文｜萊蕪市園林局 谷永新

鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 李潤瑋

1.建筑能耗的仿真模擬

隨著人們對室內(nèi)熱濕環(huán)境要求的逐步提高和人均居住面積的不斷增大，對暖通空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，建筑能耗也越來越大，使得建筑能耗成為社會總能耗主要部分之一，并且建筑節(jié)能也成為工程和研究的熱點問題。

建筑節(jié)能的途徑有很多，其中，通過暖通空調(diào)系統(tǒng)模擬，對設(shè)計和運行進行優(yōu)化是重要的一個方面。建筑環(huán)境的變化，是由很多因素引起的一個復(fù)雜過程，非常微妙，利用智能的計算機可以模擬，從而能預(yù)測建筑環(huán)境可能發(fā)生的狀況以及提前進行預(yù)防，例如建筑物的空間舒適度、建筑物逐時得熱/失熱的能耗、采暖空調(diào)系統(tǒng)的逐時能耗等。隨著人們對建筑節(jié)能的日益重視和對建筑環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，建筑設(shè)計師在考慮建筑與建筑環(huán)境關(guān)系下，把建筑模擬作為建設(shè)方案設(shè)計中的一部分，預(yù)先模擬建筑物在運行過程中產(chǎn)生的能耗，指導(dǎo)建筑師進行更為節(jié)能的方案設(shè)計，有效控制建筑物的能耗，尤其是在建筑工程施工、材料設(shè)備加工生產(chǎn)、建筑物投入使用中，而且建筑模擬在建筑物能耗分析及優(yōu)化和空調(diào)系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化兩個方面的內(nèi)容應(yīng)用廣泛。

而對暖通空調(diào)系統(tǒng)以及室內(nèi)熱、濕環(huán)境的模擬需要建筑信息的強力支持?；贐IM方法，建立的暖通空調(diào)專業(yè)的三維立體模塊，從而為暖通工程師搭設(shè)了平臺，參與整個建筑方案策劃與設(shè)計，還提供了一條的方法和有效手段，進而用來獲取相關(guān)建筑設(shè)計行業(yè)信息與資料。

2.傳統(tǒng)能耗模擬過程的缺陷

2.1 設(shè)計流程方面

在項目建設(shè)的策劃決策階段，建設(shè)單位編報項目建議書和可行性研究報告后，即進入勘察設(shè)計階段。從理論上來說，建設(shè)項目的能耗模擬分析工作在設(shè)計階段應(yīng)該開展的越早越好，即在概念設(shè)計階段就開始進行，這樣不僅為整個工程節(jié)省了大量人力物力，更重要的是節(jié)省了寶貴時間，若出現(xiàn)任何問題，也無需再因為返工而做大批量的修改。但是目前國內(nèi)傳統(tǒng)建筑方案設(shè)計中的能耗模擬分析的狀況并不理想：我國大部分建筑能耗計算與評價都發(fā)生在方案設(shè)計的施工圖階段以后；還有一部分設(shè)計者甚至把建筑能耗模擬分析這一重要的過程放到建筑施工甚至建筑交付使用后才進行，所以到了后期，如果建筑設(shè)計方案出現(xiàn)問題，處理的話非常麻煩。有的企業(yè)甚至通過謊報數(shù)據(jù)來通過節(jié)能設(shè)計標(biāo)準，這樣不利于節(jié)能建筑的發(fā)展。

2.2 模擬過程方面

（1）分析工具的選取困難

首先，各個分析工具在形式功能、內(nèi)容與操作上都有差異，且其試用的對象范圍不同，很難選擇真正滿足建設(shè)項目需求的工具。其次，對于特定的建設(shè)項目，其所在地的現(xiàn)實環(huán)境是復(fù)雜多變的，需要從多角度、多層面的去了解，這樣就更難確定哪種工具更適合該項目的需要。

（2）模擬結(jié)果的準確性有待提高

在傳統(tǒng)的能耗模擬軟件中，很多用戶在使用過程中都會發(fā)現(xiàn)有的時候模擬得到的結(jié)果與實際不符，使用不同的軟件對同等條件下同一棟建筑物進行能耗模擬，其分別得到的結(jié)果也存在很大差異。這是因為由于標(biāo)準及設(shè)計手冊的復(fù)合計算方法一般是采用穩(wěn)態(tài)、靜止的計算方法，對于滲透通風(fēng)等都采用了近似的方法，且標(biāo)準及設(shè)計手冊在設(shè)置氣象參數(shù)時采用的是極端條件下的氣象參數(shù)。而模擬軟件的計算方法則是動態(tài)的方法，考慮了歷史的影響采用較為復(fù)雜的數(shù)值計算，在氣象參數(shù)的設(shè)置上采用的是典型氣象年數(shù)據(jù)。同時，在進行建筑能耗模擬時，由于對專業(yè)問題認識不足，在輸入模型時無法創(chuàng)建一種模型，難以與實際相同的軟件相符合。同時，對模型軟件的優(yōu)勢、程序與算法，還有弊端等，不完全掌握，只關(guān)注軟件的界面，在使用時，很難選擇適合的軟件程序，提供合理的輸入和評價，從而難以加以利用。

（3）結(jié)合規(guī)范的專業(yè)建筑節(jié)能評估軟件缺乏

目前，我國模擬軟件與節(jié)能規(guī)范相結(jié)合的還很少，僅有 PKPM 等少數(shù)軟件與建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準相聯(lián)系。但是 PKPM 軟件建立的分析模型也不夠精準，如要設(shè)計建筑的曲面，則在 PKPM 軟件中只能通過直線連接的方式得到，對模擬分析的結(jié)果造成一定的影響。

