BIM + BEM + CFD: как экономить 6 млн. рублей в год на эксплуатации здания

Опыт «БЮРО ТЕХНИКИ» в математическом и энергетическом моделировании внутренних инженерных процессов здания для решения «нерешаемых» задач

76a10c562a62a4b2c7d961a282f1c7af
CFD-модель объекта «Ледовая арена»

* все изображения в данной статье, не имеющие ссылки на источник, предоставлены компанией «БЮРО ТЕХНИКИ»

«БЮРО ТЕХНИКИ» – это инженерная компания, основанная в Санкт-Петербурге в 1991 году. В компании работает свыше 100 сотрудников, а за плечами 76 патентов и полезных моделей, 250 успешных проектов. Основная цель — создавать внутреннюю среду зданий и сооружений высочайшего качества путём математического моделирования под ключ — от первого эскиза и до сдачи уже смонтированной системы. Фирменный слоган «Гармония — дело техники» очень точно отражает идею компании.

«БЮРО ТЕХНИКИ» также является инициатором создания первой российской системы энергоэффективности GREEN ZOOM и специализируется на сертификации проектов по системам энергоэффективности и экологичности LEED, BREEAM и GREEN ZOOM.

Команда Vysotskiy consulting сотрудничает с «БЮРО ТЕХНИКИ» более трех лет. За это время мы создали BIM-систему, решили многочисленные вопросы. Наши специалисты проходили обучение по работе в Revit, посещали тренинги “BIM-менеджер” и “BIM для руководителя”, пользуются онлайн-ресурсами. Мы обмениваемся опытом и подсказываем в сложных BIM-вопросах.

BIM — конструкции здания, но не инженерные процессы

BIM-моделирование совершило революцию в проектировании, предоставив проектировщикам возможность работать с цифровой копией проекта. Однако в «чистом» BIM остаются за кадром энергетические вопросы — модель не отражает информации об энергетических процессах, происходящих внутри здания.

При этом в сложных проектах инженерные системы зачастую работают не так, как нужно (например, поток воздуха из решетки не доходит до рабочей зоны). Из-за энергетически непродуманных, неэффективных систем затраты на эксплуатацию здания за 20-25 лет достигают 70% и более всех вложенных в проект средств.

Оценка энергетических процессов проектируемого объекта на самых ранних стадиях помогает не только сократить затраты на проектирование и строительство, но и сэкономить при дальнейшей эксплуатации. Для решения данной задачи применяются технологии BEM и CFD, о которых расскажем в данной статье.

BEM покажет, сколько энергии потребляет здание

BEM (Building Energy Modeling) – моделирование энергопотребления (или «энергетического баланса») здания. BEM позволяет понять энергоэффективности здания, то есть сколько энергии будет оно потреблять энегрии в процессе эксплуатации.

32d222597a2717f6a8346313aa7434ac
BEM-модель МФК «Слава», офисный корпус 2А Описание проекта см. далее

Во многих западных странах BEM переросло в отдельное инженерное направление и является обязательным этапом процесса проектирования. В России вопрос эффективности использования ресурсов и энергоэффективности строительства только набирает актуальность, поэтому технологией BEM профессионально владеют немного компаний.

valery “Энергетический анализ с BEM и CFD – это инвестиция в проект, которая сэкономила миллионы рублей нашим заказчикам. А с BIM применение этих технологий становится еще более быстрым и эффективным, позволяя прорабатывать несколько вариантов инженерных решений.”
– Кирдеев Валерий Александрович, директор по проектированию «БЮРО ТЕХНИКИ»

Сравнение расходов на энергоресурсы
Сравнение расходов на энергоресурсы для здания площадью 1700 м2

Технология позволяет выделить наименее эффективные с энергетической точки зрения процессы и оптимизировать их. BEM-моделирование является самым современным и точным инженерным инструментом, который позволяет принимать решения по уменьшению сроков и цены реализации строительного проекта и стоимости эксплуатации здания.

Также в «БЮРО ТЕХНИКИ» BEM-моделирование выполняется для сертификации объекта строительства по рейтинговым системам LEED, BREEAM и GREEN ZOOM. Целью данной процедуры является сравнение базовых решений с проектными и выявление энергетической их эффективности.

