基于BIM的智慧型能源管理系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)汕頭大學(xué)CDIO實(shí)驗(yàn)樓改造摘要：建筑信息模型（BIM），是指通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。信息的內(nèi)涵不僅僅是幾何形狀描述，還包含大量的非幾何的屬性信息。通過(guò)討論探索的是BIM等技術(shù)在汕頭大學(xué)CDIO實(shí)驗(yàn)樓改造能源控制系統(tǒng)中的各類應(yīng)用，希望能提供一個(gè)全新的角度來(lái)探索建筑能耗管理。關(guān)鍵詞：能源控制，BIM，實(shí)驗(yàn)樓改造，模擬，調(diào)試一、背景建筑活動(dòng)是人類對(duì)自然資源、環(huán)境影響最大的活動(dòng)之一。其消耗著大量的自然資源。定義建筑能耗的方法有兩種：廣義上的建筑能耗是指建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料制造、建筑建造施工，一直到建筑運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和再利用或者拆除的全過(guò)程能耗。狹義上的建筑能耗，即建筑的使用、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)過(guò)程中所需要的能耗，就是人們?nèi)粘５挠媚?，如采暖、空調(diào)、照明、炊事、洗衣等的能耗，是構(gòu)成建筑能耗的主要部分。本文中研究的建筑能耗概念指建筑全生命周期能耗，即指建筑建造、使用運(yùn)營(yíng)、維護(hù)到再利用過(guò)程中所消耗的能耗。一般地講，建筑活動(dòng)使用了人類所使用的自然資源總量的 40%，能源總量的 40%，而造成的建筑垃圾也占人類活動(dòng)產(chǎn)生垃圾總量的 40%。作為經(jīng)濟(jì)繁榮、社會(huì)進(jìn)步、技術(shù)發(fā)展最常見(jiàn)的標(biāo)志，辦公建筑是公共建筑中最大量建造的一類,然而辦公建筑高耗能的問(wèn)題卻日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)采暖和照明能耗目前約占我國(guó)辦公建筑總能耗的 70%80%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的 1020 倍，是歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家同類建筑的 1.5 倍?？梢?jiàn)辦公建筑的節(jié)能形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻，高能耗應(yīng)該引起社會(huì)的高度關(guān)注。二、項(xiàng)目開(kāi)展意義：基于上述的背景，汕頭大學(xué)也積極響應(yīng)國(guó)內(nèi)綠色建筑節(jié)能的相關(guān)政策，預(yù)對(duì)其內(nèi)部建筑CDIO實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行修建改造，既對(duì)校內(nèi)的舊建筑重新利用，也將其改造成綠色建筑，作為校內(nèi)學(xué)生活動(dòng)地點(diǎn)之一，成為校內(nèi)美麗的建筑景觀之一；同時(shí)貫徹CDIO教學(xué)理念，鍛煉土木工程系的學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。三、BIM技術(shù)應(yīng)用到汕頭大學(xué)CDIO實(shí)驗(yàn)樓改造工程中1 項(xiàng)目前期把項(xiàng)目策劃階段的建筑能耗控制要求和指標(biāo)作為設(shè)計(jì)階段的基準(zhǔn)線。項(xiàng)目的總體方案思路為：將太陽(yáng)能板，蓄電池，燈管等作為主體，利用計(jì)算機(jī)編程，使其作為完整的能運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。在有太陽(yáng)光照的情況下，太陽(yáng)能板對(duì)系統(tǒng)供電，同時(shí)也將產(chǎn)生的剩余電能存貯在蓄電池中。在沒(méi)有太陽(yáng)光照的情況下，系統(tǒng)由蓄電池供電，當(dāng)蓄電池的電能完全釋放完，系統(tǒng)自動(dòng)切換為電網(wǎng)供電。在建筑運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段，通過(guò)BIM模型模擬仿真技術(shù)，可以預(yù)測(cè)各類能量符合變化，制定相應(yīng)的能源方案，降低建筑的能源消耗，提高能源的利用效率。在此基準(zhǔn)上來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的總思路，進(jìn)而決定項(xiàng)目的方向以及后面所需學(xué)習(xí)的軟件（以及LabVIEWBIM系列：Revit、MEP、Ecotect等）。