1、基于 BIM 的智慧型能源管理系统的研究设计汕头大学 CDIO 实验楼改造摘要：建筑信息模型（BIM） ，是指通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。信息的内涵不仅仅是几何形状描述，还包含大量的非几何的属性信息。通过讨论探索的是 BIM 等技术在汕头大学 CDIO 实验楼改造能源控制系统中的各类应用，希望能提供一个全新的角度来探索建筑能耗管理。关键词：能源控制，BIM，实验楼改造，模拟，调试一、背景建筑活动是人类对自然资源、环境影响最大的活动之一。其消耗着大量的自然资源。定义建筑能耗的方法有两种：广义上的建筑能耗是指建筑的围护结构的材料制造、建筑建造施工，一直到建筑运营、维护和再利用或者拆
2、除的全过程能耗。狭义上的建筑能耗，即建筑的使用、运营和维护过程中所需要的能耗，就是人们日常的用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等的能耗，是构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、使用运营、维护到再利用过程中所消耗的能耗。一般地讲，建筑活动使用了人类所使用的自然资源总量的 40%，能源总量的 40%，而造成的建筑垃圾也占人类活动产生垃圾总量的 40%。作为经济繁荣、社会进步、技术发展最常见的标志，办公建筑是公共建筑中最大量建造的一类,然而办公建筑高耗能的问题却日益突出。据统计，空调采暖和照明能耗目前约占我国办公建筑总能耗的 70%80%，每平方米年耗
3、电量是普通居民住宅的 1020 倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的 1.5 倍。可见办公建筑的节能形势相当严峻，高能耗应该引起社会的高度关注。二、项目开展意义：基于上述的背景，汕头大学也积极响应国内绿色建筑节能的相关政策，预对其内部建筑 CDIO 实验楼进行修建改造，既对校内的旧建筑重新利用，也将其改造成绿色建筑，作为校内学生活动地点之一，成为校内美丽的建筑景观之一；同时贯彻 CDIO 教学理念，锻炼土木工程系的学生的自主学习能力。三、BIM 技术应用到汕头大学 CDIO 实验楼改造工程中1项目前期把项目策划阶段的建筑能耗控制要求和指标作为设计阶段的基准线。项目的总体方案思路为：将太阳能板，
4、蓄电池，灯管等作为主体，利用计算机编程，使其作为完整的能运转的系统。在有太阳光照的情况下，太阳能板对系统供电，同时也将产生的剩余电能存贮在蓄电池中。在没有太阳光照的情况下，系统由蓄电池供电，当蓄电池的电能完全释放完，系统自动切换为电网供电。在建筑运营和维护阶段，通过 BIM 模型模拟仿真技术，可以预测各类能量符合变化，制定相应的能源方案，降低建筑的能源消耗，提高能源的利用效率。在此基准上来设计项目的总思路，进而决定项目的方向以及后面所需学习的软件（以及 LabVIEWBIM 系列：Revit、MEP、Ecotect 等） 。图 1 CDIO 能源管理系统设计总思路图 2 CDIO 能源管理系统
5、设计总思路2.Ecotect 的应用Autodesk Ecotect Analysis 软件是一款功能全面，适用于从概念设计到详细设计环节的可持续设计及分析工具，其中包含应用广泛的仿真和分析功能，能够提高现有建筑和新建筑设计的性能。该软件将在线能效、水耗及碳排放分析功能与桌面工具相集成，能够可视化及仿真真实环境中的建筑性能。利用强大的三维表现功能可以进行交互式分析，模拟日照、阴影、发射和采光等因素对环境的影响。对 CDIO 实验楼的环境进行详细的了解与调查，得出 CDIO 实验楼的地理位置，太阳辐射环境，太阳光照环境亮度、温度分布等。图 3 修改后的 CDIO 实验楼CDIO 实验楼坐落于东经
6、：116.6294 北纬：23.4162运用 Ecotect 中的 Weather Tool，可得到 CDIO 实验楼的水平太阳轨迹图，这对于项目后期设置太阳能板的位置角度等有着十分重要的帮助。图 4 CDIO 实验楼水平太阳轨迹图对 CDIO 实验楼进行热分析，得到各个月的光辐射。TOTAL MONTHLY SOLAR EXPOSUREShantou, CHN (Direct Only)AVAIL. REFLECT INCIDENT TRANSMITTED MONTH Wh/m2 Wh/m2 Wh/m2 TOT.Wh Wh/m2 TOT.WhJan 87305 0 37996 881655
7、37958 880774Feb 66722 0 35147 815532 35111 814716Mar 71866 0 39598 918812 39558 917893Apr 76336 0 41256 957290 41215 956333May 65629 0 34337 796755 34303 795958Jun 47619 0 21234 492709 1213 492216Jul 85029 0 44964 1043336 4919 1042293Aug 86206 0 45203 1048888 45158 1047839Sep 101122 0 54250 1258812
