Wednesday, March 13, 2019

Что нужно понять о BEM: инструмент энергомоделирования в работе архитектора. Обзор опыта магистерского исследования на базе EcoDesigner STAR для ARCHICAD

Источник
Как не ограничиться рисованием стрелочек на красивых схемах в проектировании «зелёной архитектуры»? В заметке я попробую рассмотреть полезные приемы в изучении энергомоделирования и в конце задам вопросы – их у меня вагон и маленькая тележка!

Для начала рекомендую ознакомиться с этими материалами:
  1. Мягков М.С., Алексеева Л.И. Архитектурная климатография : учеб. пособие— М. : ИНФРА-М, 2018. — 363 с. — (Высшее образование: Бакалавриат)
  2. Герасимов Н.А. Моделирование энергопотребления зданий - краеугольный камень зеленого проектирования для инженеров // Энергосбережение. - 2014. - № 4. - С. 28-33.
  3. Блог Николая Герасимова про BEM
  4. Отличный ресурс Autodesk Sustainable Design
  5. Лукомский А. Технологии проектирования энергоэффективных зданий. Первичный анализ и энергомоделирование. Видеозапись онлайн-лекции Антона Лукомского, главного архитектора компании «Сити-Арх». [Электронный ресурс]: URL: https://youtu.be/6_WxPamCQGk (дата обращения: 12.03.2017)
  6. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий
  7. СП 131.13330.2012 Строительная климатология
Пока я готовил текст, в очередной раз стало ясно, что простых рецептов не будет, а тема настолько обширна, что не поместится в рамки одной публикации. Все конкретные инструкции и видеоуроки будут рассматриваться в следующих постах.

Введение

Теперь вопросы экологии и экономии энергии заботят не только иностранных архитекторов, но и наших государственных чиновников. В текущих условиях для начинающего практика будет плюсом к резюме понимание sustainability (перевод за вами) и её/его традиционного компонента – теплотехники. Программное обеспечение выступает здесь трёхмерным интерактивным калькулятором, который поможет представить физические процессы и выйти на новый уровень.

Итак, осенью 2016 года вместе с магистранткой МАрхИ Мариной Николаевой мне пришлось искать ответы на вопросы об энергоэффективной архитектуре частного дома. При выборе аспекта исследования мы остановились на том самом "редком звере" – энергомоделировании. Выдержки и изображения из диссертации Марины приведены ниже.

Постепенно оформился объект исследования: загородный дом в прибрежном районе Сочи и деревянный каркас как конструктивное решение (экологичность утилизации, заводское изготовление, возобновляемый ресурс). Эти две характеристики усложняли задачу, так как субтропики и каркасные конструкции не слишком хорошо вписываются в типовую ситуацию энергомоделирования при помощи BIM какого-нибудь дома в Центральной или Северной Европе. Напомню, что без аддонов Revit и ARCHICAD создавать каркасные дома – трудоемкая история.

Сам EcoDesigner для ARCHICAD присутствует в двух вариантах: базовая версия Energy Evaluation и более продвинутая, уже платная версия EcoDesigner STAR. Для последнего есть детальные материалы от GRAPHISOFT, где рассмотрено множество технических нюансов: плейлист на YouTube и мануал на 400 страниц. Импульс к освоению задали выступление Антона Лукомского на BIM-интенсиве в МАРШ и последовавший за ним вебинар.

Несмотря на общение со специалистами и постоянное штудирование инструкций и статей, вопросов осталось очень много, список основных я привел в конце заметки. Параллельно разрабатывается набор упражнений для студентов, где обкатываются новые подходы. Хочется добавить, что при самостоятельном изучении важно заручиться консультациями профессионалов.

Теперь же перейдём к ключевым шагам.

Теория и единицы измерения

Лично мне не удалось за один раз осознать физический смысл теплотехнических явлений, свободно оперировать кВт*ч, (м²*˚С)/Вт, КЕО и так далее. До сих пор есть пробелы в понимании, особенно если добавить к этому отличия зарубежной практики от наших нормативов. Но понять просто необходимо!

Инженерные системы

Вдохновитесь современными достижениями инженерной мысли и смело погружайтесь в изучение отопительных приборов, вентиляции и кондиционеров. YouTube помогает в деталях и в разных форматах подачи разобраться в предмете. В самих расчётах следует работать с инженерными системами минимально.

Проектные решения согласно климату 

Микроклиматический анализ территории сам по себе довольно сложен. Однако можно оснаститься научной литературой, пособиями, программным обеспечением и прийти к логичным выводам. Особенно полезно ознакомиться с традиционной архитектурой места.

