基于BIM技术的建筑能耗和碳排放预测模型和预测方法与流程

本发明涉及一种基于bim技术的建筑能耗和碳排放预测模型和预测方法，属于信息。

背景技术：

1、建筑能耗及建筑碳排放等问题一直是各国关注的热点问题，建立建筑能耗及建筑碳排放评价体系旨在减少生态环境负荷，提高建筑环境质量，为今后的发展提供更广阔的空间。

2、目前最常用的建筑能耗预测方法有：工程简化算法、物理模型建模方法、人工智能算法等。工程简化计算方法在综合考虑建筑的类型及热惯性时，容易产生较大的计算偏差；物理模型建模方法往往存在需要单独建立复杂模型，手动设定大量计算参数等繁琐的步骤；人工智能算法脱离了建筑物的本身，基于已有数据进行学习预测，对不同建筑房间类型以及实际条件进行预测时，存在一定的局限性，可能会导致预测结果与实际情况的偏差较大。

3、在科技迅速发展的今天，智能化建筑是未来的趋势，bim作为智能建筑技术，是建立在庞大数据库基础上的信息模型技术，可通过计算机在项目的规划、设计、建造和运维等阶段进行模拟分析，而数字孪生技术将建筑物及其空间与它们的设计目标和目的联系起来，将数字孪生视为建筑物的数字复制品，bim与数字孪生技术是相辅相成的，在建筑生命周期中结合是必然的，在当前并没有一种在智能建筑技术的基础上建筑能耗和建筑碳排放预测方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于bim技术的建筑能耗和碳排放预测模型和预测方法，不但能够进行建筑能耗和碳排放的预测计算，而且能够提高建筑能耗和碳排放预测的准确性。

2、本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供的一种基于bim技术的建筑能耗和碳排放预测模型，包括物理力学层、数据信息层、模型层和实际应用层，借助bim与数字孪生技术实现建筑能耗和碳排放的自动化智能预测；

4、所述物理力学层为建筑能耗和碳排放预测模型的基础数据，利用现实捕捉、拍照技术，获取建筑结构、建筑材料、建筑设备和建筑环境实体信息，构建实体建筑图谱；

5、所述数据信息层包括测量参数、相关材料参数、几何尺寸参数和对象性质参数；

6、所述模型层为物理力学层与数据信息层交互形成的物理力学模型：

7、si(j)＝{s1，s2，s3，s4…si}

8、其中，si(j)表示不同房间类型数字孪生模型物理力学层和部分数据信息层的特征编码，是数字孪生模型信息匹配条件和约束条件，用于用户端上传bim文件中建筑房间模型与数字孪生模型相配对，i∈n，n为特征信息编码的总个数；si为决定房间数字孪生模型的信息参量，包括测量参数、相关材料参数、几何尺寸参数和对象性质参数；

9、所述实际应用层用于进行建筑能耗和碳排放的预测。

10、第二方面，本发明实施例提供的一种基于bim技术的建筑能耗和碳排放预测模型的建立方法，包括以下步骤：

11、构建房间数字孪生模型，所述房间数字孪生模型包括物理力学层、数据信息层、模型层和实际应用层；所述房间数字孪生模型的参量包括建筑构建、建筑工艺、测量参数、相关材料参数和对象性质；

12、建立物理对象，获取建筑结构、建筑材料、建筑设备和建筑环境信息，构建实体建筑图谱，形成物理力学层；

13、建立数据信息层，通过数据采集、数据治理、数据传输和数据交互技术加入数据信息；

14、将物理力学层和数据层进行交互，形成基础的模型层；

15、从bim文件中获取建筑房间基本信息，作为物理力学层和数据信息层与数字孪生模型进行点位与维度匹配和约束，进行物理对象与bim模型的实时映射，完善物理力学层和数据信息层的构建；

16、通过计算矩阵构建不同房间数字孪生模型与建筑能耗和碳排放主要计算参数之间的对应关系，实现建筑的建筑描述、建筑诊断、多方面预测和运维决策功能，最终建立建筑能耗和碳排放预测模型。