圖1 CDIO能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)總思路圖2 CDIO能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)總思路2.Ecotect的應(yīng)用Autodesk Ecotect Analysis軟件是一款功能全面，適用于從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，其中包含應(yīng)用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現(xiàn)有建筑和新建筑設(shè)計(jì)的性能。該軟件將在線能效、水耗及碳排放分析功能與桌面工具相集成，能夠可視化及仿真真實(shí)環(huán)境中的建筑性能。利用強(qiáng)大的三維表現(xiàn)功能可以進(jìn)行交互式分析，模擬日照、陰影、發(fā)射和采光等因素對(duì)環(huán)境的影響。對(duì)CDIO實(shí)驗(yàn)樓的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的了解與調(diào)查，得出CDIO實(shí)驗(yàn)樓的地理位置，太陽(yáng)輻射環(huán)境，太陽(yáng)光照環(huán)境亮度、溫度分布等。圖3 修改后的CDIO實(shí)驗(yàn)樓CDIO實(shí)驗(yàn)樓坐落于東經(jīng)：116.6294北緯：23.4162運(yùn)用Ecotect中的Weather Tool，可得到CDIO實(shí)驗(yàn)樓的水平太陽(yáng)軌跡圖，這對(duì)于項(xiàng)目后期設(shè)置太陽(yáng)能板的位置角度等有著十分重要的幫助。圖4 CDIO實(shí)驗(yàn)樓水平太陽(yáng)軌跡圖對(duì)CDIO實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行熱分析，得到各個(gè)月的光輻射。TOTAL MONTHLY SOLAR EXPOSUREShantou, CHN (Direct Only) AVAIL. REFLECT INCIDENT TRANSMITTED MONTHWh/m2Wh/m2Wh/m2TOT.WhWh/m2TOT.WhJan8730503799688165537958880774Feb6672203514781553235111814716Mar7186603959891881239558917893Apr7633604125695729041215956333May6562903433779675534303795958Jun476190212344927091213492216Jul85029044964104333649191042293Aug862060452031048888451581047839Sep1011220542501258812541961257554Oct914510446491036027446041034991Nov8044803823888727438200886387Dec1307870548641273040548091271767TOTALS99052004917361141013149124511398721結(jié)合Retscreen，得到太陽(yáng)光在CDIO實(shí)驗(yàn)樓的亮度數(shù)值。可預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)房間各需要補(bǔ)償照度的值，進(jìn)而設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，選擇規(guī)格合適的燈管。圖5 Retscreen分析得到的汕頭基本氣象數(shù)據(jù)3.MEP的應(yīng)用：對(duì)燈管擺設(shè)角度位置進(jìn)行設(shè)計(jì)Autodesk Revit MEP是一款水暖電系統(tǒng)建模，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析來(lái)幫助提高效率的專業(yè)軟件?；贛EP的基本功能，在已有CDIO建筑樓的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行電力系統(tǒng)，主要是照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了使整個(gè)建筑節(jié)能，在保證亮度足夠的情況下，盡可能地使用小功率燈管，并且不同方位采用不同類型的燈管，使之更有特色，又能夠滿足舒適使用。圖6 照明系統(tǒng)燈管一樓分布圖圖7 照明系統(tǒng)燈管二樓分布圖圖8 照明系統(tǒng)燈管三樓分布圖圖9 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖4.結(jié)合LabVIEW編程完善系統(tǒng)LabVIEW是一個(gè)通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW有著很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在測(cè)量、控制、仿真等方面尤其突出。在CDIO實(shí)驗(yàn)樓的能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用LabVIEW編制程序，完善整個(gè)能源控制系統(tǒng)。