8、54196 1257554Oct 91451 0 44649 1036027 44604 1034991Nov 80448 0 38238 887274 38200 886387Dec 130787 0 54864 1273040 54809 1271767TOTALS 990520 0 491736 11410131 491245 11398721结合 Retscreen，得到太阳光在 CDIO 实验楼的亮度数值。可预测实验楼内房间各需要补偿照度的值，进而设计照明系统，选择规格合适的灯管。图 5 Retscreen 分析得到的汕头基本气象数据3.MEP 的应用：对灯管摆设角度位置进行设计Au
9、todesk Revit MEP 是一款水暖电系统建模，系统设计分析来帮助提高效率的专业软件。基于 MEP 的基本功能，在已有 CDIO 建筑楼的结构上进行电力系统，主要是照明系统的设计。为了使整个建筑节能，在保证亮度足够的情况下，尽可能地使用小功率灯管，并且不同方位采用不同类型的灯管，使之更有特色，又能够满足舒适使用。图 6 照明系统灯管一楼分布图图 7 照明系统灯管二楼分布图图 8 照明系统灯管三楼分布图图 9 照明系统灯管四楼分布图4.结合 LabVIEW 编程完善系统LabVIEW 是一个通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW有着很多优点，尤其是在测量、控制
10、、仿真等方面尤其突出。在 CDIO 实验楼的能源管理系统的设计中，使用 LabVIEW 编制程序，完善整个能源控制系统。利用 LabVIEW 模拟太阳能的收集情况以及太阳能发电对建筑用电的帮助。通过Ecotect 预测的光辐射量，拟采用采集器对太阳能板进行信号采集，将信号反馈到系统控制中枢，系统控制中枢将信号转为数据，经过计算就可以得出太阳能产生的电能，显示在控制台屏幕上，从控制台屏幕上可以随时了解到太阳能板的发电量。同样的原理，系统同时也会对 CDIO 实验楼消耗的电能进行反馈。通过产生的电能与建筑以前的电能比较可以得出太阳能发电效果。图 10 照明系统灯管四楼分布图在单独独立的房间，将布置
11、距离感应器和光值感应器。当人从外面进入房间，距离感应器感应到人后，会直接将信号发给控制中枢，在控制台屏幕上将显示事先预制好的动图（人走进来） ，点亮房间内的灯；当人离开房间后，距离感应器在 15 分钟的时间内未感应到人体，控制中枢将关闭房间内的灯。图 11 照明系统灯管四楼分布图图 12 照明系统灯管四楼分布图对光值感应设定预定值：35 勒克斯。在房间内，光值感应器将捕捉室内照度，当室内照度达到 35 勒克斯时，灯光亮度为零，在照度没有达到 35 勒克斯时，系统自动开灯并调节灯光亮度补充室内照度至额定照度。既有利于在室内活动而不伤眼，又可以节省不必要的电能。四、制作 CDIO 实验楼的实体模型
12、进行模拟与调试模型分成两部分：建筑主体及设备因 CDIO 实验楼各层的平面布置大致相同，本项目将针对实验楼第三层，采用 KT 板制做 CDIO 实验楼第三层单层模型。模型保留实验楼第三层的基本框架，整个框架按照比例缩放，外墙采用两层 KT 板，内墙采用一层 KT 板，简化第三层的内部，去掉部分的内墙和开窗，使设备具有足够的位置去设置摆放，更好的实现能源控制系统在 CDIO 实验楼内的运转。图 13 CDIO 实验楼模型如图 14，是一条长廊，是实验室，是控制室。为了营造舒适休闲的环境，在长廊，我们设置了温馨的座椅，供学生读书讨论休憩。长廊灯采用高级 LED 节能灯，直接由太阳能电池板提供能源，
13、损耗功率小，可以长时间保持长廊的室内最适亮度。图 14 CDIO 实验楼模型空间布置 图 15 CDIO 实验楼长廊本项目的主体部分为能源控制系统。在实验室中，根据项目系统运转流程图，将相关的设备连接并装在模型上。在实验室中布置 4 盏 LED 灯和 2 个感应器（光敏感应器，距离感应器） 。与实验室相邻的是系统控制室，控制室装有项目系统的设计电路，电路中的单片机为系统的控制中枢，在系统运行时，依靠它来接收、处理、输出信号，使系统能够顺利的运行。外面是控制台显示屏幕，屏幕上显示系统运行时电路中的电流电压，以及系统的总发电量和能耗等数据。此外在外面还设置有一个 6V 蓄电池和一块单晶硅太阳能板。
