СТРОИТЕЛЬНОЕ ИНФОРМАЦИОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК: 332.1

DO110.46920/2409-5516_2021_12166_70

Строительное информационно-энергетическое моделирование

Building information-energy modeling

Галина ДРОЗДОВА BIM-Координатор, бакалавр кафедры Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Galina DROZDOVA

BIM-Coordinator, Bachelor of the Department of Information Systems, Technologies and Automation in Construction, MGSU e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

СЧ

о

СЧ

IQ IQ

<

о

СЦ <

Софья ЕРШОВА Специалист 2 разряда отдела «Строительство промышленных объектов и объектов инфраструктуры» Департамента ПГС Минстрой России, магистрант кафедры Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Валерия НИКОЛАЕВА Магистрант кафедры Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Любовь ШИЛОВА

Доцент кафедры Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ к. т. н. e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Sofia ERSHOVA

Specialist of the 2nd category of the department «Construction of industrial facilities and infrastructure facilities» of the Department of PGS of the Ministry of Construction of Russia, master's student of the Department of Information Systems, Technologies and Automation in Construction of MGSU e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Valeria NIKOLAEVA

Master's student of the Department of Information Systems, Technologies and Automation in Construction of MGSU e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Lyubov SHILOVA

Associate Professor of the Department of Information Systems, Technologies and Automation in Construction of MGSU, Ph.D. e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Аннотация. В работе представлен обзор актуальных проблем и вопросов в части использования технологий информационно-энергетического моделирования. На практическом примере проиллюстрировано использование технологии энергетического моделирования зданий совместно с технологиями информационного моделирования. Отмечено, что в зависимости от квалификации специалиста формирование отчета по оценке энергоэффективности здания любой сложности занимает в программе от нескольких дней до нескольких часов, что подтверждает эффективность ее использования. Кроме того, использование специализированного программного обеспечения позволяет автоматизировать процесс получения энергетического паспорта здания, что позволит предположить класс энергосбережения здания и, при необходимости, получить раздел «Энергоэффективность» для согласования проектной документации в экспертизе.

Ключевые слова: технологии информационного моделирования, моделирование энергопотребления строительного объекта, Индустрия 4.0.

Abstract. The paper presents an overview of problems in terms of the use of information-energy modeling technologies. A practical example illustrated the interconnection of building energy modeling with building information modeling. It is noted that, depending on the gualifications of a specialist, the formation of a report on the assessment of the energy efficiency of a building of any complexity in the program takes from several days to several hours, which confirms the effectiveness of its use. In addition, the use of specialized software makes it possible to automate the process of obtaining an energy passport for a building, which will allow us to assume a class of energy saving for a building and, if necessary, obtain a section «Energy efficiency» for approval in the examination of design documentation.

Keywords: building information modeling, building energymodeling, Industry4.0.

It

Комплекс мероприятий для повышения энергоэффективности зданий можно разработать с применением энергетического моделирования

Введение

Сегодня фокус общественного внимания направлен на обеспечение безопасности и благоприятных условий жизнедеятельности человека, ограничение негативного воздействия хозяйственной или иной деятельности на окружающую среду и обеспечение охраны и рационального использования природных ресурсов в инте-

ресах настоящего и будущего поколений. Такой подход заложен в концепцию устойчивого развития, которая включает в себя 17 целей и обеспечивает сбалансированность трех компонентов: экономического, социального и экологического.

Одной из ключевых задач данной концепции является обеспечение открытости, безопасности, жизнестойкости и устойчивости городов и населенных пунктов. В этой связи много внимания уделяется разработке мероприятий, направленных на сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу.

В строительной отрасли в целях обеспечения системы мониторинга расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию зданием принято решение о необходимости разработки энергетического паспорта проекта здания, который подразумевает установление соответствия теплозащитных и энергетических характеристик здания нормируемым показателям, определенным в действующих нормах и (или) требованиям энергетической эффективности объектов капитального строительства, определяемых федеральным законодательством.