利用LabVIEW模擬太陽(yáng)能的收集情況以及太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)建筑用電的幫助。通過(guò)Ecotect預(yù)測(cè)的光輻射量，擬采用采集器對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行信號(hào)采集，將信號(hào)反饋到系統(tǒng)控制中樞，系統(tǒng)控制中樞將信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以得出太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能，顯示在控制臺(tái)屏幕上，從控制臺(tái)屏幕上可以隨時(shí)了解到太陽(yáng)能板的發(fā)電量。同樣的原理，系統(tǒng)同時(shí)也會(huì)對(duì)CDIO實(shí)驗(yàn)樓消耗的電能進(jìn)行反饋。通過(guò)產(chǎn)生的電能與建筑以前的電能比較可以得出太陽(yáng)能發(fā)電效果。圖10 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖在單獨(dú)獨(dú)立的房間，將布置距離感應(yīng)器和光值感應(yīng)器。當(dāng)人從外面進(jìn)入房間，距離感應(yīng)器感應(yīng)到人后，會(huì)直接將信號(hào)發(fā)給控制中樞，在控制臺(tái)屏幕上將顯示事先預(yù)制好的動(dòng)圖（人走進(jìn)來(lái)），點(diǎn)亮房間內(nèi)的燈；當(dāng)人離開(kāi)房間后，距離感應(yīng)器在15分鐘的時(shí)間內(nèi)未感應(yīng)到人體，控制中樞將關(guān)閉房間內(nèi)的燈。圖11 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖圖12 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖對(duì)光值感應(yīng)設(shè)定預(yù)定值：35勒克斯。在房間內(nèi)，光值感應(yīng)器將捕捉室內(nèi)照度，當(dāng)室內(nèi)照度達(dá)到35勒克斯時(shí)，燈光亮度為零，在照度沒(méi)有達(dá)到35勒克斯時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)燈并調(diào)節(jié)燈光亮度補(bǔ)充室內(nèi)照度至額定照度。既有利于在室內(nèi)活動(dòng)而不傷眼，又可以節(jié)省不必要的電能。四、制作CDIO實(shí)驗(yàn)樓的實(shí)體模型進(jìn)行模擬與調(diào)試模型分成兩部分：建筑主體及設(shè)備因CDIO實(shí)驗(yàn)樓各層的平面布置大致相同，本項(xiàng)目將針對(duì)實(shí)驗(yàn)樓第三層，采用KT板制做CDIO實(shí)驗(yàn)樓第三層單層模型。模型保留實(shí)驗(yàn)樓第三層的基本框架，整個(gè)框架按照比例縮放，外墻采用兩層KT板，內(nèi)墻采用一層KT板，簡(jiǎn)化第三層的內(nèi)部，去掉部分的內(nèi)墻和開(kāi)窗，使設(shè)備具有足夠的位置去設(shè)置擺放，更好的實(shí)現(xiàn)能源控制系統(tǒng)在CDIO實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)。圖13 CDIO實(shí)驗(yàn)樓模型如圖14，是一條長(zhǎng)廊，是實(shí)驗(yàn)室，是控制室。為了營(yíng)造舒適休閑的環(huán)境，在長(zhǎng)廊，我們?cè)O(shè)置了溫馨的座椅，供學(xué)生讀書(shū)討論休憩。長(zhǎng)廊燈采用高級(jí)LED節(jié)能燈，直接由太陽(yáng)能電池板提供能源，損耗功率小，可以長(zhǎng)時(shí)間保持長(zhǎng)廊的室內(nèi)最適亮度。 圖14 CDIO實(shí)驗(yàn)樓模型空間布置 圖15 CDIO實(shí)驗(yàn)樓長(zhǎng)廊本項(xiàng)目的主體部分為能源控制系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)項(xiàng)目系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖，將相關(guān)的設(shè)備連接并裝在模型上。在實(shí)驗(yàn)室中布置4盞LED燈和2個(gè)感應(yīng)器（光敏感應(yīng)器，距離感應(yīng)器）。與實(shí)驗(yàn)室相鄰的是系統(tǒng)控制室，控制室裝有項(xiàng)目系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路，電路中的單片機(jī)為系統(tǒng)的控制中樞，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，依靠它來(lái)接收、處理、輸出信號(hào)，使系統(tǒng)能夠順利的運(yùn)行。外面是控制臺(tái)顯示屏幕，屏幕上顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電路中的電流電壓，以及系統(tǒng)的總發(fā)電量和能耗等數(shù)據(jù)。