高校建筑节能优化分析

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摘要:目前我国高等院校人均能耗明显高于国家人均能耗，其中教学楼建筑能耗占主要部分且节能潜力巨大。现今BIM技术广泛应用于国家与国际工程建设行业中，尤其应用BIM技术来模拟建筑能耗进行建筑节能分析越来越成熟。通过建立数字化BIM参数模型，对上海电力大学临港校区建筑进行节能设计优化与分析，经过实地调查研究，提出节能方案和建议，根据现有条件对节能方案进行了分析讨论，并提出优化建议。

关键词:BIM技术;建筑能耗;节能优化分析;校园建筑

根据近年来国家能源网的数据来看，建筑总能耗在中国能源消费总量中的份额已经超过27%。校园建筑能耗大范围超出各建筑类型的能耗均值，高校能源消耗量增长迅速，加大了高校学生的培养成本，教育部大力推广绿色校园建筑，因此在高校实行对能源消耗的控制相当有意义。并且BIM技术应用越来越成熟，能够普遍应用在工程建设行业中，本文将采用BIM技术来对上海电力大学的教学楼建筑进行能耗分析。因为我国现有的建筑中大多数为高能耗建筑，存在新建的房屋建筑仍是高能耗建筑的情况，其中教学楼建筑能耗占比较大且节能潜力巨大。以临港新校区为例，选择经外楼为主要建筑体进行能耗分析，结合REVIT软件与BIM的环境模拟的分析工具软件———ECOTECT得到能耗初步数据。

1项目概况

浦东临港中心城区位于浦东东南，气候潮湿多风，很少出现极端天气。上海电力大学临港新校区位于浦东临港中心城区，距校本部（平凉路校区）65km，距滴水湖约3km。新校区占地面积约960亩，规划建筑面积58万m2，按照“一次规划，分期建设”的原则，上海电力学院（临港校区）是以人为本、智能化、信息化、绿色化以及风光储一体化智能微电网系统的特色能源化的综合性学校。

2BIM技术概述

BIM一词，乃BuildingInformationModeling的缩写，是一种新兴的建筑设计方法，BIM被誉为继CAD之后的第二次设计革命。与传统的二维图纸不同，BIM可以说是三维、四维（空间+时间）甚至更多维度的设计。可以构建建筑物的三维模型，同时还加入了时间的维度［1～2］。这就带来了四大好处：全生命周期、所见即所得、协调性更好、模拟与优化BIM的经典案例有Skidmore，Owings&MerrillLLP（SOM）设计的美国世贸中心原址上兴建的自由塔［3］。国内的经典案例有上海世博会的多个场馆如中国馆、芬兰馆等，在设计过程中也都使用了BIM技术［4］。目前，国家大力推广BIM技术在建设行业中的应用，其中建筑节能是一个重要的领域。山东建筑大学绿色学生公寓的平面、立面及造型都与其他普通公寓尽量保持协调一致，在保证原有建筑风格及使用功能不受影响的基础上，将多项绿色节能技术与建筑有机结合。山东建筑大学绿色学生公寓作为一个示范性的低能耗绿色建筑，在太阳能利用、节约能源、改进学生公寓空气质量、改善居住环境的舒适度等多方面都取得了较大的成就［5］。从国际建设工程领域来看，BIM技术的应用也如火如荼。国外已经有了比较活跃的使用BIM技术的咨询公司。国内各个机构推出的BIM方面的证书也开始多了起来，随着时代的发展，相信在不久的将来，BIM将成为主流。其中东英吉利大学在创新和卓越两方面享有国际认可的荣誉。ThomasPaineStudyCenterⅡ为UEA最新的绿色校园建筑。东京大学为建设低碳校园，并结合学校的实际情况，制订了建设绿色低碳校园力求达到的最优原则：减少温室气体排放量以及减少校园生命周期的维护成本［6］。

