1 引言
近年来，在全球气候变暖、环境污染凸显和能源匮乏的现状下，高能耗、高排放的传统建筑行业逐渐被淘汰。2010年的建筑节能标准调查表明，我国的节能设计标准达标数值仅为26.4%，远低于同比建筑总量。在这一形势下，可持续的绿色建筑成为重中之重，间接推动了建筑设计的模式不断革新。其中，建筑生命周期管理BIM技术、建筑模型创建和相关信息的设计应用应运而生，有益于更好地节能环保，维持好生态环境，从而形成与自然和谐共生的建筑环境。
2 内容阐述
如引言所述，气候变化是涉及环境、社会和环境的重大问题之一。这种变化会对某些特定的国家建筑环境产生一系列的影响（如英国为主的地理位置特殊气候多变的国家）。因此，专门的研究热能分析是建筑可持续性发展的首要任务。总体来说，传统建筑能耗分析流程为：①项目可行性策划阶段；②方案概念阶段；③方案初步设计阶段；④施工图设计阶段；⑤暖通设备设计阶段；⑥建筑能耗的计算分析。如果建筑能耗分析像上述一样在设计方案阶段完成之后进行，会导致大量的重复性修改工作，更有可能造成方案的重新设计，增加整个设计难度和拖累项目的进展。
本文以某国外小型住宅独立别墅为例，在前期设计阶段建模，然后用建筑性能软件模型分析建筑的表现，并调整相应设计，从而让读者了解如何避免设计浪费、达到节约资源的绿色建筑目标。区别于传统设计流程，把建筑能耗的计算分析阶段结合到传统建筑能耗分析流程前3个阶段①②③中能更好地结合自然条件和建设条件，筹划建筑节能设计和建筑总平面。通过日光、采光、通风等的对自然环境分析确定建筑节能的主要问题，并决定建筑的朝向和形体。如有条件可以在气候数据方面添加未来数据来协助分析个别气候特征明显的区域，可提前预测和应对气候对建筑的影响（如最近提议的南北方区域供暖重新划分可有效地解决的这一问题）。而在之后的方案初步设计阶段里对围护结构（墙体、窗等）材质的选择和遮阳形式等进行优化，还可以加入节能设备后的建筑能耗数据和相关的材料和设备费用。甚至用最新科技的数据化信息结合到智能化家居系统里优化住户的居住体验。设计者在建筑前期阶段开始能耗分析相比传统能耗的流程要在时间上还有人力、物力上更有优势。而在利用BIM来行建筑设计的过程中，只需导入相关的能量分析软件就可以对整个设计方案进行分析计算，并实时预测和反馈出详尽的能耗数据结果。对于众多的建筑模拟软件，要进行选择并不是很简单。选择模拟分析软件时首要考虑清楚所要解决的问题，并不是功能越多就越好，要考虑软件使用的成本、软件的复杂程度。本项目将使用Ecotect、IES-VE和Green building studio 3款国内主流软件来研究建筑能耗的影响。
3 项目工程概况
本项目为位于英国卡迪夫市某住宅区现存的独栋别墅，建筑总建筑面积为121m2。建筑类型为二战之后遗留下来的最多的分离式住宅建筑，大部分为砖墙和木制楼板结构。此建筑分为2层（不包含屋顶空间），分别为一楼61m2、二楼60m2。其中，房间包括1间客厅、3间卧室（1主卧和2次卧）、3间卫生间、1间停车库。其中，根据英国最大比例一户人口数来定设置默认使用人数为4人。
3.1 模型设计与搭建
本项目运用了Revit 2013 软件进行BIM建模工作，因为是现有的项目基础上分析，在本项目中不会考虑朝向等建筑方案初期考虑的问题，而是集中考虑建筑后期的建筑性能化表现，介绍一些设计变化并着重对比介绍建筑材料方面的升级与提升。在建模之前，已经做了充分的调研并根据项目真实情况设定了一些基本参数值（如材料、建筑构件尺寸、数量等）。在居住环境方面也考虑了使其适应不同人群的居家要求，设置了一些相关参数。该建筑物在3个分析模拟软件里要设定的标准参数如图3所示。Revit里允许用户更改材质类型使用材质库，还提供了房间分区（区域）便于进一步扩充分析。同样，这种调整可在导入性能分析软件后操作。Revit支持多种输出格式，其中gbXML能够使用在各样的工程仿真软件里是最为广泛应用的文件格式之一，它能更准确的检验建筑物本身的几何尺寸确保模型的精准度。因每个建筑化软件的着重点不同，在此项目中将简单的介绍并做一些节能能耗方面的比较，在选出的较优软件里导入未来的数据来进行预测分析。
