BIM技术在严寒地区暖通空调设计选型中的运用
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作者:吴波
【摘 要】论文将BIM技术应用于实际建设工程项目，根据设计数据建立立体形象的三维模型，然后利用数字信息对目标物的真实信息进行模拟。BIM技术的主要特点是立体化、模拟性以及可视化。在暖通空调设计过程中对BIM技术进行有效应用，为设计方案进行改进和优化，提高暖通空调设计的科学性以及合理性。
【Abstract】This paper applies BIM technology to the actual construction project， builds a three-dimensional image model based on the design data， and then uses digital information to simulate the real information of the object. The main features of BIM technology are three-dimensional， simulation and visualization. In the design process of HVAC， BIM technology is effectively applied to improve and optimize the design scheme， so as to improve the scientific nature and rationality of HVAC design.
【关键词】BIM;暖通空调;能耗;碳排放
【Keywords】BIM; HVAC; energy consumption; carbon emissions
【中图分类号】TU83;TU17 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）03-0190-04
1 引言
建筑设计中结构、电气、暖通等专业越来越多地应用BIM软件技术，随着BIM技术的日新月异，该技术在项目设计、项目施工及后期维护中得到了广泛的推广。使用BIM技术构建的实体模型，其实就是使用软件模拟构建的三维模型数据库，是将二维图纸从抽象到具体的跨越式转化，是工程项目从方案构思到设计定稿再到实际施工以及后期运营维护保养整个过程全要素的模拟[1]。不同专业的设计师可以在这个平台上共享数据与沟通，由于模拟数据能够比较真实地还原实际情况，对设计质量和效率的提升起到了优秀的辅助作用。随着经济发展和可持续发展的需要，建立绿色建筑，减少建筑能耗已经变成暖通空调设计的工作重点之一[2]。本文通过将BIM技术应用于实际建设工程项目，模拟出不同方案所产生的能耗和碳排放，在这两个方向上为暖通空调设计选型提供改进和优化意见。
2 BIM建模前的参数设定
2.1 工程概況
“华都商业广场”商业开发工程项目位于哈尔滨市道外区团结镇天恒大街与黄家崴子路交汇处。该项目主要包括零售、餐饮、配套设施、休闲4个板块。规划布局为地下1层地上3层的商业综合体，经营面积总共50000m2。共分4个楼层：B1为生活超市、特色主题店;1F为餐饮、购物、服饰、彩妆、珠宝;2F为儿童早教、娱乐、教育培训;3F为主题影院、餐饮、水吧等。其中1层面积15776m2，使用功能兼具大型商业项目代表性，因此，选定该区域作为此次空调系统节能应用的研究对象。
2.2 维护结构
该项目1层主要用途为商业使用，使用时间为1年365天，每天工作时间为9：00～21：00。根据项目位置信息、气象信息对该项目进行三维建模。建筑的围护结构设计参数均采用Revit中严寒地区默认数据，该数据均满足标准GB/T 7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》中规定的6级要求。外窗外门采用隔热断桥型材，传热系数设为1.930W/m2/K。屋顶采用聚苯板XPS材料，传热系数设定为0.24W/m2/K。外墙采用中间层保温，传热系数设定为0.34W/m2/K。
2.3 气候数据模拟
该项目所在城市哈尔滨位于东经125°42′～130°10′、北纬44°04′～46°40′，平均海拔143.0m，使用天气数据模拟软件Weathertool直接调用该城市数据，如图1～图3所示。该城市气候情况：哈尔滨处于北温带，受西部利亚低压控制，属温带季风气候，最大特征是夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，且冬季结冰期长达半年之久。春秋两季时间短，温度提升速度快，属于典型的过渡季节。该市夏季最高温度36.7℃，冬季最低温度-38.7℃。供暖季设计为10月到第二年5月，最大热负荷为839.3kW，根据规范冬季设计温度为16～18℃;制冷季设计为6～9月，最大冷负荷为1619.7kW，根据规范夏季设计温度为26～28℃，见表1～表3。
2.4 基于BIM技术的暖通空调系统分析
通过BIM软件对该商业建筑全年冷热负荷进行模拟，如图4、图5所示。
根据该项目的特点选用了3种不同的设计方案：