сч о сч

ю ю

<

о

к <

сч о сч

ю ю

<

о

СЦ <

Комплекс мероприятий для повышения энергоэффективности зданий можно разработать с применением энергетического моделирования, которое используется также для оценки энергетической и финансовой эффективности конструктивных решений на этапе проектирования объектов капительного строительства (ОКС). В России данный подход считается относительно новым, однако в Европе и США это направление развивается достаточно давно, что подтверждается значительным ростом числа публикаций по этой тематике. За рубежом энергетическое моделирование стро-

В строительстве в целях обеспечения мониторинга расхода тепла на отопление и вентиляцию зданием принято решение о необходимости разработки энергетического паспорта проекта здания

ительных объектов переросло в отдельное инженерное направление, являющееся обязательным этапом проектирования. В России исследования в этом направлении находятся в стадии становления, так как для отечественных специалистов оно пока является довольно новым. С помощью би-блиометрической программы VOSviewerTM можно визуально представить направления в области энергетического моделирования, вызывавшие наибольший интерес на основе анализа выборки научных публикаций за прошедший год. Энергомоделирование связано с рядом технологий Индустрии 4.0 - четвертой промышленной революцией и включает в себя собирательные понятия таких технологий, как технологии информационного моделирования зданий, интернет вещей, виртуальная и дополненная реальность, 3D-печать, печатная электроника, искусственный интеллект и пр. [1]

Мы исследуем взаимосвязь моделирования энергопотребления ОКС и технологий информационного моделирования, как новое перспективное направление «Информационно-энергетическое моделирование» в области создания информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве.

Информационное моделирование объектов капитального строительства

Информационное моделирование здания (Building informational modelling (BIM) предполагает сбор и комплексную обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, финансовой и иной информации об объекте со всеми её взаимосвязями и зависимостями. [2] Технология охватывает все этапы жизненного цикла сооружения: от планирования,составления технического задания, проектирования и анализа, до выдачи рабочей документации, строительства, эксплуатации, ремонта и демонтажа.

Понятие информационной модели здания впервые появилось в 1975 году в журнале Американского института архитекторов (AIА) и носило название Building Description System (система описания здания). Позднее в Соединенных Штатах стал использоваться еще один термин - Building Product Model (строительная модель продукта), а в Европе - Product Information Model (информационная модель продукта). Несмотря на то, что эти термины были ориентированы больше на объект проек-

Информационное моделирование здания предполагает сбор и обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, финансовой информации об объекте

тирования, нежели на сам процесс, они напрямую отображают тот смысл, который сегодня заложен в процесс использования технологии информационного моделирования. Привычный нам термин Building Information Modeling был введен Р. Эйши в 1986 году. Ученым сформулированы основные принципы информационного моделирования, основанные на идее автоматизации всех этапов проектирования объектов капитального строительства и связей между ними [3].

Технологии информационного моделирования обеспечивают эффективное управление данными во время выполнения про-

<

CL

©

<

CL ©

Ученым сформулированы основные принципы информационного моделирования, основанные на идее автоматизации всех этапов проектирования объектов капитального строительства и связей между ними

екта на различных этапах его жизненного цикла. Безусловным преимуществом технологий информационного моделирования является возможность проверки и оценки различных конструктивных решений объекта до начала строительных работ, что позволяет значительно сократить возможные финансовые и временные потери.

В то же время необходимо отметить, что сегодня выделяют несколько уровней зрелости технологий информационного моделирования. Модель Бью-Ричардса, представленная на рис. 1, различает несколько уровней развития В1М-технологий.

Проведенный в [4] анализ ПО, подтвердил, что в настоящее время ни одно из решений не может оказывать полную поддержку объекта на стадии эксплуатации. Все это, безусловно, является стимулом для реализации новых исследований и создания новых решений в рассматриваемой области.

