文｜華陽安派能源科技（北京） 有限公司 唐德超

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國成為了全球碳排放最高國家的行列之一。同時(shí)，我國又是世界上年新建筑量最大的國家，每年新建筑竣工約為20億平方米，消耗標(biāo)準(zhǔn)煤6億噸，建筑能耗占全國總能耗的30%左右，建筑的CO2排放占總排放接近50%，這一比例遠(yuǎn)高于工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)的總排放[1]。

在我國，大型公共建筑的單位面積能耗是住宅建筑的10～20倍。大型公共建筑的總面積雖然僅占我國城鎮(zhèn)民用建筑面積的5%，但是用電量卻占建筑總用電量的25% 。例如，上海地區(qū)各類公共建筑的單位面積年平均能耗分布如表1所示[2]：

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近年來，國家財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)公共建筑節(jié)能工作的通知》（以下簡稱《通知》），明確了“十二五”期間公共建筑節(jié)能工作目標(biāo)，并且對目標(biāo)的實(shí)施和落實(shí)提供了明確的政策保證。到2015年，重點(diǎn)城市公共建筑單位面積能耗下降20%以上，其中大型公共建筑單位建筑面積能耗下降30%以上；重點(diǎn)城市改造完成建筑面積不少于400萬平方米，中央財(cái)政補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)原則上為每平方米20元。

因此，對公共建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，將有效控制建筑能耗的無序增長，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要途徑之一。

2 計(jì)算機(jī)集成建筑環(huán)境模擬技術(shù)和綠色建筑

2.1 建筑節(jié)能性能化設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)歷了從繪圖工具、計(jì)算工具、設(shè)計(jì)工具到模擬工具的演變歷程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)深入建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，成為各類節(jié)能、生態(tài)建筑設(shè)計(jì)、超低能耗、綠色建筑評估、能效標(biāo)識和綠色建筑設(shè)計(jì)的重要工具[3][4]。

現(xiàn)實(shí)中，建筑物是一個(gè)物理整體，它的內(nèi)部空間、功能、運(yùn)行、使用、用戶互相關(guān)聯(lián)，和建筑物的周界構(gòu)成一個(gè)相關(guān)的綜合環(huán)境。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，商業(yè)建筑工程模擬軟件逐漸為設(shè)計(jì)人士接受，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段中。但是由于商業(yè)軟件的局限性，這樣的計(jì)算機(jī)模擬分析通常需要將相關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象分割并簡化為相對獨(dú)立的物理現(xiàn)象來進(jìn)行模擬分析，通過一個(gè)“串連”的流程來完成整體的設(shè)計(jì)。同時(shí)由于商業(yè)軟件間的不兼容，需要重復(fù)建模，重復(fù)引導(dǎo)，將一個(gè)軟件的輸出轉(zhuǎn)換處理成另一個(gè)軟件的輸入，不僅影響了模擬分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)也在一定程度上造成了人力、時(shí)間和信息資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)有常用的模擬技術(shù)在性能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如圖1所示。

2.2 集成節(jié)能性能化設(shè)計(jì)方法

集成節(jié)能性能化設(shè)計(jì)是以建筑物各用能設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)化方案為變量，以技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，基于大量集成模擬性能分析的最終優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

性能化設(shè)計(jì)和模擬是兩個(gè)不同的概念，后者為前者的手段和工具。初學(xué)者往往僅滿足于對某個(gè)特定節(jié)能設(shè)計(jì)措施或方案的模擬分析，確定該措施在特定條件下的節(jié)能量，進(jìn)而借助模擬軟件的后處理手段來進(jìn)行美化，例如采用CFD軟件生成云圖或流線圖來展示。通常，這樣做的目的更多是作為一種營銷手段。

采用整體計(jì)算機(jī)模擬為手段的性能化節(jié)能設(shè)計(jì)，可以讓我們在有限的時(shí)間內(nèi)，對大量的節(jié)能設(shè)計(jì)方案及其組合進(jìn)行整體性能分析和評估，創(chuàng)建方案—節(jié)能—經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，從而可以按照節(jié)能（能耗）和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為設(shè)計(jì)項(xiàng)目制定最佳節(jié)能設(shè)計(jì)方案。顯然，要這樣做，采用圖1所示的“串連”式流程就有很大的難度。

