我國寒區(qū)農(nóng)村住宅熱環(huán)境的BIM 建模分析與節(jié)能研究

王啟武 韋海鋒 郝孟超

摘要：為了研究我國寒冷地區(qū)農(nóng)村居民住宅能耗問題，根據(jù)農(nóng)村居民住宅熱環(huán)境的影響因素，建立了 BIM模型，并將包含建筑信息的虛擬模型引入到能耗分析工具中，選擇合適的建筑朝向。通過對不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的住宅建筑的能耗分析，設(shè)計了昀佳的節(jié)能住宅形式。該方法對研究寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的能耗和節(jié)能設(shè)計具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：BIM;農(nóng)村住宅;寒區(qū);節(jié)能

1.引言

中國北方大部分地區(qū)處于寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，從建筑節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的角度來看，由于建筑面積的增加和居民對改善冬季室內(nèi)溫度的需求，農(nóng)村建筑能耗在總能耗中所占的比例越來越高。寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅供熱能耗占建筑能耗總量的很大比例，在農(nóng)村建筑建設(shè)初期，合理規(guī)劃探索和設(shè)計符合當(dāng)?shù)貧夂蚝偷乩項(xiàng)l件、符合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)居住特點(diǎn)、對室內(nèi)熱環(huán)境有顯著改善的節(jié)能建筑具有重要意義。

2寒冷地區(qū)農(nóng)村建筑室內(nèi)熱環(huán)境相關(guān)問題

2.1建筑形式及室內(nèi)熱環(huán)境

自建單層平房或瓦房是我國北方寒冷地區(qū)農(nóng)村建筑的主要類型。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇上，農(nóng)村住宅的墻體主要分為磚墻、土墻和石墻 3種類型。粘土磚墻是北方農(nóng)村現(xiàn)有建筑和新建住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)昀基本的形式。絕大多數(shù)墻體沒有保溫層，冬季散熱量大。

在門窗的選擇上，鄉(xiāng)村建筑通常采用單層玻璃窗，一些新建筑選用鋁合金窗戶，由于鋁合金窗的安裝不夠?qū)I(yè)，窗與墻之間的間隙很大，影響整體氣密性。此外，為了提高室內(nèi)采光，一些建筑的南墻的窗墻比大，造成大量熱損失。前開門通常采用單層木門，一些新建筑選擇鋼門或金屬保溫門，但仍難以保證室內(nèi)溫度舒適。

在屋面形狀和材料通常選用木桁架斜坡屋面。新建平屋面主要采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。坡屋面通常加入蘆葦、秸稈、粘土等保溫材料。但是，許多建筑物沒有天花板，或者沒有為天花板增加保溫層，所以保溫效果不好，因此寒冷地區(qū)農(nóng)村的室內(nèi)熱環(huán)境相對較差。

2.2 影響鄉(xiāng)村居住熱環(huán)境的因素

大多數(shù)農(nóng)村住宅都面向南方，這有助于采光，但沒有考慮避免冬季風(fēng)的影響。研究表明，寒冷地區(qū)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱和冷風(fēng)滲透是影響建筑能耗的主要因素。住宅建筑的氣密性差導(dǎo)致嚴(yán)重的冷風(fēng)滲透，加劇了熱量損失。

通過以上分析，可以看出，外墻保溫性能對冬季采暖影響昀大。目前，農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于沒有設(shè)置熱絕緣材料，所以熱絕緣效果很差，熱損失也很嚴(yán)重。

在冬季供暖條件下，門窗是昀容易散熱的部位。鄉(xiāng)村建筑主要采用單層玻璃窗和木門，傳熱系數(shù)通常不能滿足熱量需求。

屋頂在建筑物的隔熱方面發(fā)揮著很大的作用。傳統(tǒng)的坡屋頂方式在一定程度上改善了室內(nèi)熱環(huán)境，但仍有改善的空間。適當(dāng)增加保溫層的厚度，設(shè)置天花板，增加隔汽層，形成空氣室，使冬季和夏季相對溫和，從而有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境。

3.基于 BIM平臺的農(nóng)村居民住宅能耗分析

BIM在綠色建筑中得到了廣泛的應(yīng)用和肯定。在建筑節(jié)能設(shè)計中，可以實(shí)現(xiàn)可視化，直接得到建筑能耗分析的結(jié)果。本文選取寒冷地區(qū)某農(nóng)村住宅樓作為研究對象，進(jìn)行設(shè)計、分析和研究。為了快速、方便地得到整個建筑物的能耗分析結(jié)果，采用 Revit 建立了三維模型，并將帶有屬性信息的模型引入到 Ecotect能耗分析軟件中。

