金國輝,張雪寒

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

基于BIM技術(shù)的內(nèi)蒙古寒冷區(qū)低能耗住宅窗戶對建筑能耗的影響

金國輝,張雪寒

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010

本文基于BIM技術(shù)，以內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)吉蘭泰的某住宅建筑為例，創(chuàng)建了對應(yīng)的3D信息模型，將該模型導(dǎo)入Ecotect綠色節(jié)能軟件內(nèi)，從而得到相應(yīng)的節(jié)能分析模型。針對此模型進(jìn)行相關(guān)的材質(zhì)及系統(tǒng)設(shè)置，同時(shí)將窗體在能耗方面的相關(guān)因素展開探究，以圖表的方式進(jìn)行展現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其中問題并給出相關(guān)建議。

內(nèi)蒙古寒冷區(qū);BIM;建筑節(jié)能;低能耗住宅

我國建筑市場是全世界最大的，面積的整體范圍高達(dá)5.6×1010m2，但是對于這個(gè)建筑來講，其單位的消耗狀況同樣是偏高的。當(dāng)下來看，中國的年建筑總體面積高達(dá)2.0×109m2，相關(guān)研究表示，2020年時(shí)，中國的建筑面積總數(shù)可能會增加約3.0×1010m2[1]。伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，中國建筑在耗能方面的水平同樣會提升，相關(guān)研究顯示，其極有可能變成將來整體能源消耗放在的重要部分[2]。根據(jù)清華大學(xué)發(fā)布的建筑節(jié)能發(fā)展研究報(bào)告，建筑的冬季采暖是我國建筑能耗的最主要部分，同時(shí)也是建筑節(jié)能工作的重心[3]。

目前，原有2D建筑節(jié)能軟件以手工進(jìn)行主體設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)展開分析。隨著智能化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，3D建筑軟件逐漸成熟（BIM技術(shù)），并進(jìn)而走向智能化與自動化。本文以內(nèi)蒙古寒冷區(qū)一棟典型住宅建筑為例，研究了該建筑基于BIM技術(shù)的低能耗住宅窗戶對建筑能耗的影響分析。

1 模擬軟件的介紹

Ecotect是由英國公司Square One開發(fā)的基于BIM技術(shù)的綠色建筑軟件[4,5]，它可以便捷地在設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段對設(shè)計(jì)進(jìn)行評估，除此之外，其在速度與技術(shù)方面的優(yōu)勢同樣是十分突出的。Ecotect軟件當(dāng)中的關(guān)鍵為準(zhǔn)入系數(shù)法[6]，在區(qū)域數(shù)量與建筑物形態(tài)方面，其未進(jìn)行規(guī)定，同時(shí)運(yùn)算方式是相對靈活的。其中最為重要的即是其能夠在保證速度的前提下，以直接的方式展現(xiàn)結(jié)果。

2 BIM技術(shù)節(jié)能應(yīng)用研究

2.1 工程背景

選取吉蘭泰地區(qū)某居住建筑為研究實(shí)例。該建筑位于阿拉善盟左旗的吉蘭泰鎮(zhèn)，始建于上世紀(jì)90年代，主要結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)，每層兩戶。建筑層數(shù)為六層(圖1)，是建筑標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖，建筑的整體面積是1.38×103m2。把平面圖納入到Ecotect當(dāng)中，即可得到圖2當(dāng)中的基礎(chǔ)模型。

2.2 模型材質(zhì)設(shè)定

對該建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，其基本構(gòu)造做法見表1。

圖1 某居住建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.1Achart of residential building standard floors

圖2 Ecotect基礎(chǔ)模型Fig.2 The basic model of Ecotect

表1 某居住建筑基本構(gòu)造做法Table 1 The structure and construction of a residential building

根據(jù)表1中的構(gòu)造做法，在Ecotect中分別對基礎(chǔ)模型構(gòu)件的構(gòu)造方式進(jìn)行編輯，輸入基本參數(shù)值后利用構(gòu)造物理屬性計(jì)算軟件EcoCal計(jì)算得出每種構(gòu)件構(gòu)造方式的傳熱系數(shù)、衰減系數(shù)等參數(shù)。

2.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

在基礎(chǔ)模型建立完成之后需要對模型中的區(qū)域?qū)傩赃M(jìn)行設(shè)置，主要包括區(qū)域中的系統(tǒng)類型、人數(shù)、設(shè)備發(fā)熱量以及活動（運(yùn)行）時(shí)間等內(nèi)容。其中，區(qū)域?qū)傩孕枰磪^(qū)域分別設(shè)置，包括一般設(shè)置、熱環(huán)境屬性和區(qū)域信息三個(gè)選項(xiàng)卡。