17、作为本实施例一种可能的实现方式，所述建立数据信息层，包括：

18、建立物理力学层与计算参数之间的对应关系，所述计算参数包括建筑围护结构传热系数、气流速率、气流的运行时间分数、电器设备逐时使用率、房间人员逐时在室率、单位面积设备功率、照明功率和人员发热量，太阳能有效收集区域的外部障碍物的遮阳系数、外表面热辐射的发射率和建筑物的内部热容量；

19、对数据和属性进行存储、处理、分析、计算，获取不同类型房间数字孪生模型所对应计算参数矩阵，进而确定不同房间数字孪生模型与计算参数之间的映射关系。

20、作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算参数矩阵的计算公式为：

21、u′＝α1u

22、qve，k＝α2qve

23、fve，t，k＝α3fve，t

24、fsh，ob，s＝α4fsh，ob

25、ε′＝α5ε

26、cm′＝α6cm

27、…

28、

29、式中：u是建筑围护结构传热系数，qve是气流的气流速率，fve，t是气流的运行时间分数，fsh，ob是表面太阳能有效收集区域的外部障碍物的遮阳系数，ε是外表面热辐射的发射率，cm是建筑物或建筑区域的内部热容量，u′是某种材料的围护结构传热系数，qve，k是气流要素k的气流速率，fve，t，k是气流要素k的运行时间分数，fsh，ob，s是表面s的太阳能有效收集区域的外部障碍物的遮阳系数，ε′是某种材料外表面热辐射的发射率，cm′是某种材料建筑物或建筑区域的内部热容量，ii为不同类型房间数字孪生模型所对应计算参数矩阵，αi为数字孪生模型与不同计算参数的映射系数。

30、作为本实施例一种可能的实现方式，所述基础的模型层为物理力学层与数据信息层交互形成的物理力学模型。

31、作为本实施例一种可能的实现方式，所述数字孪生模型信息匹配条件为：

32、s(j)＝si(j)

33、用户上传bim文件房间基础信息，即bim模型物理力学层和数据信息层的编码s(j)与某类型房间数字孪生模型编码si(j)相吻合。

34、作为本实施例一种可能的实现方式，所述物理力学层的基础数据和数据信息层的参数信息可借助bim技术完善。

35、第三方面，本发明实施例提供的一种基于bim技术的建筑能耗和碳排放预测方法，包括以下步骤：

36、用户上传目标建筑的bim文件，模型获取建筑房间基本信息，作为物理力学层和数据信息层与数字孪生模型进行点位与维度匹配和约束，实现物理对象与用户端bim模型的实时映射；

37、利用建筑能耗和碳排放预测模型进行建筑能耗和碳排放预测；

38、所述利用建筑能耗和碳排放预测模型进行建筑能耗和碳排放预测，包括以下步骤：

39、用户端上传需要预测的bim文件，模型完成bim模型与房间数字孪生模型匹配；

40、计算建筑的围护结构传热和渗透传热数据以及设备人员得热和太阳得热；

41、计算建筑供暖和供冷的动态参数、能源需求以及总耗电量；

42、计算建筑的碳排放。

43、作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算建筑的围护结构传热和渗透传热数据以及设备人员得热和太阳得热，包括：

44、计算围护结构传热：

45、

46、式中，ai是建筑围护结构元素i的面积；ui是建筑围护结构元素i的传热系数；az是总围护结构的面积，即ai之和；ad是地板的面积；ud是地板的传热系数；tint，set是区域的设定温度；te是月平均室外气温；t为计算步骤的持续时间；

47、计算渗透传热：

48、

49、式中，k代表每个相关的气流要素，包括机械通风、自然通风和渗透风；qve，k是气流要素k的气流速率；fve，t，k是气流要素k的运行时间分数，tint，set是区域的设定温度；te月平均外部气温；t为计算步骤的持续时间；

50、计算设备人员得热：

51、

52、式中，fi为每天电器设备逐时使用率、房间人员逐时在室率、照明逐时使用率；p为单位面积设备功率、照明功率和人员发热量；ac为房间总面积；t为计算步骤的持续时间；

53、计算太阳得热：

54、

55、式中，fsh，ob，s是表面s的太阳能有效收集区域的外部障碍物的遮阳系数；asol，s是有效收集面积；isol，s是太阳辐射照度；fr，k为元素与天空之间辐射的形状因子值，无遮阳的水平屋顶选用fr＝1，垂直墙选用fr＝0.5，δter是外部空气温度与天空温度之间的平均差，应取副极地地区为9k，热带地区为13k，中部地区为11k，t为计算步骤的持续时间，ε是外表面热辐射的发射率。

