CN111797452B - 一种空调系统自动设计框架系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空调系统自动设计框架系统及方法，将建筑空调系统及各设备信息数字化，以实现空调系统设计全过程，包括模型轻量化模块、BIM和建筑能耗模型(BEM)转化模块、自动分区模块、系统选择模块、自动选型模块、系统图生成模块、平面布管模块；基于BIM进行空调系统自动设计，实现空调系统设计中从负荷计算到设备选型再到绘图全部过程的自动化，大大降低空调系统设计的人力成本。在实际工程中如果建筑设计发生改变，BIM模型变化，则可自动完成空调系统设计，避免设计过程中重复工序。
Description
技术领域
本发明涉及暖通空调领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高，空调系统成为现代建筑中不可缺少的组成部分，为人们创造舒适的居住办公环境。传统的空调系统设计过程主要包括负荷计算、确定方案、设备选型、布线排管出图等几个主要步骤。虽然设计流程固定，但是由于建筑的形态各异，结构复杂，不同建筑需要暖通工程师按流程重新进行空调系统设计。工程师必须花费大量的时间在负荷计算、布线排管等重复工作上；而且一旦建筑设计有所改动，空调设计也必须随之更改，整个设计过程需重新进行。
业内有部分软件可以帮助工程师简化负荷计算和图纸绘制两部分操作。随着建筑信息化模型(BIM)的广泛使用，空调系统设计所需信息被高度数字化，已有研究和软件可以实现利用BIM进行负荷计算的功能。但是由于BIM中许多空调设计不需要的信息会干扰负荷计算模型，使工程师在使用现有方法或者软件时需要耗费大量精力在模型调整校验上，因此大部分工程师在实际过程中仍会采用手动计算的方式。而图纸绘制部分的简化更多是管径绘制的简化，仍需工程师在二维图之上手动布置设备并设置设备容量等信息。
另外，现有空调系统设计中有许多问题依赖于工程师经验，如是否应该进行内外分区。经验丰富的工程师会做出合理、节能的设计方案。这使得空调系统设计过程充满了主观性。
因此，目前还没有研究可以实现空调系统设计全过程的自动化。
发明内容
本发明的目的是提供一种空调自动设计框架系统及方法，基于BIM进行空调系统自动设计，实现空调系统设计中从负荷计算到设备选型再到绘图全部过程的自动化，大大降低空调系统设计的人力成本。在实际工程中如果建筑设计发生改变，BIM模型变化，则可自动完成空调系统设计，避免设计过程中重复工序。
需要保护的技术方案一
一种空调自动设计框架系统，其特征在于，将建筑空调系统及各设备信息数字化，以实现空调系统设计全过程，包括
(1)模型轻量化模块，输入为建筑信息模型(BIM)，进行轻量化处理，输出为简化的建筑gbxml和IFC文件；
(2)BIM和建筑能耗模型(BEM)转化模块，将模型轻量化模块输出的建筑gbxml和IFC文件经检验、缺失信息补充转化为建筑能耗模型idf文件；
(3)自动分区模块，对BIM和建筑能耗模型(BEM)转化模块得到的idf文件进行负荷计算并根据负荷特性进行负荷分区划分，输出各房间逐时负荷计算结果以及负荷分区结果，分别提供给自动选型模块进行设备选型，以及系统选择模块进行空调系统选择；
(4)系统选择模块，默认根据负荷分区结果进行系统选择，当有外界干预(可选)时，按照外加干预进行系统设置，输出系统分区结果；
(5)自动选型模块，根据系统选择模块得到的系统分区结果确定空调系统设备，再结合自动分区模块得到的房间负荷计算结果及分区结果进行空调系统各设备选型，输出选型方案；
(6)选型比较分析模块，(可选模块)在系统选择模块出现多个系统方案时，对不同系统得出的设备选型方案进行比较计算，得出最终IFC格式的选型结果；
(7)系统图生成模块，根据IFC格式的选型结果生成空调系统图；
(8)平面布管模块，根据IFC格式的选型结果生成空调系统平面图。
