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1、基于BIM的智慧型能源管理系統(tǒng)的研究設計汕頭大學CDIO實驗樓改造摘要：建筑信息模型（BIM），是指通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。信息的內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。通過討論探索的是BIM等技術在汕頭大學CDIO實驗樓改造能源控制系統(tǒng)中的各類應用，希望能提供一個全新的角度來探索建筑能耗管理。關鍵詞：能源控制，BIM，實驗樓改造，模擬，調試一、背景建筑活動是人類對自然資源、環(huán)境影響最大的活動之一。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結構的材料制造、建筑建造施工，一直到建筑運營、維護和再利用或者拆除的全過程能耗。狹

2、義上的建筑能耗，即建筑的使用、運營和維護過程中所需要的能耗，就是人們日常的用能，如采暖、空調、照明、炊事、洗衣等的能耗，是構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、使用運營、維護到再利用過程中所消耗的能耗。一般地講，建筑活動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產生垃圾總量的 40%。作為經濟繁榮、社會進步、技術發(fā)展最常見的標志，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題卻日益突出。據統(tǒng)計，空調采暖和照明能耗目前約占我國辦公建筑總能耗的 70%80%，每平方米年耗電量是普通居民住宅

3、的 1020 倍，是歐洲、日本等發(fā)達國家同類建筑的 1.5 倍?？梢娹k公建筑的節(jié)能形勢相當嚴峻，高能耗應該引起社會的高度關注。二、項目開展意義：基于上述的背景，汕頭大學也積極響應國內綠色建筑節(jié)能的相關政策，預對其內部建筑CDIO實驗樓進行修建改造，既對校內的舊建筑重新利用，也將其改造成綠色建筑，作為校內學生活動地點之一，成為校內美麗的建筑景觀之一；同時貫徹CDIO教學理念，鍛煉土木工程系的學生的自主學習能力。三、BIM技術應用到汕頭大學CDIO實驗樓改造工程中1 項目前期把項目策劃階段的建筑能耗控制要求和指標作為設計階段的基準線。項目的總體方案思路為：將太陽能板，蓄電池，燈管等作為主體，利用計

4、算機編程，使其作為完整的能運轉的系統(tǒng)。在有太陽光照的情況下，太陽能板對系統(tǒng)供電，同時也將產生的剩余電能存貯在蓄電池中。在沒有太陽光照的情況下，系統(tǒng)由蓄電池供電，當蓄電池的電能完全釋放完，系統(tǒng)自動切換為電網供電。在建筑運營和維護階段，通過BIM模型模擬仿真技術，可以預測各類能量符合變化，制定相應的能源方案，降低建筑的能源消耗，提高能源的利用效率。在此基準上來設計項目的總思路，進而決定項目的方向以及后面所需學習的軟件（以及LabVIEWBIM系列：Revit、MEP、Ecotect等）。圖1 CDIO能源管理系統(tǒng)設計總思路圖2 CDIO能源管理系統(tǒng)設計總思路2.Ecotect的應用Autodesk

5、 Ecotect Analysis軟件是一款功能全面，適用于從概念設計到詳細設計環(huán)節(jié)的可持續(xù)設計及分析工具，其中包含應用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現(xiàn)有建筑和新建筑設計的性能。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環(huán)境中的建筑性能。利用強大的三維表現(xiàn)功能可以進行交互式分析，模擬日照、陰影、發(fā)射和采光等因素對環(huán)境的影響。對CDIO實驗樓的環(huán)境進行詳細的了解與調查，得出CDIO實驗樓的地理位置，太陽輻射環(huán)境，太陽光照環(huán)境亮度、溫度分布等。圖3 修改后的CDIO實驗樓CDIO實驗樓坐落于東經：116.6294北緯：23.4162運用Ecotect中的Weath