2.3.1 一般設(shè)定 一般設(shè)置均可使用默認(rèn)的設(shè)置即：衣著量為1；相對濕度設(shè)置為30%；室內(nèi)風(fēng)速為0.1 m/s接近無風(fēng)狀態(tài)；室內(nèi)照度為100 lux。

就人員和運(yùn)行方面來看，其含有兩方面設(shè)置內(nèi)容，即滲透率與室內(nèi)得熱狀況，在對所有房間狀況展開詳細(xì)探究的基礎(chǔ)上能夠明確其人數(shù)與人員活動情況（一般設(shè)為“靜坐—70 W”）。

滲透率的設(shè)置即空氣交換率為0.25。

2.3.2 熱環(huán)境屬性設(shè)定 熱環(huán)境屬性設(shè)定包括采暖、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)設(shè)定、UK PART L-SBEM設(shè)定（此項(xiàng)為英國部分建筑能耗簡化模型概述，此處將不會涉及）和運(yùn)行時(shí)間設(shè)定3項(xiàng)。

在系統(tǒng)類型中，針對該建筑模型則選擇了全空調(diào)系統(tǒng)選項(xiàng)，效率為95%。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況設(shè)定，工作日系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為晚上8點(diǎn)至次日早晨5點(diǎn)；周末系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為晚上7點(diǎn)至次日早晨6點(diǎn)。

3 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的Ecotect分析

外窗作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其重要的作用即是讓建筑物保持采光與通風(fēng)狀況良好，同時(shí)其是室內(nèi)外失熱環(huán)節(jié)當(dāng)中的關(guān)鍵內(nèi)容。相關(guān)數(shù)據(jù)表示[7]，通過外窗損失的能耗大約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗量的60%以上，經(jīng)過計(jì)算外窗玻璃損失的能耗占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的近四成[8]，外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱消耗最多的部位。

3.1 窗框的材料

建筑外窗中經(jīng)常使用的窗框材料有很多種類。以材質(zhì)進(jìn)行劃分能發(fā)現(xiàn)，框體多含有下述材質(zhì)，即鋼窗，木窗，鋁合金窗，塑鋼窗，斷熱鋁合金窗等。各種常見材質(zhì)窗框的優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

表2 幾種常用窗框材質(zhì)優(yōu)缺點(diǎn)的對比Table 2 Comparison among characters of usual materials in window

3.2 窗戶的玻璃材質(zhì)

玻窗戶是由玻璃和窗框組成，玻璃占窗戶的80%以上，普通窗戶材料是由單層玻璃制成的?，F(xiàn)今，為研究被動式低能耗住宅建筑以達(dá)到利用太陽能資源解決冬季能耗大的問題，將玻璃技術(shù)中摻入一些元素以達(dá)到吸熱的作用。詳細(xì)來講，其包括可進(jìn)行熱發(fā)射的鍍膜玻璃，以及低輻射鍍膜玻璃等類型。結(jié)合此課題，主要使用3種不同材質(zhì)的玻璃材料，分別是普通單層玻璃、低輻射鍍膜玻璃及雙層真空玻璃來作為對比分析。

3.3 外窗類型

外窗對能耗的影響主要由傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)決定，試驗(yàn)選取單層木窗、雙層鋁窗以及雙層Low-E真空玻璃鋁窗等6種外窗，窗戶的光熱性能系數(shù)如表3所示。

表3 窗戶的光熱性能系數(shù)Table 3 The coefficients of light and heat performances in windows

通過Ecotect軟件進(jìn)行冷熱負(fù)荷的計(jì)算，并按U值大小排列繪制成圖，對應(yīng)的負(fù)荷指標(biāo)如圖3所示。

圖3 不同材質(zhì)的窗戶對能耗的影響Fig.3 The effects of materials in windows on the energy consumption

由上圖3可見，在相同的下這6種不同材質(zhì)的外窗的制冷能耗情況不一，鋁合金窗框單層玻璃窗的總能耗最高，且采暖能耗也是最高的。因?yàn)樯衔奶岬剑胀ㄤX合金窗在熱工性能方面存在明顯不足，并且采用單片玻璃，保溫隔熱性能太差。而雙層Low-E玻璃木窗所產(chǎn)生的熱負(fù)荷最低，但因?yàn)槠鋸?qiáng)度低，受力易變形，因此在實(shí)際使用中應(yīng)采用雙層Low-E玻璃鋁窗更為合適。

3.4 窗墻比

所謂窗墻比，即窗洞自身面積和整個(gè)房間內(nèi)單元面積之間的比值[9]。建筑耗能方面，窗墻比所占作用偏大。夏季時(shí)期，隨著窗墻比的增大，空調(diào)制冷能耗越大；但在冬季，圍護(hù)結(jié)構(gòu)丟失的相應(yīng)熱量和通過太陽輻射獲取到的相應(yīng)熱量對等關(guān)系是較差的，其需以地理位置為基礎(chǔ)，在此前提下明確窗墻比，從而推動采暖消耗的降低。

