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

31.10.2016

Данная статья перенесена с предыдущей версии портала bim.vc

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

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 оно будет потреблять энергии в процессе эксплуатации.

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.

«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 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%	10	34%	19%
экономия на эксплуатации	экономически выгодных решений применяется в среднем на объекте	повышение энергоэффективности при оптимальном выборе решений	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.

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%	около 4	на 19%	на 17%
оценочные значения отличаются от расчётных и еще больше на объектах с высокой площадью остекления	итераций достаточно для выбора оптимального решения по системам вентиляции и кондиционирования	снижаются инвестиции в системы вентиляции и кондиционирования	повышается качество внутренней среды

BIM — основа для BEM и CFD

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.

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

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

— 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.

— 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.

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

Бесплатная программа с многими возможностями. Давно развивается и имеет много обучающих материалов в интернете.
— 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 курс Энергомоделирование зданий (BEM), доступный бесплатно на платформе bim.vc.
Курс научит работать на основе стандартов «зеленой» сертификации, создавать наборы режимов работы с поддерживаемыми параметрами микроклимата, настраивать нагрузку от людей, освещения и т.д. Также курс поможет настраивать инженерные системы, производить расчеты и выводить результаты.

Также советуем изучить 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.

Примеры материалов

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.

СFD, 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»

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.

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

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

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

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%.

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

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

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»

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:
― через сопла;
― через сопла и приточные решетки;
― 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 к 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»

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:

― проверка проектных решений по вентиляции и кондиционированию;
― выявлены причины дискомфорта и нарушения технологических условий;
― оптимизированы схемы воздухораспределения;
― 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)

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»

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)

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»

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%