6、er Tool，可得到CDIO實驗樓的水平太陽軌跡圖，這對于項目后期設置太陽能板的位置角度等有著十分重要的幫助。圖4 CDIO實驗樓水平太陽軌跡圖對CDIO實驗樓進行熱分析，得到各個月的光輻射。TOTAL MONTHLY SOLAR EXPOSUREShantou, CHN (Direct Only) AVAIL. REFLECT INCIDENT TRANSMITTED MONTHWh/m2Wh/m2Wh/m2TOT.WhWh/m2TOT.WhJan8730503799688165537958880774Feb6672203514781553235111814716Mar7186603959

7、891881239558917893Apr7633604125695729041215956333May6562903433779675534303795958Jun476190212344927091213492216Jul85029044964104333649191042293Aug862060452031048888451581047839Sep1011220542501258812541961257554Oct914510446491036027446041034991Nov8044803823888727438200886387Dec130787054864127304054809

8、1271767TOTALS99052004917361141013149124511398721結合Retscreen，得到太陽光在CDIO實驗樓的亮度數(shù)值。可預測實驗樓內房間各需要補償照度的值，進而設計照明系統(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3.MEP的應用：對燈管擺設角度位置進行設計Autodesk Revit MEP是一款水暖電系統(tǒng)建模，系統(tǒng)設計分析來幫助提高效率的專業(yè)軟件。基于MEP的基本功能，在已有CDIO建筑樓的結構上進行電力系統(tǒng)，主要是照明系統(tǒng)的設計。為了使整個建筑節(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

9、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.結合LabVIEW編程完善系統(tǒng)LabVIEW是一個通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LabVIEW有著很多優(yōu)點，尤其是在測量、控制、仿真等方面尤其突出。在CDIO實驗樓的能源管理系統(tǒng)的設計中，使用LabVIEW編制程序，完善整個能源控制系統(tǒng)。利用LabVIEW模擬太陽能的收集情況以及太陽能發(fā)電對建筑用電的幫助。通過Ecotect預測的光輻射量，擬采用采集器對太陽能板進行信號采集，將信號反饋到系統(tǒng)控制中樞，系統(tǒng)控制中樞將

10、信號轉為數(shù)據，經過計算就可以得出太陽能產生的電能，顯示在控制臺屏幕上，從控制臺屏幕上可以隨時了解到太陽能板的發(fā)電量。同樣的原理，系統(tǒng)同時也會對CDIO實驗樓消耗的電能進行反饋。通過產生的電能與建筑以前的電能比較可以得出太陽能發(fā)電效果。圖10 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖在單獨獨立的房間，將布置距離感應器和光值感應器。當人從外面進入房間，距離感應器感應到人后，會直接將信號發(fā)給控制中樞，在控制臺屏幕上將顯示事先預制好的動圖（人走進來），點亮房間內的燈；當人離開房間后，距離感應器在15分鐘的時間內未感應到人體，控制中樞將關閉房間內的燈。圖11 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖圖12 照明系統(tǒng)燈管四樓分布圖對光值感應

11、設定預定值：35勒克斯。在房間內，光值感應器將捕捉室內照度，當室內照度達到35勒克斯時，燈光亮度為零，在照度沒有達到35勒克斯時，系統(tǒng)自動開燈并調節(jié)燈光亮度補充室內照度至額定照度。既有利于在室內活動而不傷眼，又可以節(jié)省不必要的電能。四、制作CDIO實驗樓的實體模型進行模擬與調試模型分成兩部分：建筑主體及設備因CDIO實驗樓各層的平面布置大致相同，本項目將針對實驗樓第三層，采用KT板制做CDIO實驗樓第三層單層模型。模型保留實驗樓第三層的基本框架，整個框架按照比例縮放，外墻采用兩層KT板，內墻采用一層KT板，簡化第三層的內部，去掉部分的內墻和開窗，使設備具有足夠的位置去設置擺放，更好的實現(xiàn)能源控