26%
экономия на эксплуатации
10
экономически выгодных решений применяется в среднем на объекте
34%
повышение энергоэффективности при оптимальном выборе решений
19%
компаний существенно снижают затраты на подключение к сетям-монополистам

CFD – «что происходит с воздушной средой»

CFD (Computational Fluid Dynamics) – это вычислительная гидродинамика, набор методов для определения протекающих процессов тепло- и массообмена в воздушной среде исследуемого объекта. Говоря простым языком – это возможность “предвидения” параметров воздуха (микроклимата) внутри сооружения, понимание того, как будет двигаться воздушная среда.

5f7003397d16537032b8e5a003a8155a
CFD-модель павильона «Дом слона»
Описание проекта см. далее

Погрешность CFD-моделирования составляет всего 3-5%. Это единственный на сегодняшний день инструмент, обладающий сравнимой с натурным экспериментом достоверностью, позволяющим качественно рассмотреть проектируемые решения на их эффективность.

CFD-модель значительно экономит средства и время на обоснование и подтверждение технических решений, а результаты CFD-моделирования могут приниматься органами государственной экспертизы.

на 23%

оценочные значения отличаются от расчётных и еще больше на объектах с высокой площадью остекления


около 4

итераций достаточно для выбора оптимального решения по системам вентиляции и кондиционирования
на 19%
снижаются инвестиции в системы вентиляции и кондиционирования
на 17%
повышается качество внутренней среды


BIM – основа для BEM и CFD

image12
Пример подготовки BIM-модели для BEM-анализа
Изображение предоставлено компанией Autodesk

Первые решения для энергетического моделирования появились свыше 30 лет назад. Долгое время 3D-модель здания проектировалась напрямую в BEM или CFD-среде. Трудоемкий процесс моделирования шел параллельно и дублировал работу архитекторов, занимая существенную часть времени.

Однако с развитием ПО, появлением BIM и универсального BEM-формата данных gbXML (Green Building XML schema) появилась возможность передачи BIM-модели в BEM и CFD приложения.

Это позволило сократить срок подготовки модели в 3-5 раз, то есть освободить до нескольких недель рабочего времени.

Снимок
Основные преимущества gbXML
Источник: http://www.gbxml.org/

Подготовка BIM-модели для BEM- и CFD-расчета состоит из трёх шагов:

  1. BIM-модель обычно содержит избыточное для CFD/BEM количество информации. Поэтому на первом этапе 3D-геометрия здания упрощается и импортируется в BEM/CFD-среду из BIM-программ.
    В энергомоделировании учитываются только поверхности, влияющие на теплообмен (внешние и внутренние ограждающие конструкции, элементы внутренней тепловой инерции, затеняющие элементы здания и окружения.
    Для CFD важны компоненты модели, влияющие на поток воздуха: конечные устройства, основные конструкции здания.

  2. В расчетной программе выполняется задание исходных данных. Для BEM основные данные — это погодный файл, параметры систем, схемы и математические модели оборудования. Для CFD — характеристики воздушного потока, параметры среды и прочие данные. После этого выполняется расчет.

  3. Производится интерпретация результатов расчета, и, при необходимости, обновление модели и повторение цикла.


    BIM-модель сокращает процесс подготовки модели для BEM/CFD расчёта на 70-90%


В чем считать BEM

Существует различное ПО для расчета BEM:

  1. Autodesk Green Building Studio
    Предоставляется бесплатно при наличии лицензии на Autodesk Revit. Отлично подходит для начала знакомства с BEM-направлением

  2. eQuest
    Бесплатная программа с многими возможностями. Давно развивается и имеет много обучающих материалов в интернет.

  3. IES VE PRO (используется в БЮРО ТЕХНИКИ)
    Одно из самых мощных BEM-решений на рынке. Высокая стоимость лицензии ($4600/год) перекрывается количеством инструментов, скоростью работы и качественным результатом.

Для самостоятельного изучения рекомендуем сайт Autodesk Sustainability Workshop, посвященный энергоэффективности, устойчивому развитию и “зеленым технологиям”. На ресурсе есть раздел про решения для зданий и сооружений, с теорией, ПО и примерами.

image15
Примеры материалов на сайте http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/

Сертификация по “зеленым” стандартам

Для официального подтверждения статуса энергоэффективного и экологичного объекта необходимо пройти сертификацию. Под ней подразумевается всесторонняя оценка объекта по ряду ключевых показателей.

Для анализа строится BEM-модель здания и выполняется расчёт. На основе полученных данных зданию присваивается рейтинг энергоэффективности. Он служит гарантом современности и экономичности объекта. Наличие высокого рейтинга повышает привлекательность проекта для инвесторов и потребителей.

