李建民，趙旭，張貴川，紀(jì)宇

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

0 引言

能源已成為世界發(fā)展的重要戰(zhàn)略問(wèn)題、政治問(wèn)題和外交問(wèn)題。我國(guó)建筑的能耗約占全社會(huì)總能耗的30%，如果再加上建材生產(chǎn)過(guò)程中消耗的能源（占全社會(huì)總能耗的16.7%），和建筑相關(guān)的能耗將占到社會(huì)總能耗的46.7%，建筑能耗已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。[1]在建筑能源消耗中，公共建筑的單位面積電耗是普通居民建筑的10倍左右，其中辦公建筑能耗占主要能耗的32.5%。建造高效節(jié)能辦公建筑，是緩解這一矛盾的有效途徑。近年來(lái)，國(guó)家針對(duì)建筑行業(yè)相繼出臺(tái)了一系列建筑節(jié)能政策和標(biāo)準(zhǔn)，早在“十一五”規(guī)劃就把建筑節(jié)能放在重中之重。在節(jié)能政策的推動(dòng)下，建筑節(jié)能從嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)興起逐漸發(fā)展到夏熱冬冷地區(qū)并向夏熱冬暖地區(qū)推進(jìn)。[2]辦公建筑作為一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施，因其覆蓋面積廣、能效利用率低、節(jié)能改造潛力大，已經(jīng)成為我國(guó)建筑節(jié)能改造的重要方向。

目前重慶市作為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的城市之一，已建成公共建筑約1億m2，但高能耗辦公建筑所占比例大，整體技術(shù)水平較落后，存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)較大，空調(diào)設(shè)備選型裝機(jī)容量偏高，能效利用率低，對(duì)光、溫等環(huán)境調(diào)控水平有限等問(wèn)題。目前既有辦公建筑改造技術(shù)較盲目，缺乏科學(xué)規(guī)劃，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)研究認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致許多既有辦公建筑改造方案不合理，改造和運(yùn)行成本高，辦公建筑改造后出現(xiàn)“營(yíng)養(yǎng)過(guò)?！钡默F(xiàn)象。針對(duì)我國(guó)既有辦公建筑面臨的問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)建筑事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，本文通過(guò)引入BIM 技術(shù)，對(duì)重慶地區(qū)既有辦公建筑節(jié)能改造方案進(jìn)行研究。新型辦公建筑節(jié)能改造方案有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)辦公建筑節(jié)能改造方案改造難度大、影響因數(shù)復(fù)雜、改造后節(jié)能效果不確定等缺點(diǎn)，是一種新型節(jié)能改造方案。

辦公建筑作為一種人員集中分布的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)其節(jié)能改造除了要保證能效利用率外，還需要保證采光、通風(fēng)等舒適性要求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)是節(jié)能改造過(guò)程中的主要改造部件，其結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對(duì)建筑的保溫性能有著重要影響?？照{(diào)設(shè)備選型裝機(jī)容量的選擇和新能源的利用也直接影響建筑的改造效果。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般進(jìn)行節(jié)能改造的費(fèi)用僅為建筑總造價(jià)的3%～6%，而節(jié)能效果卻可達(dá)20%～40%[3]。因此，選取科學(xué)合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)容量，并引入新能源系統(tǒng)，避免不必要的材料消耗，從而節(jié)省前期投資，對(duì)促進(jìn)既有辦公建筑節(jié)能改造的推廣應(yīng)用具有重要意義。本文將根據(jù)工程熱力學(xué)原理，采用多目標(biāo)優(yōu)化法對(duì)既有辦公建筑節(jié)能改造方案進(jìn)行優(yōu)化研究，在提高既有辦公建筑能效利用率的同時(shí)使其造價(jià)更低。

1 改造方案設(shè)計(jì)

重慶既有辦公建筑節(jié)能改造主要措施有圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造、空調(diào)系統(tǒng)、增設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)、新能源的利用。綜合重慶的地理、經(jīng)濟(jì)、文化價(jià)值、社會(huì)價(jià)值等綜合因素。適合重慶既有辦公建筑的節(jié)能改造技術(shù)有增設(shè)外墻屋面保溫層、選擇雙層高性能保溫窗、減少門(mén)窗空氣滲透量、更換適裝機(jī)容量空調(diào)系統(tǒng)、增設(shè)太陽(yáng)能系統(tǒng)、培養(yǎng)良好的節(jié)能使用習(xí)慣。[4]

2 Ecotect Analysis模擬分析功能介紹

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是通過(guò)對(duì)建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信息仿真模擬，建立具有的建筑真實(shí)信息的模型。本文應(yīng)用BIM 軟件Ecotect Analysis 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

通過(guò)Ecotect Analysis 應(yīng)用軟件，創(chuàng)建簡(jiǎn)單的建筑信息模型，可以方便的對(duì)改造方案進(jìn)行建筑能效評(píng)估。得到的分析結(jié)果可以及時(shí)對(duì)方案做出合理調(diào)整和更換，從而做出更有利于建筑持續(xù)性的選擇[5]。

Ecotect 分析的范圍很廣，從太陽(yáng)輻射、日照、遮陽(yáng)、采光、照明到熱工、室內(nèi)聲場(chǎng)、室內(nèi)外風(fēng)場(chǎng)都可以進(jìn)行模擬，涵蓋了熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響與可視度等。其分析過(guò)程為：