12、制系統(tǒng)在CDIO實驗樓內的運轉。圖13 CDIO實驗樓模型如圖14，是一條長廊，是實驗室，是控制室。為了營造舒適休閑的環(huán)境，在長廊，我們設置了溫馨的座椅，供學生讀書討論休憩。長廊燈采用高級LED節(jié)能燈，直接由太陽能電池板提供能源，損耗功率小，可以長時間保持長廊的室內最適亮度。 圖14 CDIO實驗樓模型空間布置 圖15 CDIO實驗樓長廊本項目的主體部分為能源控制系統(tǒng)。在實驗室中，根據項目系統(tǒng)運轉流程圖，將相關的設備連接并裝在模型上。在實驗室中布置4盞LED燈和2個感應器（光敏感應器，距離感應器）。與實驗室相鄰的是系統(tǒng)控制室，控制室裝有項目系統(tǒng)的設計電路，電路中的單片機為系統(tǒng)的控制中樞，在系統(tǒng)

13、運行時，依靠它來接收、處理、輸出信號，使系統(tǒng)能夠順利的運行。外面是控制臺顯示屏幕，屏幕上顯示系統(tǒng)運行時電路中的電流電壓，以及系統(tǒng)的總發(fā)電量和能耗等數(shù)據。此外在外面還設置有一個6V蓄電池和一塊單晶硅太陽能板。 圖16 CDIO實驗室 圖17 能源管理系統(tǒng)控制室光敏感應器的工作原理如圖18，光敏感應器隨時監(jiān)測房間內部的光照強度。人眼的最適合照度為35勒克斯左右，給光敏感應器設定一個預定值：35勒克斯。當室內照度35勒克斯，即照度足夠，若此時室內有人時，系統(tǒng)會自動判定不需要開燈；當15勒克斯室內照度35勒克斯，室內處于略暗的環(huán)境下，若此時室內有人時，光敏感應器把感應到的信息以信號的形式傳到控制中樞，

14、系統(tǒng)會自動點亮兩盞燈，補足室內的亮度至35勒克斯以上；當照度15勒克斯，若此時室內有人時，系統(tǒng)自動將室內的四盞燈亮起來，補足室內的亮度至35勒克斯以上。 圖18 光敏感應器 圖19 距離感應器距離感應器（圖19）的工作原理模型中實驗室的長度為38cm，對距離感應器預設值為38cm。當實驗室中無人，即人體到感應器距離38cm時，系統(tǒng)自動判定室內無人，無需開啟室內的燈；當人進入實驗室，即人體到感應器距離38cm時，系統(tǒng)自動判定室內有人，同時結合光敏感應器傳送到控制中樞的信號決定室內燈開啟的數(shù)量。照明控制系統(tǒng)模擬對房間的光環(huán)境進行模擬，開啟整個系統(tǒng)。將太陽能板置于太陽光之下，當房間內光照度足夠，即照

15、度35勒克斯的情況下，將手作為人體，放入房間，房間內的LED燈將不會點亮，而此時，顯示屏顯示有電流電壓的值，表示太陽能板正在將太陽能轉化電能儲存在蓄電池中。用遮光物遮住太陽能板，使太陽能板停止工作，則此時系統(tǒng)內電流電壓等數(shù)值變小，不再對蓄電池蓄電。將太陽能板置于太陽光之下，用一遮光物遮擋房間的部分，使房間內照度相對不足時，即15勒克斯照度35勒克斯時，將手放入房間內，系統(tǒng)將自動點亮2盞LED燈，將房內的照度補償至35勒克斯以上。此時系統(tǒng)由太陽能板供電，同時對蓄電池蓄電。用遮光物遮住太陽能板，使太陽能板停止工作，不再對系統(tǒng)供電，此時轉由蓄電池供電，使房間內的2盞LED燈仍然亮著，。將太陽能板置于