此外在外面還設(shè)置有一個(gè)6V蓄電池和一塊單晶硅太陽(yáng)能板。 圖16 CDIO實(shí)驗(yàn)室 圖17 能源管理系統(tǒng)控制室光敏感應(yīng)器的工作原理如圖18，光敏感應(yīng)器隨時(shí)監(jiān)測(cè)房間內(nèi)部的光照強(qiáng)度。人眼的最適合照度為35勒克斯左右，給光敏感應(yīng)器設(shè)定一個(gè)預(yù)定值：35勒克斯。當(dāng)室內(nèi)照度35勒克斯，即照度足夠，若此時(shí)室內(nèi)有人時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定不需要開(kāi)燈；當(dāng)15勒克斯室內(nèi)照度35勒克斯，室內(nèi)處于略暗的環(huán)境下，若此時(shí)室內(nèi)有人時(shí)，光敏感應(yīng)器把感應(yīng)到的信息以信號(hào)的形式傳到控制中樞，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮兩盞燈，補(bǔ)足室內(nèi)的亮度至35勒克斯以上；當(dāng)照度15勒克斯，若此時(shí)室內(nèi)有人時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將室內(nèi)的四盞燈亮起來(lái)，補(bǔ)足室內(nèi)的亮度至35勒克斯以上。 圖18 光敏感應(yīng)器 圖19 距離感應(yīng)器距離感應(yīng)器（圖19）的工作原理模型中實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)度為38cm，對(duì)距離感應(yīng)器預(yù)設(shè)值為38cm。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中無(wú)人，即人體到感應(yīng)器距離38cm時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判定室內(nèi)無(wú)人，無(wú)需開(kāi)啟室內(nèi)的燈；當(dāng)人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，即人體到感應(yīng)器距離38cm時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判定室內(nèi)有人，同時(shí)結(jié)合光敏感應(yīng)器傳送到控制中樞的信號(hào)決定室內(nèi)燈開(kāi)啟的數(shù)量。照明控制系統(tǒng)模擬對(duì)房間的光環(huán)境進(jìn)行模擬，開(kāi)啟整個(gè)系統(tǒng)。將太陽(yáng)能板置于太陽(yáng)光之下，當(dāng)房間內(nèi)光照度足夠，即照度35勒克斯的情況下，將手作為人體，放入房間，房間內(nèi)的LED燈將不會(huì)點(diǎn)亮，而此時(shí)，顯示屏顯示有電流電壓的值，表示太陽(yáng)能板正在將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能儲(chǔ)存在蓄電池中。用遮光物遮住太陽(yáng)能板，使太陽(yáng)能板停止工作，則此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)電流電壓等數(shù)值變小，不再對(duì)蓄電池蓄電。將太陽(yáng)能板置于太陽(yáng)光之下，用一遮光物遮擋房間的部分，使房間內(nèi)照度相對(duì)不足時(shí)，即15勒克斯照度35勒克斯時(shí)，將手放入房間內(nèi)，系統(tǒng)將自動(dòng)點(diǎn)亮2盞LED燈，將房?jī)?nèi)的照度補(bǔ)償至35勒克斯以上。此時(shí)系統(tǒng)由太陽(yáng)能板供電，同時(shí)對(duì)蓄電池蓄電。用遮光物遮住太陽(yáng)能板，使太陽(yáng)能板停止工作，不再對(duì)系統(tǒng)供電，此時(shí)轉(zhuǎn)由蓄電池供電，使房間內(nèi)的2盞LED燈仍然亮著，。將太陽(yáng)能板置于太陽(yáng)光之下，用遮光物遮擋房間，使房間內(nèi)基本黑暗，即照度15勒克斯時(shí)，將手放入房間內(nèi)，房間內(nèi)的4盞LED燈全部被點(diǎn)亮，此時(shí)系統(tǒng)由太陽(yáng)能板供電，同時(shí)對(duì)蓄電池蓄電。用遮光物遮住太陽(yáng)能板，使太陽(yáng)能板停止工作，不再對(duì)系統(tǒng)供電，此時(shí)轉(zhuǎn)由蓄電池供電，使房間內(nèi)的4盞LED燈仍然亮著。照明控制系統(tǒng)主要是解決人走燈亮的問(wèn)題，并充分利用太陽(yáng)能。現(xiàn)在越來(lái)越多的人忽視了這些小事，可這個(gè)卻是能源控制的大問(wèn)題。模型的設(shè)計(jì)原理是當(dāng)人在房間時(shí)，并當(dāng)太陽(yáng)能提供的光照強(qiáng)度比較暗的時(shí)候，建筑室內(nèi)的燈亮起，并且亮度隨著太陽(yáng)光提供的光照強(qiáng)度增加而減小。當(dāng)人不在房間內(nèi)時(shí)，燈自動(dòng)關(guān)閉。