Моделирование энергопотребления объектов капитального строительства

Оценить энергоэффективность здания позволяет Building Energy Modeling (BEM) -моделирование энергопотребления строительного объекта, его энергетического баланса.

Для планирования энергопотребления здания необходима математическая модель, которая должна содержать архитектурную модель, связанную с инженерными системами здания. Такая взаимосвязь заложена в алгоритме расчета специализированного программного обеспечения, основанного на физике процессов. Энергетическая модель здания позволяет проанализировать ресурсопотребление объекта капитального строительства с учетом пиковых нагрузок и позволяет оценить:

Рис. 1. Уровни зрелости технологий информационного моделирования

Источник: [5]

Уровень 0 Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3

2D 3D BIM ZT 1 iBIM 2 * ф X 0>

CAD с ю го а с >

Отри совка обьектов Создание моделей, совместная работа над объектом, информационная лодержка

BS 1192:2007 BS 1192:2 BS 1192:3 IFC

BS 7000:4 САРЕХ ОРЕХ ЮМ

BS 85412 BS 8541:1:3:4 IFD

<

а.

©

Современный умный дом

Источник: houseclever.ru

энергопотребление и выбросы углерода зданием с разной периодичностью (в течение года, по месяцам, дням и часам);

термические характеристики (расчет отопительных и холодильных нагрузок, анализ тепловыделения, оборудования и пр.); инсоляцию и пр.

Преимуществом технологий информационного моделирования является возможность проверки различных конструктивных решений до начала строительства, что позволяет значительно сократить потери

Достоверность энергетических моделей заключается в том, что при ее разработке учитывается геометрия объекта, технические характеристики конструктива здания, инженерных решений, местоположения объекта, его ориентации, климатических условий эксплуатации объекта и даже количества людей, находящихся в нем.

Результаты применения технологии информационно-энергетического моделирования

В представленном исследовании технологии информационного и энергетического моделирования (с использованием ПО АгсЫСас!) применены для оценки энергоэффективности железобетонной одноэтажной постройки, которая в последствии может быть использована как самостоятельно, так и в составе малоэтажной или многоэтажной застройки.

сч о сч

ю ю

<

о

к <

а

На первом этапе была создана модель проектируемого здания: прорисованы конструкции, составляющие корпус здания, и оконные проемы, а также основные внутренние конструкции, образующие существенную теплоаккумулирующую массу (рис. 2, а), затем были внесены параметры окружающей среды: расположение, климат и др. По итогам ввода всех необходимых параметров можно создать энергетическую модель объекта (рис. 2, б).

Далее с использованием встроенной надстройки в ПО формируется отчет по оценке энергетической эффективности проектируемого объекта с заложенными ранее параметрами и характеристиками. Расчетные значения исследуемого объекта по б ключевым показателям представлены на рисунках ниже (рис. 3, а, б, в).

При этом, закладывая большее количество параметров в проектируемый объект, можно получить более детальный и достоверный результат по ОКС.

Выводы

Информационно-энергетическое моделирование ОКС является перспективной технологией, которая позволяет разработать комплекс мероприятий для повышения энергоэффективности зданий. Технологии информационного моделирования позволяют создавать конструктивные модели для проведения расчета энергопотребления объектов капитального строительства.

Для оценки энергоэффективности здания в представленной работе использовалась встроенная вАгсЫСАО надстройка

Рис. 3. Отчет по оценке энергетической эффективности проектируемого объекта по б ключевым показателям (а - ключевые значения энергопотребления источниками; б - энергопотребление целей; в -энергобаланс, термоблоки и воздействие на окружающую среду)

а Оценка энергетической эффективности

[Номер Проекта] [Наименование Проекта]

Ключевые Значения

Общие Проектные Данные

Наименование Проекта: Расположение Города: Широта: Долгота:

Высота над Ур. Моря: Климатические Данные: Дата Оценки:

