基于BIM的智慧型能源管理系統(tǒng)的研究設(shè)計論文最終版.docx

《基于BIM的智慧型能源管理系統(tǒng)的研究設(shè)計論文最終版.docx》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于BIM的智慧型能源管理系統(tǒng)的研究設(shè)計論文最終版.docx（13頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、基于BIM的智慧型能源管理系統(tǒng)的研究設(shè)計汕頭大學(xué)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(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。通過討論探索的是BIM等技術(shù)在汕頭大學(xué)CDIO實驗樓改造能源控制系統(tǒng)中的各類應(yīng)用，希望能提供一個全新的角度來探索建筑能耗管理。關(guān)鍵詞：能源控制，BIM，實驗樓改造，模擬，調(diào)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(hù)結(jié)構(gòu)的材料制造、建筑建造施工，一直到建筑運營、維護(hù)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(hù)過程中所需要的能耗，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、使用運營、維護(hù)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(chǎn)生垃圾總量的 40%。作為經(jīng)濟(jì)繁榮、社會進(jìn)步、技術(shù)發(fā)展最常見的標(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題卻日益突出。據(jù)統(tǒng)計，空調(diào)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(dá)國家同類建筑的 1.5 倍?？梢娹k公建筑的節(jié)能形勢相當(dāng)嚴(yán)峻，高能耗應(yīng)該引起社會的高度關(guān)注。二、項目開展意義：基于上述的背景，汕頭大學(xué)也積極響應(yīng)國內(nèi)綠色建筑節(jié)能的相關(guān)政策，預(yù)對其內(nèi)部建筑CDIO實驗樓進(jìn)行修建改造，既對校內(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)生活動地點之一，成為校內(nèi)美麗的建筑景觀之一；同時貫徹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(biāo)作為設(shè)計階段的基準(zhǔn)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(jī)編程，使其作為完整的能運轉(zhuǎn)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(chǎn)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(dāng)蓄電池的電能完全釋放完，系統(tǒng)自動切換為電網(wǎng)供電。在建筑運營和維護(hù)階段，通過BIM模型模擬仿真技術(shù)，可以預(yù)測各類能量符合變化，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)上來設(shè)計項目的總思路，進(jìn)而決定項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)計總思路圖2 CDIO能源管理系統(tǒng)設(shè)計總思路2.Ecotect的應(yīng)用Autodesk

5、 Ecotect Analysis軟件是一款功能全面，適用于從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計環(huán)節(jié)的可持續(xù)設(shè)計及分析工具，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(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)射和采光等因素對環(huán)境的影響。對CDIO實驗樓的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的了解與調(diào)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(jīng)：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(shè)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(jìn)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(jié)合Retscreen，得到太陽光在CDIO實驗樓的亮度數(shù)值?？深A(yù)測實驗樓內(nèi)房間各需要補(bǔ)償照度的值，進(jìn)而設(shè)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(jù)3.MEP的應(yīng)用：對燈管擺設(shè)角度位置進(jìn)行設(shè)計Autodesk Revit MEP是一款水暖電系統(tǒng)建模，系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)上進(jìn)行電力系統(tǒng)，主要是照明系統(tǒng)的設(shè)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(jié)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(wù)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(shè)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(yù)測的光輻射量，擬采用采集器對太陽能板進(jìn)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(zhuǎn)為數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算就可以得出太陽能產(chǎn)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(jìn)行反饋。通過產(chǎn)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(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(yù)制好的動圖（人走進(jìn)來），點亮房間內(nèi)的燈；當(dāng)人離開房間后，距離感應(yīng)器在15分鐘的時間內(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)燈管四樓分布圖對光值感應(yīng)

11、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，燈光亮度為零，在照度沒有達(dá)到35勒克斯時，系統(tǒng)自動開燈并調(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(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(nèi)墻采用一層KT板，簡化第三層的內(nèi)部，去掉部分的內(nèi)墻和開窗，使設(shè)備具有足夠的位置去設(shè)置擺放，更好的實現(xiàn)能源控

12、制系統(tǒng)在CDIO實驗樓內(nèi)的運轉(zhuǎn)。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(shè)置了溫馨的座椅，供學(xué)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(nèi)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(jù)項目系統(tǒng)運轉(zhuǎn)流程圖，將相關(guān)的設(shè)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(yīng)器（光敏感應(yīng)器，距離感應(yīng)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(shè)計電路，電路中的單片機(jī)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(jù)。此外在外面還設(shè)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(yīng)器的工作原理如圖18，光敏感應(yīng)器隨時監(jiān)測房間內(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，若此時室內(nèi)有人時，系統(tǒng)會自動判定不需要開燈；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，若此時室內(nèi)有人時，光敏感應(yīng)器把感應(yīng)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(bǔ)足室內(nèi)的亮度至35勒克斯以上；當(dāng)照度15勒克斯，若此時室內(nèi)有人時，系統(tǒng)自動將室內(nèi)的四盞燈亮起來，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驗室的長度為38cm，對距離感應(yīng)器預(yù)設(shè)值為38cm。當(dāng)實驗室中無人，即人體到感應(yīng)器距離38cm時，系統(tǒng)自動判定室內(nèi)無人，無需開啟室內(nèi)的燈；當(dāng)人進(jìn)入實驗室，即人體到感應(yīng)器距離38cm時，系統(tǒng)自動判定室內(nèi)有人，同時結(jié)合光敏感應(yīng)器傳送到控制中樞的信號決定室內(nèi)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(jìn)行模擬，開啟整個系統(tǒng)。將太陽能板置于太陽光之下，當(dāng)房間內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，系統(tǒng)將自動點亮2盞LED燈，將房內(nèi)的照度補(bǔ)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(zhuǎn)由蓄電池供電，使房間內(nèi)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(nèi)基本黑暗，即照度15勒克斯時，將手放入房間內(nèi)，房間內(nèi)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(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(shè)計原理是當(dāng)人在房間時，并當(dāng)太陽能提供的光照強(qiáng)度比較暗的時候，建筑室內(nèi)的燈亮起，并且亮度隨著太陽光提供的光照強(qiáng)度增加而減小。當(dāng)人不在房間內(nèi)時，燈自動關(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?zāi)Ｐ筒捎玫淖粉櫴教柲馨灏l(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(dāng)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(zhǔn)太陽光，從而獲得更多的太陽光垂直面的面積，進(jìn)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(zhǔn)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(hù)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(chǔ)?！苯ㄖ陉柤疤柲馨l(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(dá)到遮陽的效果而且還可以用來發(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(jìn)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(wǎng)的電量質(zhì)量。五、結(jié)論與展望本項目進(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)計與應(yīng)用。此外，對于各種影響建筑節(jié)能設(shè)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(guān)軟件在具體使用、參數(shù)設(shè)定等方面還有大量的經(jīng)驗技

19、巧需要總結(jié)。在后續(xù)的尚未開展的空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和集水系統(tǒng)的設(shè)計和完善中也需要大量的技術(shù)和經(jīng)驗支持。不管怎么說，BIM 技術(shù)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(yuǎn)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(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)計探索 2013.06【4】王廣斌，任文斌，羅廣亮 建設(shè)工期項目前期策劃新視角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