根据IFC格式的选型结果利用现有商业软件即可生成空调系统平面图、空调系统图，实现手段已属于现有技术。
上述八个模块，具体为：
(1)模型轻量化模块：
对BIM中仅保留墙、门窗、地板、楼板、屋顶、房间标记、房间元素以实现建筑轻量化。多余部分，都做过滤删除处理。
(2)BIM和建筑能耗模型(BEM)转化模块：
基于IFC和gbXML两种格式将BIM模型进行BEM转化，转化涉及建筑几何空间信息、房间功能、位置气候信息、围护结构热工参数、作息时刻表、室内得热、防火、防烟分区等八个方面信息，当信息缺失时则根据建筑所处地理位置及相关国家、地区标准规范来补齐以保证所述八个方面信息完整性；对转化后的BEM进行进一步简化处理，包括合并相邻及设计条件相似房间，对高大空间、内外区进行拆分；最后进行模型完整性检查与修正，生成EnergyPlus可以运行的idf文件。
(3)自动分区模块：
计算建筑负荷并计算各房间负荷，根据负荷特性进行负荷分区自动划分；该模块包括以下三个子模块：
1)负荷计算模块，用于计算建筑的逐时负荷；
2)负荷与房间对应计算模块，对于被简化的建筑能耗模型，此模块用于将负荷计算模块计算出的负荷结果与实际建筑各房间一一对应，得出各房间的逐时负荷；
3)自动分区算法模块，根据各房间逐时负荷特性，进行热区自动划分，将负荷特性相近的房间化为同一热区。
(4)系统选择模块：
根据负荷分区结果进行系统选择，包括末端选择和冷热源端选择两部分。当有外界干预时，按照外加干预进行系统设置。当确定系统形式后，结合系统信息对负荷分区结果进行调整，输出系统分区结果，生成空调系统LOOP关系。
(5)自动选型模块：
根据房间负荷和空调系统进行空调系统各设备选型。根据系统LOOP关系确定所涉及设备，根据负荷结合已有公知的相关设计标准，进行设备数目和容量选择，生成基于回路的空调系统设备明细表，基于回路的空调系统设备连接关系表，并将结果写成IFC格式。
(6)选型比较分析模块，此模块为可选模块，当系统选择模块推荐多种系统时，或者外界干预设定多种系统时，提供不同系统性能比较计算功能，包括比较不同系统方案的能耗、初投资、机房占地面积等。(为实施例可选模块，非技术方案必要模块)
(7)系统图生成模块，用于生成空调系统图，包括以下步骤，如图2所示：
S1.对待绘制的图形进行拓扑分层抽象简化；
S2.根据画布大小，进行环路拓扑层次的环路布局，使各环路位置基本符合实际大小、位置情况，且环路之间图像不重合；
S3.根据步骤S2匹配好的各环路布局位置，进行部件拓扑层次的部件布局；
S4.进行部件间以及环路间连线；
S5.自动生成设备标注以及相关图例。
(8)平面布管模块，生成空调系统平面图：
根据建筑平面布局，进行空调系统风管、水管平面自动布管绘图工作。如图3所示，包括：
1)风口布置，根据房间负荷特征确定送、回风口位置；
2)平面风管布管，根据各风口之间的连接关系，进行风管布管，使布管方式符合实际设计、安装需求；
3)平面水管布管：根据分区结果，提供同程、异程两种方式水管布管方法；
4)布管优化及辅助部件生成：根据布管关系进行路线优化，包括绕梁柱、穿墙等方式，并结合具体路径生成辅助部件，包括变径连接、弯头添加以及阀门添加等。
技术方案二
进一步的，一种空调系统自动设计框架实现方法，其特征在于，将建筑空调系统及各设备信息数字化，以实现空调系统设计全过程，包括如下步骤：
(1)模型轻量化步骤
输入为建筑信息模型(BIM)，进行轻量化处理，输出为简化的建筑gbxml和IFC文件；
(2)BIM和建筑能耗模型(BEM)转化步骤
将模型轻量化步骤输出的建筑gbxml和IFC文件经检验、缺失信息补充转化为建筑能耗模型idf文件；
(3)自动分区步骤
对BIM和建筑能耗模型(BEM)转化步骤得到的idf文件进行负荷计算并根据负荷特性进行负荷分区划分，输出各房间逐时负荷计算结果以及负荷分区结果，分别提供给自动选型步骤进行设备选型，以及系统选择步骤进行空调系统选择；