CFD, BEM и BIM в «БЮРО ТЕХНИКИ»: реализованные проекты

Компания сэкономила миллионы рублей для своих заказчиков, совместно используя технологии CFD, BEM и BIM. В рамках статьи приведем лишь некоторые из проектов с ключевыми показателями.

BEM: Производственно-складской комплекс
OOO «ВИЛО РУС»


image14
Трёхмерная модель с положением солнца
производственно-складского корпуса ООО «ВИЛО РУС»

Задача:
Энергомоделирование для оценки энергопотребления и последующего повышения энергоэффективности объекта, а также прохождения обязательного кредита EAp2 «Минимальное потребление энергии» и для стремления к выполнению условий кредита EAc2 «Оптимизация энергопотребления» системы LEED.

Результаты:
В результате применения 11 мероприятий удалось добиться 30% эффективности по денежным затратам и снижения энергопотребления на 45%. В денежном исчислении это около 6 миллионов рублей экономии ежегодно.

image17
Годовые расходы на энергоресурсы для базового (исходного) и проектируемого вариантов

image05
Годовое распределение потребляемой энергии
в базовом и проектируемом вариантах, МВт*ч

BEM-модель МФК «Слава», офисный корпус 2А

32d222597a2717f6a8346313aa7434ac
BEM-модель МФК «Слава», офисный корпус 2А

Задача:
Прохождение сертификации по рейтинговой системе LEED, а также для оценки текущего уровня энергоэффективности и экологичности объекта.

Особенности проекта:
Использование возможностей BIM-технологий позволило сократить процесс создания трёхмерной модели здания, оптимизируя тем самым затраченные временные ресурсы на энергомоделирование.

Результаты:
Внедрение в проект решений по повышению энергоэффективности привело к сокращению энергопотребления на 30%, а эксплуатационных затрат ― на 16,6%.

График
Графики расхода тепла на отопление здания в «обычном» и энергоэффективном варианте
Обратите внимание на разные масштабы вертикальной оси


CFD: Дворец спорта «Юбилейный» (Санкт-Петербург)

image13
CFD-модель объекта. Показаны линии тока от сопловых диффузоров и распределение
температур над ледовой площадкой

Задача:
Оптимизация инженерных систем дворца спорта “Юбилейный” перед ЧМ по хоккею в 2016 году.

Особенности проекта:
Для создания модели применялся Autodesk Revit, что позволило подготовить данные для расчета за 3 дня вместо одной — двух недель.

Результаты:
Исследование позволило обеспечить высокое качество микроклимата как на трибунах арены, так и в зоне ледовой площадки. Проведена оптимизация решения по раздаче воздуха над ледовой площадкой при реконструкции стадиона к Чемпионату мира по хоккею 2016.

CFD: «Дом слона»

5f7003397d16537032b8e5a003a8155a
CFD-модель для павильона «Дом слона»

Задача:
Подобрать оптимальный вариант подачи воздуха для одного из проектируемых павильонов зоопарка «Дом слона».

Особенности проекта:
Сложная криволинейная и светопрозрачная конструкция кровли определяет характер течений воздуха внутри павильона, аналитическим способом определить который не представляется возможным.

Используемые инструменты: Autodesk Revit (создание модели объекта и наполнение его инженерными системами), STAR-CCM+ (проведение CFD-моделирования)

Результаты проекта: в рамках исследования на данном объекте было проведено моделирование 3-х вариантов подачи воздуха:
  1. через сопла;
  2. через сопла и приточные решётки;
  3. через сопла с применением вытесняющей вентиляции для второго этажа.
Результаты:
Без CFD работоспособность системы можно было проверить только после монтажа объекта. В случае выбора первых двух систем это привело бы дополнительным затратам на демонтаж существующих решений, проектирование и размещение новых. Применение CFD-моделирования позволило выбрать оптимальный тип инженерной системы ― через сопла с применением вытесняющей вентиляции для второго этажа.

CFD: Стадион «Ледовая арена»

f3ba86865b447aaa9ee3cfceb495423b
Распределение температур воздуха и линии тока от сопловых диффузоров,
обслуживающих ледовую площадку

Задача:
Решение проблемы образования тумана над площадкой во время проведения спортивных мероприятий.

Особенности проекта:
Данная арена вмещает более 22 000 зрителей, что определяет повышенный уровень тепло- и влаговыделений при проведении спортивных мероприятий.

Для создания модели применялся Autodesk Revit, а для CFD-моделирования ― STAR-CCM+.