Основа для дальнейшего моделирования – погодные данные – есть далеко не для всех городов РФ, и это серьёзный барьер на старте. Данные с серверов Strusoft в ARCHICAD несколько усредненные, и их нельзя сразу же применять в других программах.

Полезное и бесплатное приложение – это Climate Consultant, которое предоставляет по выбранной территории и соответствующему погодному файлу список решений (архитектурных, инженерных, конструктивных) для поддержания комфортного микроклимата на участке и внутри здания. 

На итоговых отчетах удобно ограничить период расчёта и выбрать приоритетный отрезок времени – в нашем случае, это были "курортные" месяцы июль и август. 


Приложение выдаст набор рекомендаций в виде наглядных комиксов. Нельзя сказать, что решения будут идеальными, но на этапе энергомоделирования стоит понимать в теории, что для вашего климата хорошо, а что плохо.


При анализе климата советую попробовать сравнить архитектуру схожих климатических типов из разных уголков света. Именно отсутствие климатического файла по Сочи в начале работы вынудило искать схожий тип климата среди доступных погодных данных. А вот что у нас получилось при сравнении Абхазии и Австралии!

В РФ принята классификация климата по Алисову, но я использовал карту по Кёппену (кстати, учёный также из России).

ГИС и геоданные позволяют детальнее проанализировать рельеф территории –например, мы можем оценить затенение или экспозицию участка на опредёленные периоды года по 3D-модели в InfraWorks или даже SketchUp. Инструменты могут быть любые, главное, иметь на руках данные.



На этом шаге необходимо определить показатель энергоэффективности по СП 50.13330.2012 "Тепловая защита зданий" для вашего климата, выраженный в киловатт-часах на кв.м. в год, чтобы было с чем сравнить результаты расчёта! Можно ориентироваться на наши нормативы, можно на западные. 

Моделирование без лишних деталей. BIM и BEM 

Создать модель для расчётов – нелёгкая задача, так как нужно уметь отбрасывать лишние детали. Расчёт в EcoDesigner STAR основывается на помещениях (Zones), и эти помещения для расчёта могут отличаться от тех, которые используются для ТЭП. Например, многосветный атриум следует делить на то количество этажей, которое его пересекает. Окна между помещениями вызовут проблемы. Подробнее о способах моделирования стоит посмотреть в справочниках по EcoDesigner.
Метод, к которому мы пришли, заключается в отказе от многослойных конструкций. Тем более автоматическое вычисление теплотехнической характеристики не будет учитывать физически смоделированные элементы каркасной стены. 

Модель на этом шаге должна быть простой и удобной для того, чтобы легко тестировать разные варианты. Коэффициент сопротивления теплопередаче (мы работали с обратной величиной – т.н. U-value) переопределялся вручную, а тепловую защиту мы считали при помощи сервиса smartcalc.ru.


В случае поиска ориентации здания лучше поворачивать север проекта, а не сами объекты ARCHICAD.

Сравнительный анализ, а не абсолютные показатели 

Нам очень помогла статья Why Energy Models are Poor Predictors of Energy Use … And What You Can Do About It, из которой стало ясно, что надо снизить ожидания от точности расчёта и сфокусироваться на анализе чувствительности.
Такой подход в сравнении вариантов в относительных величинах смягчает ошибки в процессе оценки и позволяет найти зависимости.







Инженерные системы в режиме определения нагрузок: задаем системы, чтобы получить по ним сами затраты (или нагрузку на оборудование, но это уже для инженеров), но в детальную настройку не углубляемся.

Вывод: моделирование и расчёт по-прежнему остаются "чёрными ящиками", постоянно требуется участие специалиста.

Что удобно анализировать в EcoDesigner STAR?

Наиболее простые и понятные переменные при анализа влияния на энергозатраты:
  1. Коэффициент сопротивления теплопередаче оболочки здания (стены, окна, кровля, фундамент)
  2. Наличие и форма солнцезащиты (затенение летом и теплопоступления зимой)
  3. Размер и ориентация световых проемов (затем можно делать расчёты КЕО в другом ПО)
  4. Тип климата - в качестве эксперимента
Инженерные системы и профили помещений - область со множеством нюансов, поэтому их лучше оставить неизменными. Исключение, где стоит попробовать изменить систему: вентиляция с рекуперацией тепла дает значительное снижение затрат на отопление.