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图3 项目1、2层楼层平面图
注：各构件的材料属性参数提取与Ecotect材料库，导热系数根据英国建筑规范2000 L1B、兰和新顿（Lane，Sinden，etc.2005）所写的期刊来设定。
图4 项目中的各建筑构件基本设置和优化后的导热系数
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上述表格显示设置的独栋住宅内的各构件的传热性能达到了英国现实行建筑法规2000。因此，在翻修升级的时候调到了此法规L1B级别（更节能的环保标准，为了更好地节约燃料和电力消耗）升级整修后建筑物里各构件的传热系数U值达到最小值，这些标准可能应用到未来的建筑规范中。
图5 Revit模型导入到分析软件里的建筑变化参数
3.2 气候数据
气候数据选用了当地的天气cardiff_TRY，最近的气象点位于市中心，大约是离项目2km的地方。CIBSE（2002）已经发展成两个不同的模拟气候气象数据，分别为设计年（DSY）代表有夏天过热的一年和典型年（TRY）代表相对一年稳定的季节气候。2006年以来，有14个气候点应用在英国境内，近几年的研究表明应用TRY气候数据能更能准确的获得建筑分析结果。风向数据显示出卡迪夫城市的总体风向倾向于冬季吹东北风，夏天吹西南风。未来数据上给出了3个不同的碳排放（低、中、高）程度以体现未来对能源消耗加剧。对于这个项目，只考虑典型年数据（TRY））和未来碳排放量在中、高程度下2030、2050和2080年时间段的未来数据。此外，未来天气数据取自埃克塞特大学网站数据库（WEA文件格式），在Ecotect里使用时需要转换成EPW格式。在这三款分析软件当中，只有Ecotect支持EPW格式也就是未来气候数据分析。
图6 卡迪夫气象站提供的夏冬季风向变化（Met Office，2001）
3.3 热舒适度标准
建筑环境是有外部的气候条件、建筑内的各种热源产生的温度以及室内通风状态而决定。一般居住者要花费一天的一半时间呆在自己的家里，所以衡量居住舒适度尤为重要。然而在室内舒适度方面没有一个准确的数值，根据美国ASHRAE学会组织的定义空气温度、相对湿度、空气流速、辐射温度、人类活动以及所穿的服装都跟居住的热环境息息相关。调查表明正常人一般接受的舒适温度为19-26摄氏度范围（设为默认值）。然而英国CIBSE（2006）实验阐述现实中的居住者相对于实验结果表现出更能接受温度变化。
图7 室外平均温度对应室内人舒适度（Nicol and Humphreys，2002）
4 成果与讨论
简单来说，本章节通过对现有建筑能耗软件生成原理与运行过程的分析，比较了不同软件的技术特点，在提出了不同软件在适用范围、运行环境和应用操作等方面的差异，为建筑节能设计中应用软件进行能耗模拟提出了一些改进建议。
4.1 BIM建筑性能分析软件特性
GBS是一款网页端DOE-2.2引擎进行云计算的模拟软件，GBS里无法看到直观的3D模型，只能导入模型之后输入模型信息来得出结果。相应的对于一些材料替换升级和加入一些新型节能设备更为的简单和快速（太阳板、不同燃料热水器、雨水收集器等回收再利用）。