3.1選擇昀佳建筑朝向

在寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑的選址中，應(yīng)滿足采光和通風(fēng)的要求，使建筑在冬季具有保溫功能，夏季具有通風(fēng)功能。就朝向而言，我國建筑物應(yīng)該朝南或大致朝南。冬季住宅應(yīng)避開主要風(fēng)向，窗墻比應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。首先，將相應(yīng)區(qū)域的 WEA文件導(dǎo)入 Weather工具軟件，并根據(jù)具體需求設(shè)置時間。在建筑朝向的選擇上，應(yīng)避免冬季的主要風(fēng)向，以防止熱量迅速散失。從該地區(qū)冬季風(fēng)玫瑰圖得知，冬季風(fēng)的主導(dǎo)方向是西南方向。因此，建筑朝向的選擇應(yīng)避免西南朝向。根據(jù)朝向分析，可以確定建筑物的昀佳朝向。通過對該地區(qū)昀熱、昀冷月份各方位的太陽輻射和全年平均太陽輻射的分析，確定該建筑的昀佳方位為東南偏東 10°，這也符合農(nóng)村建筑應(yīng)盡可能朝南的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 建筑物的初步規(guī)劃

為了滿足現(xiàn)代農(nóng)村住宅的需要，提高住宅建筑的舒適性和住宅小區(qū)的需求，該建筑共有 2層，總建筑面積 411.19m2。為便于能耗對比分析，本文提出了三種建筑設(shè)計方案：按傳統(tǒng)方法進(jìn)行建筑設(shè)計，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用保溫措施的建筑設(shè)計，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和太陽空間采用保溫措施的建筑設(shè)計。在三種設(shè)計方案中，建筑類型相同，但建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料不同。為了降低成本，該建筑選用木桁架斜屋面。建筑物的窗墻比和其他參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，符合當(dāng)?shù)靥厣蜕钜蟆?/p>

根據(jù)《農(nóng)村住宅建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50824-2013）計算冬季建筑室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)。室內(nèi)臥室溫度為 14℃，通風(fēng)量為 0.5h-1h?？紤]到寒冷地區(qū)農(nóng)村的生活習(xí)慣，建筑只采取適當(dāng)?shù)娜∨胧?，沒有空氣調(diào)節(jié)和冷藏措施。對整個建筑的能耗進(jìn)行了計算和比較，傳統(tǒng)建筑物每年總耗電量為 89656 kW·h，而隔熱建筑物的相應(yīng)耗電量為 42431kW·h。如果建筑物設(shè)計有隔熱和日光空間，建筑物每年總能耗為 36898 kW·h。傳統(tǒng)建筑、隔熱建筑和隔熱太陽能建筑每平方米的年能耗分別為 218kW·h/m2、103.2kW·h/m2和 89.7kW·h/m2。對圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取保溫措施后，建筑能耗顯著降低?？偰芎南陆?52.6%。如果在建筑物上增加太陽能空間，可以進(jìn)一步減少能源消耗。如果為建筑設(shè)計隔熱和日光空間，總能耗可降低58.8%。由此可見，圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型對建筑能耗有著重要的影響。

對模擬傳統(tǒng)建筑一層的臥室、現(xiàn)代隔熱建筑和現(xiàn)代隔熱建筑及太陽房的年能耗進(jìn)行了橫向比較。模擬傳統(tǒng)建筑、隔熱現(xiàn)代建筑和隔熱日光間現(xiàn)代建筑中臥室的年能耗分別為 4577.1 kW·h、2156.5 kW·h 和 1578.1kW·h，與傳統(tǒng)建筑相比，隔熱現(xiàn)代建筑和隔熱日光間現(xiàn)代建筑的能耗分別降低了 52.9%和63.4%。

4.結(jié)論

本文以建筑信息模擬平臺為基礎(chǔ)，對農(nóng)村住宅建筑進(jìn)行建模。通過對3種不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型住宅建筑的能耗模擬，選擇住宅建筑的昀佳朝向，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)、材料和太陽空間對建筑能耗的定量影響。在能耗計算模擬中，提出了可視化數(shù)據(jù)模型，為方案決策提供數(shù)據(jù)支持。模擬仿真可作為初步規(guī)劃設(shè)計的參考，大大提高了工作效率。研究結(jié)果表明，在農(nóng)村居住建筑設(shè)計中，建立一個包含所有建筑信息的虛擬模型，準(zhǔn)確計算能耗，根據(jù)能耗結(jié)果設(shè)計昀佳節(jié)能保溫住宅建筑，對于緩解能源問題，推廣綠色建筑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。