗，以供暖制冷總能耗為實驗指標。OpenStudio有參數(shù)化分析工具Parametric Analysis Tool，使用該參數(shù)化分析工具，利用BCL(在線數(shù)據(jù)庫)內(nèi)置措施進行實驗因子水平控制，批量進行27組仿真模擬。

5.3.2 實驗結(jié)果分析

以建筑全年制冷供暖總能耗為實驗指標，對實驗結(jié)果進行極差分析，每個因子三個水平的綜合平均值和平均極差見表2；方差分析，見表4。

表1 因子水平表

表2 綜合平均值及平均極差

表3 交互二元表

表4 方差分析表

由表4可知，在95%的置信區(qū)間下，依據(jù)顯著性<0.05的原則，外墻K值(C)、屋頂K值(D)、外窗K值(E)、外窗SHGC(F)具有顯著性，對實驗指標有影響，南遮陽系數(shù)(A)、南遮陽板偏移(B)在顯著性水平下不具有顯著性，但是實際情況下，窗戶的遮陽措施與其它實驗因子相比，體量較小，總體節(jié)能效果與其它因子相比不顯著，不應忽略該兩個因子的節(jié)能作用。

由表2的R(平均極值)可知，南遮陽系數(shù)(A)對實驗結(jié)果的影響遠超因子A、B的交互作用(A×B)，且表4可知，在顯著性<0.05下也不具有顯著性，則南遮陽系數(shù)(A)、南遮陽板偏移(B)的交互作用不需要考慮。

由表4可知，離差平方和或F值越大，對能耗的影響程度越高，則6項變量因子的影響程度為：外墻K值(C)>屋頂K值(D)>外窗SHGC(F)>外窗K值(E)>南遮陽系數(shù)(A)>南遮陽板偏移(B)

由最優(yōu)水平組合可知，外墻K值、屋頂K值、外窗K值、外窗SHGC均取到利于冬天保溫所給水平的最小值?？芍旃┡芎牡臏p少量比致使夏天制冷能耗增加量大，而沒有引起因夏天制冷能耗的增加使總能耗增加的情況。

6 結(jié)論

1)在BIM模型基礎上進行建筑能耗模型的建立，通過gbXML數(shù)據(jù)標準進行數(shù)據(jù)傳遞，將BIM模型進行深入的利用。面對設計變更，可以得到建筑能耗的及時反饋，減少重復建模工作量。對于出現(xiàn)模型部分錯誤，及涉及時間表屬性無法傳遞、材質(zhì)丟失等問題，需要根據(jù)具體參數(shù)輸入的特性進行具體處理。

2)通過Climate Consultan t氣候分析軟件進行氣候分析可知，以鄭州為典型代表城市的寒冷B區(qū)，面對夏季過熱問題應充分利用遮陽、通風措施，冬天過冷問題應提升圍護結(jié)構性能。

3)通過正交實驗及OpenStudio能耗計算，設定的六項被動式敏感因子的影響程度：外墻K值>屋頂K值>外窗SHGC>外窗K值>南遮陽系數(shù)>南遮陽板偏移，最優(yōu)水平組合：南遮陽系數(shù)0.7、南遮陽板偏移400 mm、外墻K值0.1 W/(m·K)、屋頂K值0.1 W/(m·K)、外窗K值0.5W/(m·K)、外窗SHGC 0.3。

4)對于寒冷B區(qū)，考慮制冷供暖總能耗最低為目標是不合適，會忽略夏季制冷能耗增加的影響。