TWM540341U - 綠建築效能模擬分析系統 - Google Patents

Description

綠建築效能模擬分析系統

本創作係關於一種綠建築模擬分析系統，尤指一種可因應在地化的氣候條件，具有節能與減碳設計的最適化決策方法的綠建築效能模擬分析系統。

建築模擬之目的在於對所提供的建築設計或資訊進行分析，並藉由建築模擬結果再進一步修改設計或計畫，因此建築前置作業流程將在經過資訊收集、模擬和分析三者不斷地循環後，得到合議結果才能夠進行後續相關作業。而資訊收集、模擬和分析三者通常分屬三個不同的處理系統，導致產生大量的重覆建立模型和設定參數的作業時間，缺乏效率。

以現有技術來說，在資訊收集的部分將依據計畫或設計目的不同而選擇上有所差異，建築模擬的部分則以建築資訊模型(Building information modeling,BIM)為主，將建築資訊、參數、時間等資料納入3D模型元件內，與過去以平面為基礎的電腦輔助建築設計(Computer Aided Architectural Design,CAAD)相比較，其差異性包括(1)從平面2D線性思考模式改變為3D立體化視覺模擬到4D時間管理，(2)從圖紙作業到數位資訊管理，(3)從靜態單一操作到動態連結。而分析部分則以建築效能分析(Building performance analysis,BPA)為主，以電腦軟體來預測建築性能，並輸出、可 視化的仿真圖像、數據、統計分析圖與表單，提供了建築性能視覺化與數據化的分析結果，以協助使用者理解其設計方案性能的運行，並藉以作為設計決策或者作為持續優化設計方案的依據。據統計，市面上多種的BIM系統以及約350種以上的BPA分析系統，使得BIM和各種BPA之間的溝通和訊息傳遞困難，因此軟體工具間的選擇與整合就顯得極為重要。

然而，在氣候環境劇變與全球能源危機情勢下，如何應用BIM工具以得到更具備環境效益的建築設計，成為近年來建築與營建相關產業指標性的議題。於是，衍生出綠色的建築資訊模型(Green BIM)，強調BIM與BPA軟體技術的結合，進行整合性設計，以促進建築設計、分析、合理的決策循環，進而獲得更具備環境效益的優化發展。但是，綠色的建築資訊模型(Green BIM)執行並非易事，具有下列困難需克服：一、軟體工具的選擇與整合；二、整合性設計程序與優化條件的建立；以及三、過去區域性氣象資料取得不易。

故為解決上述問題，本創作提供一綠建築效能模擬分析系統包含：一輸入裝置，設置有一處理器；一建模模組，與該處理器相連接，產生一量體模型；一資料庫，包含一氣象數據資料庫以及一地理環境資料庫，與該建模模組無線或有線相連接；一效能分析模組，與該處理器以及該建模模組相連接，用以產生一能源分析模型；以及一節能計算模組，用以產生一可視化分析以及計算一優化性能百分比，與該建模模組、該效能分析模組以及該處理器相連接。

其中，該建模模組以建築資訊模型(Building Information Modeling,BIM)為基礎，主要包含幾何、物理和拓撲資訊的接收、模擬和輸出，產生出建築物的該量體模型。該效能分析模組以建築效能分析(Building Performance Analysis,BPA)為基礎，主要分析的建築性能項目包含建築日照與採光、室內照明、遮陽與陰影、遮陽優化、熱輻射、空氣與對流、空調耗能、音效設計、通風環境、視覺影響、整體建築能源性能仿真和生命週期的能耗與碳排放等等，提供分析數據資訊，將該量體模型轉換為該能源分析模型。

該資料庫之該地理環境資料庫係包含地形、道路和建築空間的數據化及圖像化資訊；該氣象數據資料庫包括一真實氣象站以及一虛擬氣象站的氣象數據資料，其中該真實氣象站以及該虛擬氣象站的資料格式為國際通用的典型氣象年(Typical Meteorological Year,TMY)。由於該虛擬氣象站技術突破使得本創作不受限於區域的應用。

該輸入裝置為個人電腦、平板電腦或智慧型手機。本創作更可包含一輸出裝置，與該處理器相連接，其中該輸出裝置為印表機、顯示器或投影機。

另，本創作更可包含一第三方使用模組，與該處理器以及該節能計算模組連接，以便其他使用者能夠快速添加其他的仿真模組，可將其資料輸出以gbXML(Green Building XML)建築模擬格式上傳至該節能計算模組進行能耗分析，或是將該計算模組的仿真分析結果以gbXML(Green Building XML)建築模擬格式輸出給有能力加入新功能的該第三方使用模組。

該節能計算模組產生的該可視化分析包含一基地氣候條件 分析、一建築能源使用性能分析和一建築物理環境分析。其中該基地氣候條件分析包括氣象站的典型氣象年(TMY)天氣資料以及風環境分析；該建築能源使用性能分析包括用電密度(EUI)、建築生命週期耗能及成本計算以及能源回收/節能潛力；該建築物理環境分析包括平均碳排放、每月空調負荷以及尖峰用電需求。

