基于BIM的低碳建筑使用阶段节能分析

周宇阳 杨彬 张其林

同济大学土木工程学院

0 引言

建筑全寿命能耗及碳排放计算包括设计、运输、建造、使用及维护、拆除五项内容。其中使用阶段能量消耗及碳排放量巨大，通常能够占建筑物全寿命周期总量的80%以上[1]。因此，研究低碳建筑使用阶段包含三部分节能技术的能源消耗计算方法具有重要意义。

BIM（Building Information Modeling）通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划，运行和维护的全生命周期过程中进行共享与传递[2]。现阶段进行建筑低碳分析常采用的办法是将Revit模型导入Ecotect Analysis中进行热工及采光分析。但这种方法未考虑新型低碳节能技术且无法对建筑总能耗及碳排放量直接生成计算。

本文以山东省临沂市沂南县金波小区四号住宅楼为例，利用Revit二次开发研究提出了基于BIM的低碳建筑使用阶段能耗和碳排放计算分析方法。

1 使用阶段节能计算方法

建筑使用阶段总能耗主要包括围护结构采暖能耗及设备使用能耗两部分。计算公式如下：

式中：Q为建筑使用阶段总能耗，kWh；QH为围护结构采暖总能耗，QH=qHh0，kWh；QE为设备使用总能耗，kWh。

1.1 示范项目工程概况

沂南金波花园四号住宅楼位于山东省临沂市沂南县，地理位置为北纬35.54°，东经118.47°，所属寒冷地区。住宅楼结构为钢筋混凝土框架剪力墙，建筑面积为6187.62 m2，高度为36.38 m。地上主体共十一层，每层四家，共四十四户。每户住宅面积为126～140 m2，包括主卧，次卧，客厅，餐厅，阳台，厨房，书房和一个卫生间。建筑体型系数为0.23。

示范项目采用的低碳节能技术主要包括以下三部分内容：

1）三层及以上住户采用太阳能-燃气壁挂炉复合采暖系统。

2）节能照明灯具及太阳能光伏路灯。

3）围护结构墙体及门窗均进行保温处理，如屋顶使用挤塑聚苯板、外墙采用膨胀聚苯板、外窗使用中空浮法等。

1.2 建筑使用阶段能耗计算

1.2.1 围护结构采暖能耗

围护结构采暖包括屋面，外墙，外窗和门，地面，非采暖封闭阳台五个部分组成。依据《建筑节能设计标准》[3]规定，围护结构采暖能耗计算公式如下：

式中：qH为建筑物耗热量指标，W/m2；qHT为单位建筑面积上单位时间内通过建筑围护结构的传热量，W/m2；qINF为单位建筑面积上单位时间内建筑物空气换气耗热量，W/m2；qIH为单位建筑面积单位时间内建筑物内部热量，取3.8 W/m2。

其中围护结构传热量计算方法如下：

式中：qHq为单位建筑面积上单位时间内通过外墙的传热量，W/m2；qHw为单位建筑面积上单位时间内通过屋面的传热量，W/m2；qHd为单位建筑面积上单位时间内通过地面的传热量，W/m2；qHmc为单位建筑面积上单位时间内通过门窗的传热量，W/m2；qHy为单位建筑面积上单位时间内通过非供暖封闭阳台的传热量，W/m2。

表1 围护结构传热量计算

依据各材料给定传热系数、修正系数等相关因素，分别按相应公式计算各个部分传热量。示范项目计算结果如表1。

最终经计算得到示范项目外围护结构单位传热量QH为9.84 W/m2。则示范项目围护结构一年总能耗为：QH=qHA0h=533363 kWh。

1.2.2 设备使用能耗

住宅使用阶段主要消耗能源的项目为照明、采暖制冷及热水供应。因此使用设备主要考虑室内照明灯具，空调和燃气壁挂炉，电热水器或太阳能热水器三部分。特别地，对于冰箱、微波炉、电饭锅等其余常用耗电设备特殊综合考虑。同时特别考虑燃气灶对天然气的消耗。

能耗形式分为电能，太阳能和天然气能三类。设备使用总能耗计算方法依据能耗形式如下计算：

式中：Qe为主要消耗电能的设备使用能耗总量，kWh；mi为设备数量；Pi为设备功率，kW；ti为设备一年内使用时间，h；Qs为全年太阳能能耗替代量，MJ；xa为第 a类日太阳辐照对应天数，d；qa为第a类当日实测集热系统得热量，MJ/d；Qg为主要耗天然气设备使用能耗总量，kWh；a 为转换系数，取为 10 kWh/m3；ks为设备数量；Vs为日平均天然气消耗量，m3；ts为设备一年内使用天数，d。

1）用电设备使用能耗计算

考虑三层以上住户使用太阳能热水器而非电热水器，得到表2：

表2 用电设备使用能耗

由表2可知示范项目用电设备年使用能耗Qe为208634 kWh。

2）太阳能能耗计算

表3 太阳能设备实测能耗

利用示范项目山东院实测数据，得到表3。

由表3可知示范项目太阳能年能耗量Qs为215000 kWh。

3）天然气能耗计算

考虑三层以上住户使用太阳能-燃气壁挂炉复合采暖系统，至少节约一半天然气。且采暖系统仅冬季四个月使用，则得到表4：

表4 天然气设备使用能耗

由表4知示范项目天然气年能耗量Qg为265660 kWh。

综上计算可知示范项目使用阶段设备能耗量QE=689294 kWh。因此计算得到该建筑使用阶段总能耗Q=QH+QE=533363+689294=1222657 kWh。