(4)系统选择步骤
默认根据负荷分区结果进行系统选择，当有外界干预(可选)时，按照外加干预进行系统设置，输出系统分区结果；
(5)自动选型步骤
根据系统选择步骤得到的系统分区结果确定空调系统设备，再结合自动分区步骤得到的房间负荷计算结果及分区结果进行空调系统各设备选型，输出选型方案；
(6)选型比较分析步骤(可选步骤)在系统选择出现多个系统方案时，对不同系统得出的设备选型方案进行比较计算，得出最终IFC格式的选型结果；
(7)系统图生成步骤
根据IFC格式的选型结果生成空调系统图；
(8)平面布管步骤
根据IFC格式的选型结果生成空调系统平面图。
本发明的优点和积极效果是：
(1)本发明的框架提供了基于BIM的进行空调系统自动设计系统给及流程，实现空调系统设计中从负荷计算到设备选型再到绘图全部过程的自动化。直接根据建筑BIM模型进行设计，与建筑设计环节紧密相连，减少不同专业之间的沟通交互成本，如果建筑设计有所改动，暖通设计也可以立即自动进行相应的更改，节省了大量的人力时间成本。
(2)本发明通过自动分区模块实现根据负荷特性进行分区设置，可以避免工程师主观因素造成的系统设计不足；
(3)本发明既可以根据负荷结果进行系统分区设置，也可以进行外界人工干预，还可以进行不同空调设计系统方案比选，便于暖通工程师在实际工程中进行使用。设计结果也可以帮助暖通工程师进行经验积累及学习；
(4)本发明的框架将空调系统及各设备数字化，生成的选型结果信息可以被其他模块读取，不仅可以用于系统图和平面图的生成，还可以在BIM中进行三维管道查看。另外，在建筑施工、运维阶段，也可以根据这部分信息进行空调设备管理，充分发挥BIM模型在建筑全生命周期内的作用。
附图说明
图1为本发明实施例的空调系统自动设计框架结构示意图
图2为系统图生成模块的流程示意图
图3为平面布管模块的流程示意图
图4为实施例原始建筑BIM模型以及经模块1轻量化后BIM模型
图5为实施例经模块2转化后得到的idf模型
图6为实施例经模块5生成的设备选型结果(局部)
图7为实施例经模块7生成的水系统图(局部)
图8为实施例经模块8生成的平面管网排布图
八个模块：1为模型轻量化模块、2为BIM和建筑能耗模型(BEM)转化模块、3为自动分区模块、4为系统选择模块、5为自动选型模块、6为选型比较分析模块(可选模块)、7为系统图生成模块、8为平面布管模块。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例为一栋三层办公建筑，该建筑地点位于中国上海市。
图1为本实施例的空调系统自动设计框架结构示意图，其中：
图4-1为实施例建筑BIM模型，包含很多在空调负荷设计中冗余的信息，经过所述模型轻量化模块1处理后得到轻量化后的BIM模型，如图4-2所示。
简化后的BIM模型经所述BIM和建筑能耗模型转化模块2而转化为一种由EnergyPlus能耗模拟软件(该软件是现有开源免费软件，为现有技术)可以运行的idf文件，转化后的模型如图5所示。
所述自动分区模块3包含负荷计算、负荷与房间对应计算、自动分区三个子模块，得到各房间全年8760个小时负荷数据，输出格式为csv文件。
所述系统选择模块4根据负荷特性确定系统形式，本案例为风盘+新风形式，冷热源为风冷热泵。三层楼每层楼一个系统分区，共三个分区。系统回路如表1所示。其中，Loophp表示热泵回路包括热泵、水泵、分集水器等设备；HPHO为风盘系统回路；PMHO为新风系统回路；DIHP、COHP为分别为水管回路和风管回路。
表1系统回路(LOOP)表
| Loophp | HPHO | PMHO | DIHP | COHP |
| Client | FCU | FAU | LQ | GS |
| FCU | FAU | LQ | GS | |
| FCU | FAU | LQ | GS |
所述自动选型模块5根据上述LOOP进行设备选型以及设备间连接关系，并以IFC格式写入，如图6所示。