本創作採用優化性能百分比作為評級的條件，以用電密度(EUI)作為建築耗能整體性綜合指標的度量單位，用電密度(Energy use intensity,EUI)為建築物單位面積的年耗電量，該優化性能百分比=(基準方案用電密度值-優化方案用電密度值/基準方案用電密度值)×100%。

本創作之該綠建築效能模擬分析系統可對建築物進行仿真模擬並進行建築性能分析，並將該建模模組、該效能分析模組以及該第三方使用模組所提供的幾何以及非幾何的資訊、氣象資料一併以gbXML(Green Building XML)格式上傳至該節能計算模組進行能耗分析，以建築用電強度(EUI)作為能耗綜合性能指標的度量單位，並且採用該優化性能百分比作為評級的條件，傳回建築性能數值的該可視化分析的結果，並從該可視化分析的結果，進行熱點追蹤，找出影響能耗大的變因，作為後續方案修正的依據。

由上可知，本創作克服了一、軟體工具的選擇與整合；二、整合性設計程序與優化條件的建立；以及三、過去區域性氣象資料取得不易的問題。

關於本創作之具體內容，敬請一併參考實施方式的段落和圖式，以便清楚瞭解本創作之意涵。

10‧‧‧輸入裝置

11‧‧‧處理器

20‧‧‧建模模組

30‧‧‧效能分析模組

40‧‧‧第三方使用模組

50‧‧‧節能計算模組

60‧‧‧輸出裝置

70‧‧‧資料庫

71‧‧‧氣象數據資料庫

72‧‧‧地理環境資料庫

第1圖為本創作之綠建築效能模擬分析系統架構示意圖；

請參考圖1，圖1為本創作之綠建築效能模擬分析系統結構示意圖。本創作提供一綠建築效能模擬分析系統，包含：一輸入裝置10，設置有一處理器11；一建模模組20，與該處理器11相連接；一資料庫70，包含一氣象數據資料庫71以及一地理環境資料庫72，可與該建模模組20相連接；一效能分析模組30，與該處理器11和該建模模組20相連接；以及一節能計算模組50，與該建模模組20、該效能分析模組30以及該處理器11相連接。

該輸入裝置10為個人電腦、平板電腦或智慧型手機。本創作更可包含一輸出裝置60，與該處理器11相連接，該輸出裝置60為顯示器、印表機或投影機。

該建模模組20以建築資訊模型(Building Information Modeling,BIM)為基礎，主要包含幾何、物理和拓撲資訊的接收、模擬和輸出，用以產生三維的建築物一量體模型，該量體模型為紀錄建築物的幾何空間關係、地理資訊、建築元件的數量和相關性質的數位模型。該建模模組20除了建立3D的幾何資訊，也包括了部份需要傳遞給該效能分析模組30所需要的非幾何資訊。

該效能分析模組30以建築效能分析(Building Performance Analysis,BPA)為基礎，主要項目可包含建築日照與採光、室內照明、遮陽 與陰影分析、遮陽優化、熱輻射、空氣與對流、空調耗能、音效設計、通風環境、視覺影響、整體建築能源性能仿真和生命週期的能耗與碳排放分析等，提供分析數據資訊，並用以產生一能源分析模型。

該節能計算模組50進行能耗分析，產生一可視化分析並計算一優化性能百分比，該可視化分析包含一基地氣候條件分析、一建築能源使用性能分析和一建築物理環境分析，該基地氣候條件分析包括氣象站的典型氣象年天氣資料以及風環境分析；該建築能源使用性能分析包括用電密度(EUI)、建築生命週期耗能及成本計算以及能源回收/節能潛力；該建築物理環境分析包括平均碳排放、每月空調負荷以及尖峰用電需求。該優化性能百分比=(基準方案用電密度-優化方案用電密度值/優化方案用電密度值)×100%，以用電密度(EUI)作為建築耗能整體性綜合指標的度量單位，而用電密度(Energy use intensity,EUI)為建築物單位面積的年耗電量，計算出該優化性能百分比。

該氣象數據資料庫71，包括來自一真實氣象站以及一虛擬氣象站的資料，其資料來源的格式為國際通用的典型氣象年(TMY)，即各氣象站以近30年的月平均值為依據，並從近10年數據中選取一年各月接近30年的平均值，作為典型氣象年。以各真實的氣象站之TMY數據為基礎，再進行虛擬氣象站的仿真運算，以補足各實際測站間的數據落差，並使建置的氣象網格距離達到14公里以內，提升仿真準確性。由於該虛擬氣象站技術突破使得本創作不受限於區域的應用。該地理環境資料庫72係包含地形、道路和建築空間的數據化及圖像化資訊。該資料庫70亦可為雲端資料庫，與該建模模組20透過網路或wifi無線相連。

本創作著重於初步設計(SD)到細部設計(DD)的早期設計階段，具有充份驗證整合性設計、分析決策循環與設計優化的能力，然而，如果要更進一步的優化發展，比方加入再生能源設備運行的仿真分析，則更可包含一第三方使用模組40，與該處理器11以及該節能計算模組50連接，可將該第三方使用模組40分析的資料輸出以gbXML格式上傳至該節能計算模組50進行能耗分析，或是將該計算模組50的仿真結果以gbXML格式輸出給有能力加入新功能的該第三方使用模組40，以便其他使用者能夠快速添加其他的仿真模組。

