建筑冗余能耗三维监管与再利用研究

段 羽 白志超

（1.吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114；2.吉林省建苑设计集团有限公司，吉林 长春 130000）

1 研究背景

建筑冗余能耗是建筑节能领域的一个重要发展方向，对行业可持续发展具有重要意义，是实现国家能源安全的重要组成部分。随着我国建筑总量持续增长，建筑行业仍处在粗犷型管理和非节能建筑浪费大量能源的大环境中。为更好地推进建筑低碳节能工作的有效开展，迫切需要深入探讨以超低能耗建筑为发展依托，从节能设计阶段到运营管理阶段的智能化分析、预测、监管和控制的技术与方法研究。建立建筑节能信息模型，为超低能耗建筑全生命周期综合应用建筑节能提供技术支持。

2 建筑冗余能耗三维监管

建筑冗余能耗三维监管体系主要通过设计、施工、运维和数字孪生交付等多方面的软件应用来实现，包含了建筑全生命周期BIM技术各类型软件。例如，利用企业级云平台进行全生命周期数据协调，通过Revit软件实现建筑设计和模型细化；通过BIM-film软件对建设过程中的细节节点和工艺技术进行详细的技术交底；通过广联达系列软件对整个项目的成本进行控制，利用鲁班开发者平台对建筑后期运维过程中的数据进行监管和模型的挂接，在硬件使用方面，除传统必要的硬件设备外，还包括超低能耗建筑所需的其他感应元器件，通过BIM技术与各类感应元器件产生的数据进行挂接，实现BIM技术在建筑全生命周期过程中数据的三维可视化表达。

利用BIM技术将地源热泵系统的三维模型展现出来，这也是国内第一个将地源热泵系统所包含的各类构件和能源传递方式进行数据三维化展现的项目，并以此协助建设单位对后期运维管理中产生的数据进行精确定位和分析。管沟内各类型管线设备通过地源热泵系统整体模型展现，结合后期的能源监管平台，真正实现了三维可视化方法展示地源热泵系统不同节点、不同位置采集能源数据监控的目的，也为建筑在后期的运维过程中实现精细化控制、提高能源使用效率和分配效率提供支持。三维化表达如图1所示。

图1 建筑冗余地源热泵系统三维化表达

利用BIM技术在前期模拟机房内所对应的每一条管线及空间信息位置，避免了后期实施过程中因施工碰撞而造成大量返工的问题，缩短了施工工期、也节约了施工成本。冗余能耗回收系统管线三维表达如图2所示。

图2 冗余能耗回收系统管线三维表达

采用带有余热回收的新风系统，该系统通过室内排风加热或冷却室外新风。本项目利用BIM技术和智能监控技术，借助系统中的温度和流量传感器，帮助运维人员随时掌握每一房间的送风温度和送风量，从而保证建筑高气密性环境下的室内舒适度。采用具有较高舒适性且节能的毛细管供暖/供冷辐射末端系统，该系统利用BIM技术，通过前期预模拟，可以很好地控制毛细管在敷设面上的排布方式，使室内温度更均匀、更节能。

3 建筑冗余能耗三维监管平台搭建

建筑冗余能耗三维监管平台主要是实现建筑三维模型的轻量化展现。将模型和数据结合算法分离，实现每一次操作都不断对模型数据进行刷新，通过建立的数据与模型之间的逻辑关系，使每一次操作只为提取数据而非模型，最后将模型与数据挂接，这样不仅得到了一套完整的数据轻量化模型，还进行了碰撞检查。通过开发web端碰撞检查这一方法，使碰撞检查更加轻便、高效，打破了传统利用Revit、Navisworks等碰撞类软件无法实现碰撞和模型之间实施挂接与分析修改的现象，更好地实现了修改模型、检查结果、问题分析三方联动的便捷化操作，为复杂的建筑模型碰撞提供了更大的支持。通过建筑各类型感应元器件产生的数据与模型的挂接，真正地实现了模型在后期建筑运行过程中的使用价值，帮助建筑参与者控制每一个构件、每一种能耗和每一个空间数据的精准化分析，使建筑后期使用更加精准、高效，运维管理有据可循。BIM技术二次开发后的监控平台如图3所示。

图3 建筑冗余能耗三维监管平台

4 建筑冗余能耗再利用体系研究

4.1 冗余热能

在日照良好的情况下，采用太阳能光热系统进行室内供暖是最佳选择，合理地匹配蓄热水箱容积和蓄热方式，可使太阳能得到充分利用，减少电能过度消耗。但由于太阳能光热系统在供暖期未实现自动控制，只能通过手动控制来切换两种系统的运行方式，因此，我们提出了二次优化阀门的方案。利用现有小型气象站及相关系统的监测数据，通过对阀门的计算和判断，实现远程控制阀的启动、关闭、停止和阀门开度。具体实现：智能阀门的远程自动化控制；实时监测智能阀门的开到位、关到位状态和阀门的开度；远程控制智能阀门的开启、关闭和停止；远程控制电动蝶阀的开度，阀门开度值可设置；自定义智能阀门开启、关闭和停止时间节点，智能阀门按照时间节点实现太阳能光热系统和地源热泵系统的自由切换及其他时间节点自动化控制；实时上报监测数据到控制平台，监控阀门工作状态。

4.2 冗余电能

合理利用风光互补发电系统能有效降低严寒地区近零能耗建筑的整体能耗，该严寒地区近零能耗建筑采用了风光互补发电与建筑一体化设计，其中，光伏发电系统配置了122块光伏板，风力发电系统配置了4台微风力发电机。全年发电量除满足耗电量外，还有相当一部分冗余。可以利用这部分冗余电能接入蓄电池组，将蓄电池组充满电后用于邻近建筑的应急照明供电。还可以连接周边的绿植滴灌系统，与生活用水分类二次利用和雨水收集系统耦合，将雨水箱中的水输送到地管管中，对绿植进行滴灌浇水，既使冗余电能得到充分利用，又将雨水箱中的雨水和生活污水进行二次利用，更体现出冗余能量再利用的特点。当太阳辐射率高、阳光充足时，在满足自身用电量和以上两种利用方式的同时仍有冗余电能，可通过逆变器通入电网，向国家电网输送冗余电能，获取一定的经济收益。

4.3 生活用水二次利用及雨水收集

随着人们生活水平的提高，生活污水排放日益严重，日常生活用水中如绿化浇灌、道路和厕所冲洗等都不需要达到可饮用标准，使用自来水会造成浪费。因此，二次优化设计方案就是在排水系统上，采用双水槽分流处理，将二次循环利用和不可利用水分开处理，收集洗手水、洗涤水等可循环利用水，使其流入L型管道，处理后存入雨水箱。另外，对屋顶进行处理，将楼房顶层作为雨水收集系统的一部分，使收集到的雨水尽可能多地流入蓄水系统，通过水管收集到雨水箱。雨水箱通过溢流孔调控水量，过多的雨水通过排水管道溢出。生活污水和雨水经简单过滤、净化存入雨水箱，再进行消毒。通过生活用水分类二次利用和雨水收集，可提高对雨水的利用率，减少水资源的使用，以达到节能环保的目的。

5 结语

本文针对目前建筑发展过程中产生的冗余能耗进行分析，利用BIM技术搭建冗余能耗产生设备的精细化模型。通过三维化运维管理体系，对建筑冗余能耗体系进行深度梳理与监管模式的创新。同时，提出了建筑冗余能耗再利用的发展理念，为现阶段预计实现被动式低能耗建筑的发展提供理论依据。下一步还将通过实际项目验证，进一步强化建筑冗余能耗再利用理念的深层次落地与发展。