1.3 低碳指标计算

1.3.1 碳排放量计算方法

碳排放量计算考虑围护结构采暖能耗、用电设备使用能耗及天然气设备使用能耗。太阳能部分为清洁能源，不产生二氧化碳排放。建筑全寿命周期使用阶段碳排放的计算方法为：

式中：C为建筑使用阶段CO2排放总量，kg；ρi为第i类能源的二氧化碳排放折算系数，对于电能依据国家相关标准ρi近似取为0.95 kg/kWh[4]；Qi为使用阶段消耗的第i类能源的能量。

因此示范项目使用阶段年二氧化碳排放量计算结果为 C=ρe(Q-Qs)=957274.15 kg。

1.3.2 可再生能源占比

主要利用太阳能的使用设备，其消耗的能源为可再生能源。其余所有的第一类或第二类均为不可再生能源。因此对于建筑使用阶段可再生能源占比的计算方法为：

因此示范项目使用阶段可再生能源占比为：Pr=215000/1222657=17.6%。超过低碳建筑预期标准10%，符合绿色建筑节能要求。

2 基于BIM的节能计算流程

2.1 建筑信息模型建立

1975年，美国乔治亚理工的Chuck Eastman教授首先提出了BIM理念，为传统土建行业开启了信息时代的大门[5]。他提出了：“建筑信息模型整合了几何模型信息，建筑的功能及能力要求，建筑的施工进度，建造工艺以及一系列建筑在全生命周期中所需的信息。”近四十年发展至今，BIM技术开发设计软件越来越多，功能也越来越强大完整。针对如本示范项目此类的民用建筑，尤以欧特克公司的Autodesk Revit应用最为广泛。

根据建筑使用阶段低碳计算方法的相关要求，本项目的设计分析信息模型应包括：

1）墙体、楼板、屋顶、门窗等围护结构的几何特性及物理性质。特别注意各层材料的导热系数、蓄热系数、热阻、热惰性指数、厚度、修正系数等关键参数。

2）各类使用设备的布置。注意三层及以上住户使用太阳能-燃气壁挂炉复合采暖系统，而底两层依然内部设置的是电热水器和燃气壁挂炉。

综上，使用建模速度快、精度高，建筑、结构、设备模型均能布置完全，且可直接出施工图并计算工程量的Revit软件建立本示范项目信息模型，如图1。

图1 示范项目建筑信息模型

2.2 关键技术研究

传统能耗分析软件需要重新建模，且需要输入大量复杂参数，大大降低了工作效率。而如Ecotect Analysis等可以将Revit模型导入分析的能耗软件，其虽然可以进行详细的热工及采光分析，但这种方法未考虑新型低碳节能技术，如太阳能光热的分析。并且无法对建筑总能耗及碳排放量直接生成计算，效率也不高。

目前，Revit平台上的BIM技术在数据交换方面主要通过三种方式进行[6]：1）利用IFC公共标准，实现不同软件间的数据交换。2）利用Revit API二次开发，在Revit核心建模软件基础上形成相关插件。3）利用Excel等其他形式实现数据交换。考虑到工作稳定、操作便捷、灵活多面等优点，本次对建筑全寿命使用阶段的低碳能耗分析选用了Revit API二次开发。

Revit API为开发者提供了对Revit各项功能进行访问的大门，能够实现对建筑模型的可视化操作和参数分析的集成[7]。本次针对使用阶段能耗计算的二次开发主要为实现以下功能：

1）利用数据接口读取如墙体、门窗、屋顶等围护结构的传热系数、材料厚度、密度，以及住宅面积和设备数量等信息模型中相关参数。

2）利用代码编译修改及写入如设备功率、使用时间、太阳能设备相关实测数据等其余相关参数。同时考虑到材料库限值，新型材料及节能做法日益增多，允许对墙体传热系数的直接写入。

3）利用代码编译实现围护结构采暖能耗、设备使用能耗、各项低碳指标等的计算。同时考虑相关节能标准，评定指标是否合格。

具体程序开发流程见图2所示：

图2 Revit API二次开发流程

2.3 基于BIM的节能计算流程

依据上一章研究提出的能耗计算方法，利用本章节Revit API二次开发技术初步在Revit平台上得到了基于BIM的节能计算研究成果。具体的建立模型、输入参数、计算能耗和输出低碳指标的流程图如图3所示：

图3 基于BIM的节能计算流程

3 结论与展望

本文通过对LCA建筑全寿命周期使用阶段的能耗分析与研究，结合十二五国家自然科学基金示范项目，首先提出了绿色建筑使用阶段的低碳能耗计算分析公式。然后利用Revit软件的API二次开发功能，依据之前提出的计算公式研究提出了基于BIM的低碳建筑能耗分析计算方法。本结论大大提高了建筑能耗方面的工作效率，无需其余复杂软件且无需考虑模型转换可能在数据转换上出现的差异。同时也是首次将可再生能源引入其中，能源涵盖广泛，对当下较为火热的建筑全寿命研究具有重要指导意义。

本文研究成果由于还是仅考虑建筑全寿命使用阶段，且为提高计算效率，计算方法较为简化改进。因此在此基础上依然可以针对全寿命其余阶段，同时也针对本过程进行更深入的研究与讨论。