在實施例中該建模模組20與該效能分析模組30皆可以是一種建築設計應用軟體，例如分別採用Autodesk公司的Revit作為BIM工具、Energy Analysis for Revit作為BPA工具，且Energy Analysis for Revit是與Revit整合的BPA工具，具備了對建築師與設計師友善使用的介面，而該節能計算模組50可為一種對建築物能耗分析的軟體，例如採用DOE-2建築耗能模擬仿真引擎進行能耗分析。

自該輸入裝置10輸入建築物的屬性參數，例如：建築類型、活動類型與使用者密度、外殼屬性(如構造材質、熱傳導係數或隔熱係數)、空調和照明等，透過該處理器11至該建模模組20，該建模模組20自該資料庫70載入選定之圖形資料、地理環境和氣象數據資料，並匯入底圖進行量體建模，以獲得gbXML(Green Building XML)建築模擬格式，提供給該效能分析模組30進行後續相關分析，而該效能分析模組30提供分析數據資訊，並轉換成該能源分析模型，再經由該節能計算模組50進行耗能分析，回傳該可視化性能分析，計算出該優化性能百分比作為評級的條件，再進行熱 點追蹤找出影響能耗大的原因，同時也將該建模模組20、該效能分析模組30以及該節能計算模組50產生的3D模型及分析結果呈現出來，或傳至該輸出裝置60呈現或印出。

由上可知，本創作採用仿真軟體，計算建築營運使用階段的能耗分析，其性能分析與優化設計的決策循環發生在早期設計階段段(包括：初步設計階段、細部設計階段)，將該建模模組、該效能分析模組以及該第三方使用模組所提供的幾何以及非幾何的資訊、氣象資料一併以gbXML(Green Building XML)建築模擬格式上傳至該節能計算模組進行能耗分析，傳回建築性能數值的該可視化分析的結果，並以建築用電強度(EUI)作為能耗綜合性能指標的度量單位，採用該優化性能百分比作為評級的條件，從該可視化分析的結果，進行熱點追蹤，判斷影響能耗大的變因，作為後續方案修正的依據，以產生符合環境效益的最優化方案。

因此，由於本創作考量與BIM軟體銜接的契合度、虛擬氣象站技術及能耗分析引擎符合標準測試，克服了一、軟體工具的選擇與整合；二、該節能計算模組採用DOE-2引擎精確度上具有相當的公信力；以及三、過去區域性氣象資料取得不易的問題。

以上所述僅為本創作之較佳實施態樣，影響建築物體之熱、生、光、電等周遭環境因素，皆可建構於資料庫中，因此分析結果的選擇並非用來限定本創作之實施範圍，舉凡依本創作申請專利範圍所述之構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。

10‧‧‧輸入裝置

11‧‧‧處理器

20‧‧‧建模模組

30‧‧‧效能分析模組

40‧‧‧第三方使用模組

50‧‧‧節能計算模組

60‧‧‧輸出裝置

70‧‧‧資料庫

71‧‧‧氣象數據資料庫

72‧‧‧地理環境資料庫

Claims (13)

1. 一種綠建築效能模擬分析系統，包含：一輸入裝置，設置有一處理器；一建模模組，與該處理器相連接，產生一量體模型；一資料庫，包含一氣象數據資料庫以及一地理環境資料庫，與該建模模組無線或有線相連接；一效能分析模組，與該處理器以及該建模模組相連接，用以產生一能源分析模型；以及一節能計算模組，用以產生一可視化分析以及計算一優化性能百分比，與該建模模組、該效能分析模組以及該處理器相連接。
2. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該地理環境資料庫係包含地形、道路和建築空間的數據化及圖像化資訊。
3. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該氣象數據資料庫包括一真實氣象站以及一虛擬氣象站的氣象數據資料。
4. 如請求項3所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該真實氣象站以及該虛擬氣象站的資料格式為國際通用的典型氣象年。
5. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該可視化分析包含一基地氣候條件分析、一建築能源使用性能分析以 及一建築物理環境分析。
6. 如請求項5所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該基地氣候條件分析包括氣象站的典型氣象年天氣資料以及風環境分析。
7. 如請求項5所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該建築能源使用性能分析包括用電密度(EUI)、建築生命週期耗能及成本計算以及能源回收/節能潛力。
8. 如請求項5所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該建築物理環境分析包括平均碳排放、每月空調負荷以及尖峰用電需求。
9. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該優化性能百分比為(基準方案用電密度值-優化方案用電密度值)/基準方案用電密度值×100%。
10. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該輸入裝置為個人電腦、平板電腦或智慧型手機。
11. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，包含一輸出裝置，與該處理器相連接。
12. 如請求項11所述之綠建築效能模擬分析系統，其中該輸出裝置為印表機、顯示器或投影機。
13. 如請求項1所述之綠建築效能模擬分析系統，更包含一第三方使用者模組，與該處理器以及該節能計算模組相連接。