Выполнены следующие работы:
  1. проверка проектных решений по вентиляции и кондиционированию;
  2. выявлены причины дискомфорта и нарушения технологических условий;
  3. оптимизированы схемы воздухораспределения;
  4. оптимизированы тепло-влажностные параметры на притоке.
Результаты:
Установлено наличие проблем проектных решений в обеспечении требуемых параметров над площадкой, обеспечивающая возможность образования тумана над площадкой во время проведения спортивных мероприятий. По анализу результатов моделирования сформулирован ряд рекомендаций, позволяющих исправить недостатки проекта.

CFD: ЖК «Кремлёвские звёзды» (Санкт-Петербург)

6746fd62c40f71ee212e57ec852919d7
Распределение статического давления по поверхности ограждающих конструкций жилого комплекса «Кремлёвские звёзды»

Задача:
Моделирование обтекания ветром строящегося высотного (~85 метров) жилого здания бизнес-класса при различных направлениях ветра и с учётом окружающей застройки.

Особенности проекта:
Модель здания строилась Autodesk Revit, а CFD расчет производился в STAR-CCM+ / OpenFOAM. Подготовка модели в Revit позволила ускорить процесс исследования в полтора раза — с 1,5 до 1 месяца. Точные данные ветровых нагрузок позволили более качественно провести конструкторские расчёты на этапе проектирования здания.

Результаты:
В результате работ выполнен обязательный расчёт ветровых нагрузок за более короткий срок, нежели экспериментальное исследование. Благодаря исходным данным в BIM-формате не было необходимости в подготовительном этапе моделирования расчётной модели.

Сертификация: Инновационный центр «Сколково»

image11
ИЦ «Сколково», Московская область

Задача:
Сертификация нескольких объектов инновационного центра по системе LEED.

Проведенные работы:
Оптимизация проектных решений, что позволило снизить эксплуатационные затраты на электро- и теплоснабжение на 18%.

Заявленный уровень:
LEED Gold

Сертификация: Жилой комплекс AFD «Плаза» (Казахстан, г. Алматы)

image06
Жилой комплекс AFD «Плаза»

Задача:
Современный жилой комплекс; проходит сертификацию по системе BREEAM.

Проведенные работы:
Оптимизация проектных решений, что позволило снизить эксплуатационные затраты на электро- и теплоснабжение на 29%.

Заявленный уровень:
Excellent.

Сертификация: Конгрессно-выставочный центр «ЭКСПОФОРУМ»

image01
Конгрессно-выставочный центр «ЭКСПОФОРУМ»

Задача:
Сертификация по системе GREEN ZOOM была пройдена в 2016 году.

Проведенные работы:
Оптимизация проектных решений, что позволило снизить эксплуатационные затраты на электро- и теплоснабжение на 32,8%.

Уровень сертификации:
Серебряный, 47 баллов.

BIM + BEM + CFD = «инженерная гарантия качества» проекта

Сегодня BEM и CFD — самый точный инженерный инструмент проверки работоспособности и эффективности проектируемой системы, а также снижения затрат на эксплуатацию здания.

Опыт «БЮРО ТЕХНИКИ» демонстрирует, что эти технологии моделирования позволяют выработать гарантированно эффективные инженерные решения, которые невозможно рассчитать традиционными методами проектирования.

Применяемые в проектах технологии BEM и CFD-моделирования позволяют повышать качество и финансовую отдачу проектных решений и делают процесс проектирования более автоматизированным.

В среднем, экономический эффект от применения технологий моделирования позволил «БЮРО ТЕХНИКИ» сократить затраты объекта на электро- и теплоснабжение на 20-40%, что составляет 10-30% от общей стоимости эксплуатации здания.

Благодаря интеграции BIM-модели со средами BEM и CFD-моделирования, в проектах значительно сократилось время на проектирование энергетической модели и увеличилась точность инженерных расчетов.


BEM и CFD сокращают затраты на эксплуатацию на 10-30%


Контакты

Если вы хотите применить BEM и CFD в своем проекте ― обращайтесь в «БЮРО ТЕХНИКИ»:

БЮРО ТЕХНИКИ
Инженерная компания


www.bt-comfort.ru
www.greenzoom.ru
+7 812 777-79-79
info@bt-comfort.ru

Если есть желание поделиться опытом применения современных технологий или интересны новые статьи на эту тему ― пишите нам в Vysotskiy consulting:

Vysotskiy consulting www.bim.vc
Обучение и внедрение +7 911 826-98-94
BIM-технологий contact@bim.vc