所述选型比较分析模块6对所选系统进行能耗、占地面积及初投资计算，当系统为多个时进行比较。建筑全年能耗约为312729kWh，冷热源机房面积约为24.63m2。
所述系统图生成模块模块7运行后如图7所示的自动生成水系统图局部。
最后，所述平面布管模块8用于生成管网排布图，如图8所示。
Claims (10)
1.一种空调自动设计框架系统，其特征在于，将建筑空调系统及各设备信息数字化，以实现空调系统设计全过程，包括模型轻量化模块、BIM和建筑能耗模型（BEM）转化模块、自动分区模块、系统选择模块、自动选型模块、系统图生成模块、平面布管模块，其中：
（1）模型轻量化模块，输入为建筑信息模型（BIM），进行轻量化处理，输出为简化的建筑gbxml和IFC文件；
（2）BIM和建筑能耗模型（BEM）转化模块，将模型轻量化模块输出的建筑gbxml和IFC文件经检验、缺失信息补充转化为建筑能耗模型idf文件；
（3）自动分区模块，对BIM和建筑能耗模型（BEM）转化模块得到的idf文件进行负荷计算并根据负荷特性进行负荷分区划分，输出各房间逐时负荷计算结果以及负荷分区结果，分别提供给自动选型模块进行设备选型，以及系统选择模块进行空调系统选择；
（4）系统选择模块，默认根据负荷分区结果进行系统选择，输出系统分区结果；
（5）自动选型模块，根据系统选择模块得到的系统分区结果确定空调系统设备，再结合自动分区模块得到的房间负荷计算结果及分区结果进行空调系统各设备选型，输出选型方案；
（7）系统图生成模块，根据IFC格式的选型结果生成空调系统图；
（8）平面布管模块，根据IFC格式的选型结果生成空调系统平面图。
2.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，还包括选型比较分析模块，当有外界干预时：
所述系统选择模块（4）按照外加干预进行系统设置，输出系统分区结果；
同时，选型比较分析模块（6）在系统选择模块出现多个系统方案时，对不同系统得出的设备选型方案进行比较计算，得出最终IFC格式的选型结果；
当系统选择模块推荐多种系统时，或者外界干预设定多种系统时，提供不同系统性能比较计算功能，包括比较不同系统方案的能耗、初投资、机房占地面积。
3.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（1）模型轻量化模块：对BIM中仅保留墙、门窗、地板、楼板、屋顶、房间标记、房间元素以实现建筑轻量化。
4.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（2）BIM和建筑能耗模型（BEM）转化模块：
基于IFC和gbXML两种格式将BIM模型进行BEM转化，转化涉及建筑几何空间信息、房间功能、位置气候信息、围护结构热工参数、作息时刻表、室内得热、防火、防烟分区八个方面信息，当信息缺失时则根据建筑所处地理位置及相关国家、地区标准规范来补齐以保证所述八个方面信息完整性；对转化后的BEM进行进一步简化处理，包括合并相邻及设计条件相似房间，对高大空间、内外区进行拆分；最后进行模型完整性检查与修正，生成EnergyPlus可以运行的idf文件。
5.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（3）自动分区模块：
计算建筑负荷并计算各房间负荷，根据负荷特性进行负荷分区自动划分；该模块包括以下三个子模块：
1）负荷计算模块，用于计算建筑的逐时负荷；
2）负荷与房间对应计算模块，对于被简化的建筑能耗模型，此模块用于将负荷计算模块计算出的负荷结果与实际建筑各房间一一对应，得出各房间的逐时负荷；
3）自动分区算法模块，根据各房间逐时负荷特性，进行热区自动划分，将负荷特性相近的房间化为同一热区。
6.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（4）系统选择模块：