3.5 南向外窗的節(jié)能模擬

住宅建筑要實(shí)現(xiàn)低能耗目標(biāo)，建筑的南向外窗不僅要求有較好的隔熱保溫性能，還需要有具有的太陽得熱系數(shù)。外窗玻璃具備較好的太陽得熱系數(shù)能，天氣較冷，尤其是冬季時(shí)，太陽光就可更容易的進(jìn)到室內(nèi)當(dāng)中，從而提升整個(gè)室內(nèi)的溫度，減少建筑的消耗?；谝?guī)范，一般較冷區(qū)域當(dāng)中的南向窗墻比會低于0.5，所以，本篇在進(jìn)行探究時(shí)，會將南向窗墻比的值設(shè)置成：0.3，0.4，0.5，得出下圖4。

圖4 不同南向窗墻比對能耗的影響Fig.4 The effects of southward window and wall ratios on energy consumption

由上圖可知，在南向的窗墻比增加的同時(shí)，采暖的能耗同樣在提升，之所以會出現(xiàn)這樣的狀況，是由于提升南向窗墻比后，冬季采暖期間會增加單位面積通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量，即建筑物的采暖能耗隨窗墻比的增大而增大。而通過減下窗墻比，能夠顯著降低全年的總能耗。隨著窗墻比的增大，對于室內(nèi)來講，其采光系數(shù)同樣得到提升，空調(diào)能耗會隨之減少。根據(jù)房間的朝向和功能的不同選擇適合的窗墻比，一方面可以讓室內(nèi)的相應(yīng)采光與舒適的得到保障，另一方面還能節(jié)約能源。

4 結(jié)語

本文按照內(nèi)蒙古寒冷區(qū)某居住建筑的建筑圖紙建立BIM模型，并將模型導(dǎo)入到Ecotect軟件中，同時(shí)對環(huán)境與材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定。以Ecotect軟件為基礎(chǔ)，模擬可以影響窗體耗能方面的因素，進(jìn)而根據(jù)圖表，給出結(jié)論，同時(shí)進(jìn)行建議。就當(dāng)下來看，BIM系列軟件在中國內(nèi)地發(fā)展時(shí)間是較短的，因此還沒有完全在建筑業(yè)的各專業(yè)中運(yùn)用。在一些情況下，模型在跨軟件導(dǎo)入的時(shí)候可能會發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失，從而影響建筑綠色節(jié)能分析的效果。雖然BIM技術(shù)用于綠色建筑還存在這些問題，但是BIM技術(shù)用于綠色建筑分析是大勢所趨，二者的有機(jī)結(jié)合也一定會對建筑節(jié)能以及可持續(xù)發(fā)展起到巨大的推動作用。

[1]車立兵.淺析生態(tài)節(jié)能建筑的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[J].建筑與發(fā)展,2013(3):83,85

[2]宋樹信.BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中外建筑,2015(10):148-149

[3]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2011[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011

[4]云 朋.ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[5]余 莊.建筑智能設(shè)計(jì):計(jì)算機(jī)輔助建筑性能的模擬與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[6]云 鵬,黃俊鵬.生態(tài)設(shè)計(jì)軟件Ecotect在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用//浙江省土木建筑學(xué)會.首屆中國建筑節(jié)能總工高峰論壇論文集[C].杭州:中國建筑節(jié)能總工高峰論壇,2007

[7]張?jiān)葡?朱 琨.節(jié)能窗的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題探討[J].能源與環(huán)境,2008(3):13-15

[8]劉宇寧,陳 超,屈 璐,等.玻璃窗在建筑節(jié)能中的作用及其特征性分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2006,25(6):80-84

[9]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JGJ26-2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

The Effect of Residential Windows in Low Energy-saving Zones of Inner Mongolia on the Buildings Based on BIM

JIN Guo-hui,ZHANG Xue-han
School of Civil Engineering/Inner Mongolia University of Science&Technology,Baotou014010,China

Based on BIM technology,a 3D information model is created by taking a residential building in Jilantai,Inner Mongolia as an example and then the model is imported into Ecotect green energy-saving software to get the corresponding energy-saving analysis model.The material and system settings for the model,while the energy consumption of the form in the relevant factors to explore the way to show the chart to find the problem and give recommendations

Cold area of Inner Mongolia;BIM;energy-saving building;low energy house

TU201.5

A

1000-2324(2017)04-0528-04

2016-10-20

2016-11-12

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0535;2016MS0516);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51668051)

金國輝(1966-),男,碩士,教授,研究方向:土木工程建造與管理.E-mail:jinguohuimba@163.com