集成性能化設(shè)計(jì)環(huán)境應(yīng)該具有以下基本要素：

（1）只需建立一個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)CAD數(shù)據(jù)共享。

（2）BIM信息平臺，支持模擬過程中建筑信息的無縫連接。

（3）整體性能模擬，實(shí)現(xiàn)信息增值。

集成模擬環(huán)境下進(jìn)行建筑性能化設(shè)計(jì)的概念，如圖2所示。

2.3 BIM技術(shù)和集成設(shè)計(jì)平臺

自2002年以1.33億美元巨資收購了Revit技術(shù)公司后，AutoDesk公司開始推出以Revit為核心的BIM解決方案，并在媒體和業(yè)界做了很大力度的推廣，由此引起了業(yè)界高度的關(guān)注。很多國家已經(jīng)應(yīng)用BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)、施工和政府監(jiān)管部門的管理，并以此建立了在AEC業(yè)界BIM標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，業(yè)界其他公司的BIM產(chǎn)品，如Graphisoft、Nemetschek和Bentley公司的建筑業(yè)解決方案BIM，相比AutoDesk都有很多獨(dú)到之處。

事實(shí)上，國際上在BIM領(lǐng)域及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究更早時(shí)間就已經(jīng)開始，上世紀(jì)90年代初期在建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（Product Data Model）領(lǐng)域的研究，關(guān)于STEP數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的理論和實(shí)踐，以及其后發(fā)展的gbXML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是構(gòu)成當(dāng)代BIM數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)[5]。

在BIM技術(shù)中，建筑空間數(shù)據(jù)如何與建筑物理性能整合依然是BIM整體技術(shù)上的一個(gè)瓶頸。最新McGraw Hill Construction 關(guān)于綠色BIM的報(bào)告指出，48%的建筑、機(jī)電設(shè)計(jì)公司，58%的工程承包商尚未采用BIM技術(shù)就是出于這個(gè)原因[6]。

3 計(jì)算機(jī)集成節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用

本文通過實(shí)際案例，對集成節(jié)能設(shè)計(jì)的理念和方法進(jìn)行演繹，在建筑設(shè)計(jì)的初期，采用集成建筑模擬技術(shù)對眾多節(jié)能方案進(jìn)行優(yōu)化和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，最終為項(xiàng)目的節(jié)能減排目標(biāo)制定切實(shí)可行的方案。模擬軟件平臺采用visualesp-r[7]，如圖3所示。

案例項(xiàng)目位于大慶市，建筑面積58萬平方米，由大型購物中心、五星級酒店、室外步行街、高檔住宅和高端寫字樓組成的城市綜合體項(xiàng)目。節(jié)能性能化設(shè)計(jì)針對其購物中心部分進(jìn)行，地上面積約9萬平方米（包括步行街），地下約7萬平方米。

節(jié)能性能化設(shè)計(jì)針對目標(biāo)建筑物的能源系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析，為項(xiàng)目提供具有可選性的節(jié)能技術(shù)和投資采購方案。

性能化設(shè)計(jì)針對以下能源分系統(tǒng)進(jìn)行：幕墻系統(tǒng)、冷/熱源、可再生能源、水資源、空調(diào)系統(tǒng)和運(yùn)行、電氣系統(tǒng)、自然采光、自然通風(fēng)等。設(shè)計(jì)中，首先對各個(gè)能源分系統(tǒng)建立可選技術(shù)方案，對每一種方案進(jìn)行集成模擬分析，由此建立能耗和經(jīng)濟(jì)參數(shù)的目標(biāo)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

例如，在幕墻方案中針對五種不同方案進(jìn)行了整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。同樣，對冷、熱源系統(tǒng)指定了五種可選方案。五種方案的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較，如圖5所示。

項(xiàng)目中針對一系列專題進(jìn)行了整體節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，包括：CO2空調(diào)新風(fēng)量控制的節(jié)能性能與投資成本分析和控制策略；室內(nèi)步行街采用自然通風(fēng)式開窗位置優(yōu)化；室內(nèi)步行街采光頂采光面積減少15%、30%、45%對能耗的影響；過渡季和冬季采用新風(fēng)供冷的適用條件；采用日光感應(yīng)器調(diào)光控制系統(tǒng)的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性；采用LED燈照明為商場照明的視覺效果和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性；空調(diào)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管的運(yùn)行控制優(yōu)化。最后，根據(jù)整體節(jié)能分析的結(jié)果、建設(shè)的約束條件，制定最終節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為項(xiàng)目提供決策依據(jù)。本文給出了11種方案，按投資回報(bào)排序的可選節(jié)能措施整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如表2所示。

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根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目希望達(dá)到的節(jié)能目標(biāo)，即住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的綠色建筑評價(jià)星級指標(biāo)一星和二星的節(jié)能和減排指標(biāo)相比。與參照建筑相比時(shí)的節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用和減排量，如表3所示。與參照建筑相比較，本項(xiàng)目（實(shí)施一星時(shí)）節(jié)電達(dá)20%。與表1中上海地區(qū)公共建筑商業(yè)類的單位面積年平均能耗比較，本項(xiàng)目節(jié)能達(dá)45%以上。