從而到達(dá)節(jié)能和工作兩不誤。并且充分利用了太陽(yáng)能。太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)體模擬追蹤式太陽(yáng)能發(fā)電：本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫淖粉櫴教?yáng)能板發(fā)電，“所謂跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電，即太陽(yáng)能面板可隨太陽(yáng)方位的變化而移動(dòng)的太陽(yáng)能發(fā)電。 與固定式太陽(yáng)能發(fā)電相比， 跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)電量可提高 10 %到20 %?！?試驗(yàn)采用了手動(dòng)遙控太陽(yáng)能板來(lái)?yè)渥酱怪碧?yáng)光照，當(dāng)太陽(yáng)早上剛剛升起的時(shí)候，太陽(yáng)光相對(duì)于建筑屋面的夾角非常小，所以需要將太陽(yáng)能板向太陽(yáng)方向傾斜對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光，從而獲得更多的太陽(yáng)光垂直面的面積，進(jìn)而也將得到更多的太陽(yáng)能，也將發(fā)更多的電能；等到中午太陽(yáng)直射屋頂時(shí)，需要將太陽(yáng)能板平行放在屋頂上；等到太陽(yáng)西落時(shí)，太陽(yáng)與屋頂?shù)膴A角小于九十度，所以需要再度把太陽(yáng)能板向西傾斜以垂直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光?！疤?yáng)能發(fā)電雙軸跟蹤式系統(tǒng)控制器的研制，降低了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)提高發(fā)電量及太陽(yáng)能利用率，為今后建造更大規(guī)模發(fā)電站打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”建筑遮陽(yáng)及太陽(yáng)能發(fā)電:實(shí)體模擬太陽(yáng)能板用作建筑物遮陽(yáng)，此方法不僅可以達(dá)到遮陽(yáng)的效果而且還可以用來(lái)發(fā)電從而達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的效果。模型直接利用太陽(yáng)能板發(fā)電給蓄電池充電同時(shí)也可以給建筑局部照明系統(tǒng)進(jìn)行供電，這樣小型太陽(yáng)能發(fā)電的不穩(wěn)定因素就不會(huì)影響到電網(wǎng)的電量質(zhì)量。五、結(jié)論與展望本項(xiàng)目進(jìn)行至此，僅解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。此外，對(duì)于各種影響建筑節(jié)能設(shè)計(jì)因素的模擬分析，小組成員都還處在一個(gè)發(fā)展中的過(guò)程中，相關(guān)軟件在具體使用、參數(shù)設(shè)定等方面還有大量的經(jīng)驗(yàn)技巧需要總結(jié)。在后續(xù)的尚未開(kāi)展的空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和集水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和完善中也需要大量的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)支持。不管怎么說(shuō)，BIM 技術(shù)在輔助建筑節(jié)能計(jì)方面的運(yùn)用，一定會(huì)給建筑節(jié)能綠色的研究和實(shí)踐帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，將其運(yùn)用至CDIO實(shí)驗(yàn)樓的改造工程中，將使得此工程項(xiàng)目得到頗深的效益。參考文獻(xiàn)：【1】張赟 從BIM的角度思考建筑全生命周期的能耗管理（Energy Consumption Management of the Entire Building Life Cycle from the Perspective of BIM）上海建坤信息技術(shù)有限責(zé)任公司 2012.04【2】首靈麗 基于BIM 技術(shù)的建筑能耗模擬分析與傳統(tǒng)建筑能耗分析對(duì)比研究 重慶大學(xué) 2013.05【3】席加林 基于 BIM 技術(shù)的重慶地區(qū)辦公建筑節(jié)能設(shè)計(jì)探索 2013.06【4】王廣斌，任文斌，羅廣亮 建設(shè)工期項(xiàng)目前期策劃新視角BIM 建筑科學(xué) 2010.05【5】九州電力公司嘗試跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電【6】李松柏 曾忠利 姜世平 黃 忠一種跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的研制