方案一：在夏季使用冰蓄冷方式制冷，在冬季时使用热水锅炉方式供暖。冰蓄冷空调特点：
①蓄冷空调系统一般在夜间储冰，充分利用电力部门峰谷电价政策，分时电价差值愈大，越节省电费; ②蓄冷空调制冷主机功率较小，因为可以在夜间工作，工作时长可以延长;
③蓄冷空调系统需要额外增加储冰及热交换设备，因此，建造成本比常规空调系统要高;
④蓄冷空调的制冷效率取决于释冰效率的快慢，释冰效率主要决定因素是冰层厚度，冰层越薄释冰效率越高，但是同时也带来该设备体积庞大的问题，需要提供额外较大的场地空间用以安装;
⑤蓄冷空调制冷主机设备利用率高，因制冰过程负荷稳定波动较小，主机状态稳定满负荷运行比例增大;
⑥蓄冷空调在运行中储冰和释冰过程都存在较大的冷量损失，因此，实际使用过程中不一定节能，只是合理利用电价峰谷段。
方案二：在夏季使用地源热泵制冷，在冬季时使用地源热泵供暖。地源热泵是以岩土体、地层土壤、地下水或河、湖水为低温热源，由地热能交换系统、水地源热泵机组、建筑物内系统组成的中央空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地下水地源热泵系统、地埋管地源热泵系统和地表水地源热泵系统。该项目具体采用地埋管地源热泵系统，冷却水管通过挖井立埋的埋管方式，井水作为冷热量载体完成热泵机组和大地土壤的热交换。地源热泵空调特点：
①利用可再生能源：属可再生能源利用技术;
②高效节能，运行费用低，属经济有效的节能技术;
③节水省地;
④环境效益显著;
⑤运行安全稳定，可靠性高;
⑥一机两用，应用范围广。
方案三：在夏季使用水冷机组与冷却塔相结合的方式制冷，在冬季时使用热水锅炉的模式制热。末端送风主要通过空气处理单元（AHU）进行，AHU风柜主要包括新风段、过滤段、回风段、表冷段、加热段、电加热段、加湿段、送风段组成[3]。主要工作原理是抽取室内空气和部分新风以控制出风温度和风量来维持室内温度，是一个非常常见的暖通空调系统方案。
图6～图8为3个方案的每月用电、用气能耗统计。通过数据查询哈尔滨天然气的单价为3.04元/m3，商业电价为0.932元/kW · h。计算3个方案耗单位电量与耗气量费用如表4所示。
2.5 方案分析
方案一使用冰蓄冷方式制冷，在实行错峰电价的城市有一定的经济优势，但哈尔滨市未实行错峰电价，该方案就造成能耗偏高的弊端。
方案二夏季使用地源热泵制冷，造价、制冷制热效率均存在优势，但也应考虑该商业建筑地理位置位于我国严寒地区的因素。因此，冷却水源温度在冬季极易接近冰点，建议应分析该商业建筑土壤温度变化及浅层地下水温度变化至少1年的监测数据。同时为了保证该方案冬季采暖室内温度能够达到设计要求，建议加装1套热水锅炉系统以作备份。
方案三系统较为常见，在这里不作过多分析。以上分析仅从能耗角度出发，但也应考虑方案经济成本及施工难易度等因素，仅为暖通空调设计选型提供改进和优化意见。
3 碳排放量
暖通空调系统在使用过程中还会排放大量的CO2，降低碳排放成为可持续經济发展中最重要的任务之一[4]。通过BIM对3个方案的分析得到图9～图11的数据。
由表5全年碳排放模拟结果可知，方案二排放量最低。方案二如果不考虑冬季冷却水源温度可能过低的情况，其冬季几乎可以不使用备用的锅炉系统，该系统夏季制冷约比方案三节能30%，冬季制热约比锅炉系统节能40%。从能源利用和消耗方面对环境造成的影响最小。所以将该方案数据导入RevitMEP模型中，建立最优的暖通空调系统模型。
4 结语
在暖通空调设计过程中，BIM技术优势主要表现如下：①BIM技术能够突出设计的可视化，三维模型动画功能方便设计人员更加直观形象地观看和修改设计方案;②BIM技术能够在最大程度上保证暖通空调系统的设计精度，方便监理人员对施工管理质量以及效率进行控制;③BIM技术可以对施工过程进行虚拟模拟，具有时间维度以及三维可视化的功能，方便施工人员及时发现设计方案在实施过程中可能会出现的安全隐患以及施工过程进行优化。
本文利用BIM软件技术从能耗和碳排放两个方向进行模拟，对暖通空调设计方案选型提出了新改进和优化建议。本文以BIM技术为基础对气象数据模拟、建筑外围护结构设计参数模拟、暖通空调多种方案能耗及碳排放模拟进行了研究，使得暖通设计方案从抽象的数据到具体三维模型的跨越式转化，体现了BIM技术在暖通空调设计上的优越性和独特性。本文的重点是BIM技术对暖通空调设计方案中的合理性建议，但本文主要是从模拟能耗及碳排放方向进行设计分析，方案的经济可行性也是需要考虑的重点。所以需要从能耗、经济可行性、舒适度3个方向综合考虑，使最终方案在这三者之间达到一个较好的平衡。
【参考文献】
【1】陈浩.BIM在既有办公建筑节能改造中的应用研究[D].重庆：重庆大学，2017.
【2】王艺瑶.BIM技术的应用[J].江西建材，2012（5）：18-19.
【3】黄建军.试论BIM技术在暖通空调设计中的应用[J].江西建材，2015（17）：30+33.
【4】闫海朋.探讨BIM技术在暖通空调设计中的应用[J].智能建筑与智慧城市，2017（11）：26-27.
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