Разностороннее применение BIM-проекта

В конце работы наметилось гипотетическое направление развития удобных сервисов на базе BIM-данных и вычислений - ведь повсеместно доступны мобильные приложения для автоматизации управления и мониторинга отопления, освещения и других инженерных систем частного дома (например, DEVIreg от Danfoss).  




BIM-проект, с одной стороны, дает подробную базу данных материалов и оборудования, с другой стороны, является основой для BEM-модели. В режиме почти реального времени мы можем смотреть, как скоро окупится дополнительный слой утеплителя или дорогое окно с высоким коэффициентом сопротивления теплопередаче.

Отсюда недалеко до систем мониторинга машины, которые используют как автопроизводители, так и сами потребители. В дополнение к теме приведу заметку о Social BIM.

Алгоритм и самый главный совет

Совет банален: ищите возможность пожить и понаблюдать за зданием и его микроклиматом в разное время суток и разную погоду, вооружитесь необходимыми измерительными приборами, литературой и терпением. Положительный результат гарантирован. 
А этапы процесса мы оформили в такую незатейливую схему:

Финальные материалы диссертации доступны по ссылке.

В чем не разобрались:

  1. Операционные профили для жилья. По умолчанию в программе для жилого помещения отсутствует ограничение на минимальные и максимальные значения температуры ночью. Что для наших зим не может быть справедливо.
  2. Показатели энергоэффективности по СП-50 с учётом различных типов климата. В зарубежных материалах затраты на отопление часто приводятся для климата Центральной Европы. У нас получилось вычислить по СП для Сочи нормируемые затраты 45 квт*ч на кв.м. в год, и мы так и не смогли добиться более низких значений! К тому же для Сочи труднее охлаждать помещение летом, а не нагревать его зимой.
  3. Показатели коэффициентов теплоотдачи поверхностей и кратности воздухообмена. По умолчанию в EcoDesigner стоит 1 крат в час для любого типа вентиляции, что приводит значительным затратам на отопление.
  4. Безусловно, хотелось бы сравнить расчёты в EcoDesigner STAR с СП, PHPP или IES-VE.

Отдельно по ARCHICAD:

До сих пор недостаточно материалов для создания понятной студенту методики, адаптированной под наши стандарты. Очень подробные инструкции и видео по EcoDesigner не проясняют картину.

При большом количестве сильных сторон, ARCHICAD и EcoDesigner не предоставляют наглядного интерфейса с точки зрения образовательного процесса. Это удобнее, чем заточенный под американских проектировщиков Insight 360 в "облаке", но проблема "чёрного ящика" остаётся. Студенту важно ухватить закономерности и распознать отдельные эффекты от того или иного шага, а в итоге эти закономерности довольно трудно извлекать из сухих отчётов.

Иногда кажется, что сама механика программы "не понимает" физическое явление, и тут начинаешь остро нуждаться в консультациях разработчика. В самой модели никакой визуализации результатов расчётов нет, а более продвинутая версия STAR недоступна в академической версии ARCHICAD, что крайне неудобно.

Технические детали, которые смутили: теплопоступления от солнца с учётом затенения от объектов вокруг считаются только для светопрозрачных элементов. Для стен придется выставлять степень затенения по румбам вручную. Влияние ветра на энергозатраты я не обнаружил.

В остальном, работать с этими инструментами комфортно, если знать их ограничения.

Позитивный опыт

Несмотря на множество проблем исследования и общую поправку на то, что занимались этим архитекторы, а не инженеры, опыт оказался полезным:
  1. Определили способы оценки климата и подбора проектных решений с применением ПО
  2. Нашли варианты несложных для архитектора (в том числе и студента) расчётов энергозатрат по BEM
  3. Определили вопросы по методикам расчёта в РФ и на Западе
  4. Сформулировали недочёты ПО (далеко не все)
  5. Нужно развивать тему дальше, она стоит того!

Особая благодарность:

Российскому офису GRAPHISOFT, любезно представившему лицензию ARCHICAD 21 + EcoDesigner STAR

Экспертам, помогавшим разбираться в том, что сам бы никогда не осилил: Антону Лукомскому (Сити-Арх), Милану Стаменковичу (МАрхИ), Николаю Герасимову (Plandata), Сергею Жуковскому (Бюро Экосевен), Алексею Рябову (МАрхИ), Нине Шониной (МАрхИ, ABOK). И.А. Карлсону и Л.В.Савельевой, которые выступили научными консультантами. И, конечно, руководству УНЦ АКТ!

No comments:

Post a Comment