3基于BIM技术的节能分析软件

基于BIM技术的建筑节能模拟体系是在以BIM模型和相关模拟分析软件的基础之上，将气候环境等相关因素的影响考虑进去，创建一个环境模拟分析的平台，在该平台上利用模拟分析的结果调整建筑节能设计阶段的成果，优化建筑的空间布局。本文选择上海电力大学临港校区经外楼为实例，运用REVIT软件与BIM的环境模拟的分析工具软件—ECOTECT得到设计初期基本数据。通过Revit软件建立上海电力大学临港校区经外楼的BIM模型并且在Revit软件中生成建筑物能量模型，对建筑主题能量模型进行设置。导出GBXML文件，随后导入GBXML文件到Ecotect软件，修改模型设置，设置气象数据、时间以及坐标位置，以此依据来对建筑进行数据分析。Revit是专门针对BIM建筑信息模型设计的，是最先引入建筑社群并提供建筑设计和文件管理支持的软件。但其基础技术，建筑信息化模型以及参数化变更引擎在经过设计和优化后，可以支持整个建筑企业的信息建立和管理。建筑信息化模型是一种先进的数据库基础结构，可以满足建筑设计和制作团队的信息需求。参见图1。

4日照分析

日照方面，上海电力大学临港校区经外楼位于学校大门的西侧，周边无遮挡。本文通过改变建筑的坐标位置，通过软件模拟日照时间。由于上海电力大学经外楼位于上海市浦东新区，上海市在Ⅲ气候区，在冬至日有效日照时间为9点至15点，气象数据采用中国气象局。以冬至日12点为例，对比建筑物东、南、西、北四个朝向的日照分析，以判断其能耗情况。蓝色为0.00至0.80h，紫色为1.60至2.40h，红色为3.20至4.00h，橘色为4.80~6.40h，黄色为7.20至8.00+h。图2~5所示分别为西、东、北、南朝向时，建筑物的南侧立面，通过对比观察可知，当建筑物朝向为南边时，是最优方案。通过对比和观察建筑物东、南、西、北四个朝向在冬至日的日照分析图可知，当建筑物以东西向排列时，日照时间基本≥0.8h，绝大部分满足《城市居住区规划设计规范GB50180—93（2002年版）》冬至日有效日照时数≥1h，其中建筑物北侧立面日照时长基本为0，所以应该在靠北的方向尽量在拐角处设置一扇窗可以达到日照要求。这时，建筑内部环境不能获得充足的日照，因而不能保证建筑物内部卫生、改善室内小气候、提高舒适度等环境质量，因此会增大空调、空气净化器等一系列电器的使用频率，增大能耗，不能响应国家一直倡导的降低能耗节约资源的理念。当建筑物朝向南边时，建筑物总体颜色鲜艳，说明日照时间比较充足。日照时长基本≥1.6h，有充足的日照时长，可以具有一定的杀菌作用，降低全年采暖空调能耗和照明能耗，提高建筑物的舒适度，保持环境温暖和干燥［7～8］。综上所述，建筑物朝向南边时，不仅日照充足，而且可以有效降低建筑物能耗，是最优方案。

5结论

本文研究仅考虑冬至日的日照时间作为参考，有一定的局限性，由于气候多变，可能存在一定数据误差。上海电力大学临港校区经外楼现有东西南北采光分析表明，在满足规定冬至日≥1h的日照时长规定时，最佳朝向是南边，这与学校节能减排的设计理念是一致的，有相对充足的日照，利用有充足的阳光满足室内光环境和卫生要求，以达到减少照明能耗，提高人体健康的舒适环境的目的，同时可以防止室内过热，对教学办公楼环境进行生态化和科学化的设计，充分利用自然资源降低能耗以达到绿色环保降低能耗的理念。通过对建筑结构和位置提出优化方案，可以降低建筑的能耗、提高日照时长等。所以，运用BIM技术进行建筑节能协同设计是很有必要的。

作者:竺晶婧 杨太华 吴爱莲 单位:上海电力大学