16、太陽光之下，用遮光物遮擋房間，使房間內基本黑暗，即照度15勒克斯時，將手放入房間內，房間內的4盞LED燈全部被點亮，此時系統(tǒng)由太陽能板供電，同時對蓄電池蓄電。用遮光物遮住太陽能板，使太陽能板停止工作，不再對系統(tǒng)供電，此時轉由蓄電池供電，使房間內的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題，并充分利用太陽能?，F(xiàn)在越來越多的人忽視了這些小事，可這個卻是能源控制的大問題。模型的設計原理是當人在房間時，并當太陽能提供的光照強度比較暗的時候，建筑室內的燈亮起，并且亮度隨著太陽光提供的光照強度增加而減小。當人不在房間內時，燈自動關閉。從而到達節(jié)能和工作兩不誤。并且充分利用了太陽能。太陽能發(fā)

17、電實體模擬追蹤式太陽能發(fā)電：本次試驗模型采用的追蹤式太陽能板發(fā)電，“所謂跟蹤式太陽能發(fā)電，即太陽能面板可隨太陽方位的變化而移動的太陽能發(fā)電。 與固定式太陽能發(fā)電相比， 跟蹤式太陽能發(fā)電的發(fā)電量可提高 10 %到20 %?！?試驗采用了手動遙控太陽能板來撲捉垂直太陽光照，當太陽早上剛剛升起的時候，太陽光相對于建筑屋面的夾角非常小，所以需要將太陽能板向太陽方向傾斜對準太陽光，從而獲得更多的太陽光垂直面的面積，進而也將得到更多的太陽能，也將發(fā)更多的電能；等到中午太陽直射屋頂時，需要將太陽能板平行放在屋頂上；等到太陽西落時，太陽與屋頂?shù)膴A角小于九十度，所以需要再度把太陽能板向西傾斜以垂直對準太陽光?！?/p>

18、太陽能發(fā)電雙軸跟蹤式系統(tǒng)控制器的研制，降低了系統(tǒng)運行維護成本，同時提高發(fā)電量及太陽能利用率，為今后建造更大規(guī)模發(fā)電站打下了堅實的基礎。”建筑遮陽及太陽能發(fā)電:實體模擬太陽能板用作建筑物遮陽，此方法不僅可以達到遮陽的效果而且還可以用來發(fā)電從而達到節(jié)能和環(huán)保的效果。模型直接利用太陽能板發(fā)電給蓄電池充電同時也可以給建筑局部照明系統(tǒng)進行供電，這樣小型太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定因素就不會影響到電網的電量質量。五、結論與展望本項目進行至此，僅解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的設計與應用。此外，對于各種影響建筑節(jié)能設計因素的模擬分析，小組成員都還處在一個發(fā)展中的過程中，相關軟件在具體使用、參數(shù)設定等方面還有大量的經驗技

19、巧需要總結。在后續(xù)的尚未開展的空調調節(jié)系統(tǒng)和集水系統(tǒng)的設計和完善中也需要大量的技術和經驗支持。不管怎么說，BIM 技術在輔助建筑節(jié)能計方面的運用，一定會給建筑節(jié)能綠色的研究和實踐帶來深遠的影響，將其運用至CDIO實驗樓的改造工程中，將使得此工程項目得到頗深的效益。參考文獻：【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）上海建坤信息技術有限責任公司 2012.04【2】首靈麗 基于BIM 技術的建筑能耗模擬分析與傳統(tǒng)建筑能耗分析對比研究 重慶大學 2013.05【3】席加林 基于 BIM 技術的重慶地區(qū)辦公建筑節(jié)能設計探索 2013.06【4】王廣斌，任文斌，羅廣亮 建設工期項目前期策劃新視角BIM 建筑科學 2010.05【5】九州電力公司嘗試跟蹤式太陽能發(fā)電【6】李松柏 曾忠利 姜世平 黃 忠一種跟蹤式太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)的研制