56、作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算建筑供暖和供冷的动态参数、能源需求以及总耗电量，包括：

57、计算供暖动态参数：

58、

59、qh，ht＝qtr+qve

60、qh，gn＝qint+qsol

61、式中，χh是供暖模式的无量纲热平衡比；qh，ht是确定的供暖模式的总传热，围护结构传热qtr和渗透传热qve；qh，gn是供暖模式的总热量增益，设备人员得热qint和太阳得热qsol；

62、如果χh＞0并且χh≠1，则：

63、

64、如果χh＝1，则：

65、

66、如果χh＜0，则：

67、

68、式中，ηh，gn指供暖增益利用效率；τ是建筑区域的时间常数；

69、

70、式中，htr，adj＝∑iai·ui+0.1az+a·u；hve，adj＝1200(∑kfve，t，k·qve，k)；cm是建筑物或建筑区域的内部热容量；其中af为建筑面积；

71、计算供冷动态参数：

72、

73、式中，χc是供冷模式的无量纲热平衡比；qc，ht是供冷模式下的总传热；qc，gn是供冷模式的总热量增益；

74、如果χc＞0并且χc≠1，则：

75、

76、如果χc＝1，则：

77、

78、如果χc＜0，则：

79、ηc，ls＝1

80、式中，ηc，ls是供冷损耗利用系数，τ是建筑区域的时间常数；

81、计算供暖的能源需求：

82、qh＝qh，ht-ηh，gnqh，gn

83、式中，qh为每月/全年累计耗热量；qh，ht是供暖模式总传热；qh，gn是供暖模式总热增益；ηh，gn是无量纲供暖增益利用系数；

84、计算供冷的能源需求：

85、qc＝qc，gn-ηc，isqc，ht

86、式中，qc为每月/全年累计耗冷量；qc，ht是供冷模式的总热传递；qc，gn是供冷模式的总热增益；ηc，is是热损失的无量纲利用系数；

87、计算全年供暖和供冷总耗电量：

88、e＝eh+ec

89、式中，e为每月/全年供暖和供冷耗电量；ec为每月/全年供冷耗电量；eh为每月/全年供暖耗电量；

90、供冷总耗电量：

91、

92、式中，cop为公共建筑供冷系统综合性能系数；

93、严寒地区和寒冷地区全年供暖耗电量：

94、

95、式中，η1为热源为燃煤锅炉的供暖系统综合效率；q1为标准煤热值；q2为综合发电煤耗；

96、夏热冬暖a区、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区公共建筑全年供暖耗电量：

97、

98、式中，η2为热源为燃气锅炉的供暖系统综合效率；q3为标准天然气热值；为天然气与标煤折算系数；

99、夏热冬暖a区、夏热冬冷和温和地区居住建筑全年供暖耗电量：

100、

101、式中，coph为供暖系统综合性能系数。

102、作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算建筑的碳排放，包括：

103、运行阶段建筑单位面积的碳排放量(cm)按下式计算：

104、

105、

106、式中，cm为运行阶段单位建筑面积碳排放量；ei为建筑能源年消耗量，i表示不同能源种类；efi为能源的碳排放因子；ei,j为第j类系统的第i类能源消耗量；eri,j为第j类系统消耗由可再生能源系统提供的第i类能源量；cp为建筑绿地碳汇系统年减碳量；y为建筑设计寿命；a为建筑面积。

107、本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

108、本发明提供了一种合理考虑建筑构件热惰性、室内外多种影响因素的基于bim数字孪生技术的建筑能耗和碳排放的预测模型及预测方法，通过bim文件获取的房间基本信息与构建好的房间数字孪生模型匹配，进而形成对应关系，在综合考虑建筑能耗多种影响因素的情况下，完成建筑能耗和碳排放的预测计算，提高了建筑能耗和碳排放预测的准确性，借助bim与数字孪生技术实现了建筑能耗和碳排放的自动化智能预测。本发明不但能够进行建筑能耗和碳排放的预测计算，而且提高了建筑能耗和碳排放预测的准确性，具有精确、标准、轻量、可视化、可交互等优点。