14、 图 16 CDIO 实验室 图 17 能源管理系统控制室光敏感应器的工作原理如图 18，光敏感应器随时监测房间内部的光照强度。人眼的最适合照度为 35 勒克斯左右，给光敏感应器设定一个预定值：35 勒克斯。当室内照度35 勒克斯，即照度足够，若此时室内有人时，系统会自动判定不需要开灯；当 15 勒克斯室内照度35 勒克斯，室内处于略暗的环境下，若此时室内有人时，光敏感应器把感应到的信息以信号的形式传到控制中枢，系统会自动点亮两盏灯，补足室内的亮度至 35 勒克斯以上；当照度15 勒克斯，若此时室内有人时，系统自动将室内的四盏灯亮起来，补足室内的亮度至 35 勒克斯以上。图 18 光敏感应器
15、图 19 距离感应器距离感应器（图 19）的工作原理模型中实验室的长度为 38cm，对距离感应器预设值为 38cm。当实验室中无人，即人体到感应器距离38cm 时，系统自动判定室内无人，无需开启室内的灯；当人进入实验室，即人体到感应器距离38cm 时，系统自动判定室内有人，同时结合光敏感应器传送到控制中枢的信号决定室内灯开启的数量。照明控制系统模拟对房间的光环境进行模拟，开启整个系统。将太阳能板置于太阳光之下，当房间内光照度足够，即照度35 勒克斯的情况下，将手作为人体，放入房间，房间内的 LED 灯将不会点亮，而此时，显示屏显示有电流电压的值，表示太阳能板正在将太阳能转化电能储存在蓄电池中。
16、用遮光物遮住太阳能板，使太阳能板停止工作，则此时系统内电流电压等数值变小，不再对蓄电池蓄电。将太阳能板置于太阳光之下，用一遮光物遮挡房间的部分，使房间内照度相对不足时，即 15 勒克斯照度35 勒克斯时，将手放入房间内，系统将自动点亮 2 盏 LED 灯，将房内的照度补偿至 35 勒克斯以上。此时系统由太阳能板供电，同时对蓄电池蓄电。用遮光物遮住太阳能板，使太阳能板停止工作，不再对系统供电，此时转由蓄电池供电，使房间内的 2 盏 LED 灯仍然亮着， 。将太阳能板置于太阳光之下，用遮光物遮挡房间，使房间内基本黑暗，即照度15勒克斯时，将手放入房间内，房间内的 4 盏 LED 灯全部被点亮，此时
17、系统由太阳能板供电，同时对蓄电池蓄电。用遮光物遮住太阳能板，使太阳能板停止工作，不再对系统供电，此时转由蓄电池供电，使房间内的 4 盏 LED 灯仍然亮着。照明控制系统主要是解决人走灯亮的问题，并充分利用太阳能。现在越来越多的人忽视了这些小事，可这个却是能源控制的大问题。模型的设计原理是当人在房间时，并当太阳能提供的光照强度比较暗的时候，建筑室内的灯亮起，并且亮度随着太阳光提供的光照强度增加而减小。当人不在房间内时，灯自动关闭。从而到达节能和工作两不误。并且充分利用了太阳能。太阳能发电实体模拟追踪式太阳能发电：本次试验模型采用的追踪式太阳能板发电， “所谓跟踪式太阳能发电，即太阳能面板可随太阳
18、方位的变化而移动的太阳能发电。 与固定式太阳能发电相比， 跟踪式太阳能发电的发电量可提高 10 %到 20 %。 ” 试验采用了手动遥控太阳能板来扑捉垂直太阳光照，当太阳早上刚刚升起的时候，太阳光相对于建筑屋面的夹角非常小，所以需要将太阳能板向太阳方向倾斜对准太阳光，从而获得更多的太阳光垂直面的面积，进而也将得到更多的太阳能，也将发更多的电能；等到中午太阳直射屋顶时，需要将太阳能板平行放在屋顶上；等到太阳西落时，太阳与屋顶的夹角小于九十度，所以需要再度把太阳能板向西倾斜以垂直对准太阳光。 “太阳能发电双轴跟踪式系统控制器的研制，降低了系统运行维护成本，同时提高发电量及太阳能利用率，为今后建造更
19、大规模发电站打下了坚实的基础。 ”建筑遮阳及太阳能发电:实体模拟太阳能板用作建筑物遮阳，此方法不仅可以达到遮阳的效果而且还可以用来发电从而达到节能和环保的效果。模型直接利用太阳能板发电给蓄电池充电同时也可以给建筑局部照明系统进行供电，这样小型太阳能发电的不稳定因素就不会影响到电网的电量质量。五、结论与展望本项目进行至此，仅解决了光伏发电系统和照明系统的设计与应用。此外，对于各种影响建筑节能设计因素的模拟分析，小组成员都还处在一个发展中的过程中，相关软件在具体使用、参数设定等方面还有大量的经验技巧需要总结。在后续的尚未开展的空调调节系统和集水系统的设计和完善中也需要大量的技术和经验支持。不管怎么
20、说，BIM 技术在辅助建筑节能计方面的运用，一定会给建筑节能绿色的研究和实践带来深远的影响，将其运用至 CDIO 实验楼的改造工程中，将使得此工程项目得到颇深的效益。参考文献：【1】张赟 从 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）上海建坤信息技术有限责任公司 2012.04【2】首灵丽 基于 BIM 技术的建筑能耗模拟分析与传统建筑能耗分析对比研究 重庆大学 2013.05【3】席加林 基于 BIM 技术的重庆地区办公建筑节能设计探索 2013.06【4】王广斌，任文斌，罗广亮 建设工期项目前期策划新视角BIM 建筑科学 2010.05【5】九州电力公司尝试跟踪式太阳能发电【6】李松柏 曾忠利 姜世平 黄 忠一种跟踪式太阳能发电控制系统的研制