2.1 建立分析模型

指定項(xiàng)目信息視圖（PROJECT）錄入模型信息并指定三維編輯視圖（3D EDITOR）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立簡(jiǎn)化模型。

2.2 設(shè)置參數(shù)

設(shè)置材質(zhì)參數(shù)、熱環(huán)境參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、人員參數(shù)及氣象數(shù)據(jù)。

2.3 分析并查看結(jié)果

指定分析視圖（ANALYSIS）顯示各項(xiàng)計(jì)算和分析，指定報(bào)告視圖（SUMMARY）生成報(bào)告。

3 案例分析

3.1 方案模型和模型參數(shù)選取

本文所研究的節(jié)能改造方案以西南大學(xué)行署樓為例，建筑主體基本尺寸：長(zhǎng)57.8m，寬17.2m，高11.0m。外墻及屋頂材質(zhì)均為鋼筋混凝土，窗為木質(zhì)窗框的單層玻璃窗，戶門(mén)及陽(yáng)臺(tái)門(mén)為單層玻璃木門(mén)?？照{(diào)系統(tǒng)為分散式空調(diào)系統(tǒng)并且未采用新能源系統(tǒng)。

西南大學(xué)行署樓模擬模型

3.2 改造方案設(shè)計(jì)

既有辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造應(yīng)該在減少對(duì)原有建筑破壞、降低對(duì)正常使用的影響、增加最少的改造荷載的前提條件下進(jìn)行，采用適宜的節(jié)能技術(shù)手段，在兼顧經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，盡可能提高建筑保溫隔熱性能，降低建筑能耗.改造設(shè)計(jì)需要有系統(tǒng)優(yōu)化的思想，最優(yōu)的方案應(yīng)該是社會(huì)成本最低、能源效率較高、又能滿足需求的節(jié)能方案[6]。

綜合考慮各項(xiàng)因素，針對(duì)西南大學(xué)行署樓節(jié)能改造應(yīng)采取的主要措施有：墻體外貼XPS 保溫板或外貼STP 保溫板；屋頂外抹保溫砂漿或屋頂貼XPS 保溫板；窗改為雙層玻璃鋁合金框或low-E中空玻璃高分子材料框；門(mén)改為實(shí)松木門(mén)或中間夾保溫材料木門(mén)；空調(diào)系統(tǒng)選用合適裝機(jī)容量；新增太陽(yáng)能光伏電板。

各部件改造方案不同，因此會(huì)有S=2*2*2*2*1*1種節(jié)能效果與造價(jià)不同的改造方案。應(yīng)用Ecotect 軟件對(duì)16種方案進(jìn)行逐個(gè)模擬分析得到最低造價(jià)和最佳節(jié)能效果改造方案。[5]

節(jié)能改造前模型分析結(jié)果：

能源消耗

最低造價(jià)改造方案分析結(jié)果：

能源消耗

構(gòu)件造價(jià)

最佳效果改造方案分析結(jié)果：

能源消耗

構(gòu)件造價(jià)

未改造前建筑年能源消耗165000KW·h 左右，改造后建筑年能源消耗位于100000KW·h～115000KW·h 之間。節(jié)能改造效率位于在50%到65%之間，年節(jié)約50000KW·h～65000KW·h的能源，以每度電0.5元計(jì)算，年節(jié)約量約合人民幣25000～32500元。改造成本位于500000元到1400000元之間。其中最低造價(jià)改造方案節(jié)能效率為50%，改造成本約為500000元，符合我節(jié)能改造50%的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)；最佳效果改造方案節(jié)能效率為65%，改造成本約為1400000元，達(dá)到我國(guó)節(jié)能改造效果65%的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與建議

本文采用多目標(biāo)分析法，在BIM 軟件Ecotect 程序環(huán)境下，對(duì)重慶地區(qū)既有辦公建筑進(jìn)行了多目標(biāo)化節(jié)能改造方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到不同方案條件下改造后的節(jié)能效果。通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

4.1 在對(duì)既有建筑進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，得到了用于熱工分析的模擬模型，并設(shè)計(jì)了不同的方案。結(jié)果表明，模型簡(jiǎn)單可靠，能客觀準(zhǔn)確地反映既有建筑的熱工性能

4.2 既有辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造的費(fèi)用較低，但節(jié)能效果明顯。

4.3 將BIM 技術(shù)軟件引入既有辦公建筑改造方案中可以得到合適的改造方案既可達(dá)到改造后的能效要求又可以將造價(jià)降到最低。

[1]倪德良.既有建筑節(jié)能改造的意義、方法和建議.上海住宅，2005-12

[2]饒武.夏熱冬暖地區(qū)既有建筑節(jié)能改造技術(shù)探討.墻體與設(shè)計(jì)，2008-1

[3]張志軍，曹露春.可再生能源與建筑節(jié)能技術(shù).中國(guó)電力出版社，2012-1

[4]王琨，謝興保.夏熱冬冷地區(qū)生態(tài)建筑節(jié)能建筑的應(yīng)用探討.四川建筑，2005-2

[5]Autodesk，lnc.Autodesk Ecotect Analysis 綠色建筑分析應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2011-1

[6]任乃鑫，阮帆，趙宇洲.夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010-7

[7]GB 50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[8]李繼業(yè).建筑節(jié)能工程材料.化學(xué)工業(yè)出版社，2012-1