Геометрия Здания

Общая Площадь Пола: Измеренная Площадь Пола: Площадь Оболочки: Вентилируемый Объем: Коэффициент Остекления:

Параметры Оболочки Здания

Инфильтрация при 50 Па:

55° 45' 0" С 37° 35' 0" В 0,00 м

Я115_М...С.ер\л/ 05.04.2021 21:42

2666,37 м2

2396,01 м2

2351,14 м2

5989,91 м3

4 %

1,85

1/час

Потребление энергии источниками

Коэффициенты

Среднее по Оболочке: Этажи:

Наружная Часть: Подземная Часть: Проемы:

и-значение 17,01

1,55-4,92 3,51 -25,00

2,11 -3,23

[Вт/м2К]

Удельные годовые значения

Чистая Энергия 0,00

Чистая Энергия 0,00

Суммарная Чистая 0,00

Потребитель: 12,22

Расход Топлива: 12,22

Первичная Энергия: 36,65

Стоимость Топлива: —

Выделение С02: 2,64

Градусо-сутки

Отопление (ГСОП): 7029,33 Охлаждение (ГСОхлП): 798,55

кВт.ч/м2год

кВт.ч/м2год

кВт.ч/мггод

кВт.ч/м2год

кВт.ч/м2год

кВт.ч/м2год

РУБ/м2год

кг/м2год

Тип Источника Энергия Имя Источника Количество кВт.ч/год Основная кВт.ч/год Цена РУБ/год Выделение С02 кг/год

Дополнительная Ц Н Электричество 29 87 - 6322

Итог: 29 87 Недоступно 6322

Энергопотребление Целей

Энергия С02

Наименование Цели Количество Основная Цена Выделение

кВт.ч/год кВт.ч/год РУБ/год кг/год

В Отопление 0 0 0 0

■ Охлаждение 0 0 0 0

В Горячее Водоснабжение 0 0 0 0

■ Вентиляторы 0 0 0 0

■ Освещение и Приборы 29 87 0 6322

Итог: 29 87 нп 6322

оценки энергоэффективности. Точные динамические расчеты позволяет осуществлять поддержка множества термоблоков. При этом, геометрию термоблоков энергетической модели здания (BEM) можно создавать и визуализировать прямо из информационной модели здания (BIM) ArchiCAD.

Для определения интенсивности почасового солнечного облучения остекления каждого наружного проема на протяжении всего года с учетом затенения от наружных факторов (окружающих зданий, деревьев

и т. п.) и устройств солнцезащиты можно использовать «солнечный анализ», встроенный в программу.

В зависимости от квалификации специалиста, формирование отчета по оценке энергоэффективности здания любой сложности занимает в программе от нескольких дней до нескольких часов, что подтверждает эффективность ее использования.

Кроме того, использование специализированного программного обеспечения позволяет автоматизировать процесс по-

в

б

лучения энергетического паспорта здания, что позволит предположить класс энергосбережения здания и, при необходимости,

получить раздел «Энергоэффективность» для согласования в экспертизе проектной документации.

Использованные источники

7. ГшзбургA.B., АдамцевичЛ.А., АдамцевичА.О. Строительная отрасль и концепция «Индустрия 4.0»: обзор // Вестник МГСУ. №7, 2021. Т. 76. С. 885-912.

2. Что такое BIM//autodesk.ru [Электронный ресурс]. - Режим flocTyna:https://www.autodesk.ru/solutions/bim

3. Оверченко В.А., Лужнев А.Ю., Томаев Г.Т., Родионов И.А. Разработка алгоритма передачи данных из информаци-

онной модели службам производственно-технического отдела // Точная наука. №27; 2018.С.51-54.

4. GinzburgA., Shilova L, Adamtsevich A., Shilov L. Implementation ofBIM-technologles In Russian construction Industry according to the International experience // Journal of Applied Engineering Science. 7 4(4), 2016.P. 457-460.