（4）能耗模擬軟件對設(shè)計的經(jīng)濟性分析欠缺

我國設(shè)計者在使用軟件進行能耗模擬的時候，不關(guān)注建筑的經(jīng)濟性分析，大部分只關(guān)注能耗的計算功能，很多軟件甚至沒有經(jīng)濟性分析功能，對于常規(guī)的工程經(jīng)濟費用分析方法，比如全壽命周期分析法或者投資回收率分析法等，這些軟件尚不具備，有待于進一步開發(fā)。

3. 應(yīng)于BIM 的能耗模擬分析流程

BIM 技術(shù)對建設(shè)項目進行能耗分析計算，只是 BIM 技術(shù)在建筑全生命周期中應(yīng)用的一部分，分析所用的工具是 Ecotect Analysis 軟件。與傳統(tǒng)能耗模擬分析不同的是，BIM 技術(shù)在建筑的概念設(shè)計階段開始就全程參與到項目整個生命周期中，在概念設(shè)計階段，BIM 技術(shù)運用相關(guān)建模軟件如 Revit Architecture、Revit structure 等完成 3D 信息模型與平面視圖的同時建立，其可視化設(shè)計讓業(yè)主能將自己的設(shè)計理念通過與設(shè)計師的溝通得以實現(xiàn)，在虛擬模型中直接生成建設(shè)項目，更能滿足業(yè)主的需要。

由于 BIM 軟件之間的互通性，每完成一個階段的方案設(shè)計，就可以從建模軟件 Revit Architecture 中導(dǎo)出 gbXML 或 DXF 文件格式，直接導(dǎo)入Ecotect 軟件中進行物理環(huán)境的各種模擬；或者是直接在 Ecotect 軟件中建立與3D信息模型相同數(shù)據(jù)信息的模型直接進行后續(xù)的可持續(xù)分析。借助 BIM 技術(shù)，T，體現(xiàn)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）進行更全面的性能分析，包括建筑單體的日照分析和采光模擬、自然通風(fēng)分析、反射板與遮陽板的設(shè)計、可視度分析、聲環(huán)境分析、逐時得熱/失熱、空調(diào)負荷、逐時溫度等。

（2）可視化的設(shè)計使得與業(yè)主之間的交流溝通更容易。

（3）通過模擬能更早的發(fā)現(xiàn)存在的問題，從而解決問題，減少損失。

（4）利用 Ecotect 的桌面工具，設(shè)計者可以對特定的區(qū)域或封閉空間進行分析。由于某個區(qū)域的能源效率不僅受場地規(guī)模（面積）的影響，而且受建筑材料的影響。為此，設(shè)計者可以利用軟件指定區(qū)域范圍內(nèi)外墻、內(nèi)墻、屋頂、地板等建筑構(gòu)件的材質(zhì)，通過對材質(zhì)的精細選擇，進一步使信息模型精細，細化項目分析結(jié)果。

（5）軟件的強大之處不僅僅在計算上，還來自包含材料數(shù)據(jù)和氣候模式的綜合數(shù)據(jù)庫。如進行簡單的陰影分析時，可以打開軟件中的年太陽路徑和日太陽路徑，查看所設(shè)計的建筑物在一年中不同時期投射的陰影。進行日光分析時，可以通過列表或根據(jù)經(jīng)、維度指定項目的地理位置。Ecotect 還覆蓋了正常的三維網(wǎng)格，把要分析的空間分成若干小塊。網(wǎng)格可以手動應(yīng)用和調(diào)整，或與選定對象自動擬合。網(wǎng)格定位后，就可以加載地區(qū)氣候數(shù)據(jù)，然后進行舒適度和熱量分析。

（6）目前 Ecotect 軟件也早已被投入到項目建設(shè)過程發(fā)揮其在日照與輻射分析方面的優(yōu)勢。Ecotect 已經(jīng)可以直接讀取 Revit 導(dǎo)出的 gbXML 和 DXF 文件格式模型并將部分數(shù)據(jù)返回給 Revit，也正在加大與 Sketchup、犀牛等建筑設(shè)計人員常用的軟件的整合力度。由此可見未來 Ecotect 在建筑設(shè)計方案階段將會有進一步的發(fā)展。

4.結(jié)語

建筑能耗分析所需建筑數(shù)據(jù)沒有可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但是數(shù)據(jù)量繁瑣，會導(dǎo)致工作量巨大、分析工作效率不高，這是因為人工交互輸入的精確率不高。同時，由于建筑、設(shè)備、機電、消防等專業(yè)之間需要加強溝通，不宜協(xié)調(diào)，導(dǎo)致暖通工程師很難把握在建筑方案階段的能耗計量與分布，能耗計量與分布的結(jié)果，對于建筑師來說，提供設(shè)計理念和幫助建筑師修改設(shè)計方案作用不大。

建筑信息模型中包含了建筑能耗分析計算所需的所有數(shù)據(jù)。進行建筑能耗分析計算時，建筑信息模型中的數(shù)據(jù)可以由設(shè)計師直接利用，整個過程可以是協(xié)同工作方式，也可以用其他方式更新數(shù)據(jù)。這些都彌補了傳統(tǒng)能耗模擬的缺陷，從而成為建筑能耗模擬的新方向。