根据负荷分区结果进行系统选择，包括末端选择和冷热源端选择两部分；
当有外界干预时，按照外加干预进行系统设置；当确定系统形式后，结合系统信息对负荷分区结果进行调整，输出系统分区结果，生成空调系统LOOP关系。
7.如权利要求6所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（5）自动选型模块：
根据房间负荷和空调系统进行空调系统各设备选型；根据系统LOOP关系确定所涉及设备，根据负荷结合已有公知的相关设计标准，进行设备数目和容量选择，生成基于回路的空调系统设备明细表，基于回路的空调系统设备连接关系表，并将结果写成IFC格式。
8.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（7）系统图生成模块：用于生成空调系统图，包括以下步骤：
S1. 对待绘制的图形进行拓扑分层抽象简化；
S2. 根据画布大小，进行环路拓扑层次的环路布局，使各环路位置基本符合实际大小、位置情况，且环路之间图像不重合；
S3. 根据步骤S2匹配好的各环路布局位置，进行部件拓扑层次的部件布局；
S4. 进行部件间以及环路间连线；
S5. 自动生成设备标注以及相关图例。
9.如权利要求1所述的空调自动设计框架系统，其特征在于，（8）平面布管模块，生成空调系统平面图：
根据建筑平面布局，进行空调系统风管、水管平面自动布管绘图工作，包括步骤：
1）风口布置，根据房间负荷特征确定送、回风口位置；
2）平面风管布管，根据各风口之间的连接关系，进行风管布管，使布管方式符合实际设计、安装需求；
3）平面水管布管：根据分区结果，提供同程、异程两种方式水管布管方法；
4）布管优化及辅助部件生成：根据布管关系进行路线优化，包括绕梁柱、穿墙方式，并结合具体路径生成辅助部件，包括变径连接、弯头添加以及阀门添加。
10.一种空调系统自动设计框架实现方法，其特征在于，将建筑空调系统及各设备信息数字化，以实现空调系统设计全过程，包括如下步骤：
（1）模型轻量化步骤
输入为建筑信息模型（BIM），进行轻量化处理，输出为简化的建筑gbxml和IFC文件；
（2）BIM和建筑能耗模型（BEM）转化步骤
将模型轻量化步骤输出的建筑gbxml和IFC文件经检验、缺失信息补充转化为建筑能耗模型idf文件；
（3）自动分区步骤
对BIM和建筑能耗模型（BEM）转化步骤得到的idf文件进行负荷计算并根据负荷特性进行负荷分区划分，输出各房间逐时负荷计算结果以及负荷分区结果，分别提供给自动选型步骤进行设备选型，以及系统选择步骤进行空调系统选择；
（4）系统选择步骤
默认根据负荷分区结果进行系统选择，当有外界干预时，按照外加干预进行系统设置，输出系统分区结果；
（5）自动选型步骤
根据系统选择步骤得到的系统分区结果确定空调系统设备，再结合自动分区步骤得到的房间负荷计算结果及分区结果进行空调系统各设备选型，输出选型方案；
（6）选型比较分析步骤在系统选择出现多个系统方案时，对不同系统得出的设备选型方案进行比较计算，得出最终IFC格式的选型结果；
（7）系统图生成步骤
根据IFC格式的选型结果生成空调系统图；
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根据IFC格式的选型结果生成空调系统平面图。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 广州地区办公建筑空调负荷特性及分布规律探讨;王飞;胡文斌;;科学技术与工程(第23期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN111797452A (zh) | 2020-10-20 |
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