4 建筑整體能耗計(jì)量和節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化

4.1 能耗計(jì)量的傳統(tǒng)意義

能耗計(jì)量作為節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵，是建筑性能化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。研究和管理大型商場節(jié)能運(yùn)行的方法雖然很多，但傳統(tǒng)的方法往往僅注重空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行和管理，通過能耗分項(xiàng)計(jì)量，來控制和消除非正常操作，從而使運(yùn)行達(dá)到設(shè)計(jì)要求和節(jié)能。通常情況下的能耗分項(xiàng)計(jì)量，其目的僅僅是對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的異常現(xiàn)象，從而進(jìn)行分析和診斷，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。如圖6所示。

4.2 建筑物整體能耗性能優(yōu)化和控制

事實(shí)上，能耗（分項(xiàng)）計(jì)量只是一種手段，對計(jì)量結(jié)果深層次的處理和利用，對節(jié)能運(yùn)行和控制有更深的意義。基于整體集成節(jié)能性能化設(shè)計(jì)的能耗（分項(xiàng)）計(jì)量以計(jì)量各參數(shù)來進(jìn)一步修正和標(biāo)定建筑物的整體集成能耗模型。在此基礎(chǔ)上，通過大量的模擬計(jì)算分析，以現(xiàn)代數(shù)學(xué)手段找出實(shí)際建筑物及其系統(tǒng)、室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、使用、運(yùn)行狀態(tài)與建筑物整體節(jié)能目標(biāo)之間的動態(tài)規(guī)律和函數(shù)關(guān)系，從而為建筑物和系統(tǒng)的運(yùn)行量身定制可計(jì)量、可預(yù)測、可控制、可實(shí)施的優(yōu)化運(yùn)行方案。

本文介紹從建筑物整體性能出發(fā)，以節(jié)能性能化設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)計(jì)量和模擬預(yù)測為手段，實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能運(yùn)行的方法。

在實(shí)施分項(xiàng)計(jì)量之前，首先需要根據(jù)建筑物和系統(tǒng)的實(shí)際配置對建筑模擬的模型進(jìn)行標(biāo)定，主要包括以下三個(gè)方面：

（1）室內(nèi)、外環(huán)境參數(shù)：運(yùn)行年的室外氣象參數(shù)和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)際參數(shù)。

（2）建筑物和系統(tǒng)參數(shù)：實(shí)際建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，空調(diào)、照明、電氣、水等系統(tǒng)的實(shí)際配置、運(yùn)行和控制參數(shù)。

（3）建筑物的使用參數(shù)：包括商場的運(yùn)營日程和時(shí)間，各區(qū)域的使用特征，人員密度時(shí)間表。

以實(shí)際測量和分項(xiàng)計(jì)量的環(huán)境和運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)，以性能化設(shè)計(jì)方法，搭建建筑物整體性能模型對不同運(yùn)行情景和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行大量模擬計(jì)算分析，對影響目標(biāo)函數(shù)（如能耗）的敏感參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具和手段，最終導(dǎo)出與能耗目標(biāo)函數(shù)相關(guān)變量的函數(shù)關(guān)系，從而對實(shí)際建筑物和系統(tǒng)的運(yùn)行以節(jié)能為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，為運(yùn)行和管理提供準(zhǔn)確可靠的科學(xué)依據(jù)。如圖7所示。

5 結(jié)束語

大型公共建筑的單位面積能耗是住宅建筑的10～20倍。國家和地方政府單獨(dú)對公共建筑節(jié)能明確了“十二五”期間工作目標(biāo)。整體節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化的性能化設(shè)計(jì)和BIM平臺為公共和商業(yè)建筑節(jié)能提供了有效的工具。整體節(jié)能性能化設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)方案階段開始到建筑物建成運(yùn)行的整個(gè)階段對節(jié)能目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，為商業(yè)地產(chǎn)的綠色建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 林益彬.低輻射（Low-E）鍍膜玻璃與建筑節(jié)能.上海綠色建筑，2011（6）：27-28

2 徐強(qiáng)，等.上海市大型公共建筑能耗統(tǒng)計(jì)分析.城市發(fā)證研究，2011增刊（1）：322-326

3 GB 50378-2006 綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)指南.2007年

5 Eastman C M,Siabiris A.A generic building product model incorporating building type information.Automation in Construction,Volume 3,Issue 4,pp.283-304,1995,Elsevier

6 Green BIM.McGraw-Hill Construction SmartMarket Report.2010

7 唐德超.建筑自然通風(fēng)模擬技術(shù)的回顧和應(yīng)用.暖通空調(diào)，2011，41（12）：99-104