| 图8 GBS软件分析界面与结果展示 |
图9 Ecotect里的辐射表面和阴影范围
Ecotect是从概念设计阶段介入分析的一款最广泛应用软件，建筑能耗、太阳辐射、日照、经济指标等的分析功能非常出色。导进Ecotect之后，模型比较精确无任何丢失情况发生。IES则适用于设计全过程，通过连接可以将分析方便快捷地应用于设计的各个阶段。它整合了建筑模拟、自然通风模拟、采光分析，对绿色建筑性能表现出良好的支撑。
图10 IES里丢失的窗户a和b
在本项目文件导入IES分析软件之后，在南立面一楼和二楼位置窗户无法正常显示，可能影响后期的分析结果。
图11 飘窗屋檐前增加遮阳之后的室内采光程度
在飘窗屋檐前添加1m×2.5m遮阳板之后，客厅采光明显降低，通过和Ecotect的结合很容易在IES里修改并优化项目建筑表现。在Ecotect建筑外表面辐射分析能看到，二楼的辐射量比一楼明显偏多，这样可以在二楼窗洞加上遮阳来调节室内采光环境来提升人体舒适度。在测试每个模型结果之前，有必要对初步设定进行适当的调查，以便制作出最精确的模型和分析结果
4.2 碳排放情况
国际环境保护机构（IUCN）证明，天然气是作为最清洁的燃料并用于居住环境。然而，图7显示即使这个家庭使用天然气当温度低于5℃时，用于采暖和热水总消耗量一天内释放了等同于40kg碳排放量（计算面积得出）。相反，照明和用电量几乎不受温度的影响，就此可以得出结论，温度对碳排放成反比例。
图12 随着温度变化的每小时碳排放量（设定时间：1月1日）
4.3 能耗情况
像预期结果一样，3个分析软件得出的结论都是装修升级后夏季能源成本接近零，同样冬季的能耗也表现出明显的下降。升级前后差别最大的能耗减少发生在GBS节能分析，因为加入了可再生能源系统。此外，从9月到10月，Ecotect显示隔热后能产生更多的能耗，这可以解释为模型上碰撞错误而导致。
图13 优化前后的建筑能耗月消耗
图14 优化前后的建筑能耗年总量
图14 给出了三种模型在建筑升级前后对比总能量消耗。可以清楚地看到，GBS和IES得出了相似的结果，每年达到约5000kW·h能耗翻新升级后变成1/3能耗程度。
4.4 能耗相对的花费
单个组件的节能效益因适用范围和方位等的问题有所不同，例如，当隔热层安装在北面壁，它能省下每年286英镑，略高于其他三面墙。其中对墙和屋顶的隔热能最大节能效益，这与节能信托基金会于2006年发布的调查表格基本相似。另外可通过安装可再生设备来获得节能效益，如把光伏面板安装在屋顶，每年将获利200英镑相当的电量，这也是应对未来的温度上升的有效方法之一。
图15 每年安装各构件和再生能源设备之后省下来的总金额
4.5 供暖和供热需求
把未来气象数据导入Ecotect里（优化前数据），分析表明供热、供暖需求曲线随时间逐年减少。在90%气象异常气候情况下2080年的夏天4个月（6～9月）将接近零的供暖供热需求。冬季的情况也类似，住宅本身的供暖量也将急剧下降，预测大约有40%的下降的程度。
4.6 制冷需求
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图16 每月需要的热能情况
根据图16的冷却需求的分析，在未来50年，房屋居住者需要更多的制冷需求来达到相应的热舒适度，特别是在夏天温度持续升高的状态下。在2080年90%气象异常气候下的情况下，7月份制冷的需求达到了340kW·h的高峰。因为夏天需要更多的制冷需求去达到居住环境的舒适度，设计上的改善是必须的。之前列出了几个选项都可以帮助解决夏天过热的问题。同样，在英国推行夏天使用空调也是一种办法。然而，空气制冷也需要认真考虑，因为它会产生更多的碳排放间接的造成其他环境问题。在国内，在大型的建筑里空调系统的性能预测与设计优化也是建筑能耗模拟的主要应用之一。目前空调系统一般简单的通过计算来确定设备容量和数量。实际上空调系统要在室内下运行因为气候条件的不同，它不能以最大负荷来运转，低效率地使用率使得空调系统常常出现各种问题。如果能在系统设计时进行动态能耗模拟来选择合理的系统形式、容量、数量将会为设计提供极大的优化。
图17 每月需要的制冷情况
4.7 分析时的不足与优化
为了能够使用分析软件得到更可靠准确的数据结果，有几个部分需要特别的注意。首先，建模型时要简单，不需要过多的装饰和内容物，但要细节上精确来保证整体的效果。其次，由于缺乏材料的选择功能，在GBS中的组件的传热系数设置略有不同。为了精度需求，用Ecotect来做出了参考表格图3。还有，如果屋顶空洞跟屋顶比例大于零表明其中一房间的天花板或地板含有空气间隙。这可能是因为使用Revit当房间没有把天花板，屋顶或地板元件范围设定好的原因。同样，楼层面积和天花板比超过1应仔细的检查之后导入到IES里。另外在本模拟当中设定全部建筑物件在最优化的运行，现实表达当中不同的物件放在一起会起到些许的冲突和减少，但在模型当中没有考虑进去（如冬季的阳光照射在墙壁，隔热层会产生一定的阻挡导热的作用），目前还没有一款分析软件能做到这个功能。本项目的模拟分析是在UKCIP02方案里来进行的，其中气候数据是用变化育生的方法来得出。由于气候多变和不定性、未来的经济和人口增长、技术的变化，新的UKCIP09数据发展计划是迫切的需要的。在目前的研究热效能当中，因气候变化不确定性很难去给予定论，这需要很谨慎去对待，它涉及到大量的参数输入和输出。卡普兰和卡纳写到（Kaplan and Caner，1992），为了正确使用建筑模拟，建模人员应该懂得基本的问题和工具使用功能，建模的成功与否依赖于建模者的经验、技巧和完整性。
5 结论
可以得出结论就是人们对建筑环境的期望是在减少碳排放的同时削减运营成本，并且提高居住舒适程度。用气候数据来对比正常状态下和升级后的建筑两者表现的话，就能很明显得出升级后的房屋能更好的应对现有气候特征。在本项目里导出未来气候数据来分析的时候，发现温度上升能直接导致整年的供暖需求量明显的下降，反观在夏天的制冷方面需求在逐步提高。因此也证明了供暖的减少和高制冷需求跟全球变暖有直接性的关系（应用未来气候数据2030s、2050s、2080s），到了2050年的时候，英国地区即使建筑物急需采取夏天制冷措施如同现在国内很多南方城市或者强制性执行建筑材料方面的升级（国家政策补贴结合方案下），不然无法应对气候变暖的现象，居住者在这种建筑环境当中也会获得不到任何舒适度。针对这个气候特征，设计师们可以初步设计阶段预留设计空间（如空调和新风口位置）、在建筑内外添加或改变更利于未来可持续发展，而这一特性还能与装配式建筑很好的结合，提供个快速完善的解决方案。甚至是随着科技的发展，加入有效的智能化设备去服务居住者（如现在很多房企倡导的智能家居系统），利用大数据和智能方法来帮助居住者清晰地感受人、建筑节能和生态三者之间的关系，让每个公民真正以自身居住环境来出发建立起建筑节能意识并实践。
参考文献
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附图1 三个模型在优化前后每月能耗情况
附图2 客厅飘窗（无遮阳）
附图2 客厅飘窗（有遮阳）
附图3 现在、2030年、2050年和2080年的每月供热和制冷需求
附图4 房间面积检测
收稿日期：2018-08-16
作者简介：金星（1985-），男（朝鲜族），辽宁沈阳人，供职于广东天元建筑设计有限公司，研究生，研究方向：BIM建筑设计与性能化分析。
