SHO6261 Mastergradsoppgave i teknologi Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy – Sammenlignede studie Aleksei Tkachenko August, 2014 Avdeling for teknologi Høgskolen i Narvik Tittel: Dato: Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy – 20.08.2013 Sammenlignede studie Gradering: (Åpen/Fortrolig) Forfatter: Antall sider: Aleksei Tkachenko 112 Vedlegg: 7 Avdeling: Programområde: Teknologi Bygg og energi – Integrert Bygningsteknologi Veileder: Bjørn R. Sørensen Oppdragsgiver: Oppdragsgiver kontaktperson Sweco Norge AS Mikael af Ekenstam Sammendrag: På oppdrag av Sewco Norge AS er det i denne masteroppgaven undersøkt muligheter for samspill mellom programmer for bygningsinformasjonsmodellering og energianalyse. Sweco tilbyr et bredt spekter av konsulenttjenester med fokus på bærekraftig design, og derfor interessert i bruk av avanserte verktøy for bygningens energianalyse. Hovedfokus i oppgaven er informasjonsoverføring mellom programmene og deres anvendbarhet for energiberegninger i henhold til norsk standard. Integrert energidesignprosess er valgt som en prosjekteringsprosess hvor BIM-baserte verktøy kan effektivt benyttes. Abstract: Master thesis examines possibilities for interaction between applications for building information modeling and energy analysis. Master thesis is carried out on the instructions of Sweco Norway. Company provides a wide range of consulting services with focus on sustainable design and, therefore, interested in the use of advanced tools for building energy analysis. The main attention in the paper is paid to the processes of information exchange between applications and their applicability for energy calculations according to Norwegian standards. The paper also describes the concept of Integrated Energy Design – design approach in which programs for building energy analysis may be effectively applied. Avdeling for teknologi Høgskolen i Narvik Hovedoppgave Våren 2014 for Aleksei Tkachenko Høgskolen i Narvik Masterutdanningen Integrert Bygningsteknologi Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy – Sammenlignede studie Bakgrunn: I de siste årene er bruk av bygningsinformasjonsmodellering (BIM) blitt stadig mer utbredt innenfor bygg- og anleggsbransjen. Samtidig har man sett økt fokus på energieffektivitet i bygninger og økt behov for energiberegninger allerede i tidligfasen av et byggeprosjekt. Hvordan man kan utnytte BIM-teknologien i energiberegninger på en mest effektiv måte er en aktuell problemstilling å belyse. I dagens marked finnes det et stort utvalg av BIM-baserte energiberegningsprogrammer, og en sammenlignende analyse av ulike programmer vil kunne bidra til å finne den mest effektive måten å utføre energiberegninger på, basert på tilgjengelighet, brukervennlighet, kostnader og overensstemmelse med norske standarder. Oppgave Målet med oppgaven er å sammenligne ulike BIM-baserte programmer med tanke på funksjonalitet og hva slags resultater de gir ved energiberegningen. Følgende oppgaver er aktuelle å belyse: • Bygningsinformasjonsmodellering - litteraturstudie • Innledende studie av BIM-baserte beregningsprogrammer for energi. Hva finnes, hva brukes mest og hvorfor? • Det skal velges ut et antall programmer som skal testes mot hverandre i forhold til nøyaktighet, enkelhet i bruk, pris og egnethet i forhold til BIM. Resultatene skal deles opp i energibruk til oppvarming, kjøling og el-spesifikt. • Noen programmer som kan være aktuelle å undersøke er VIP Energi, IDA ICE, Autodesk Vasari, samt eventuelle andre relevante programmer. Hovedoppgave Aleksei Tkachenko 2014 • Sweco har utarbeidet en 3D-modell av Narvik Torv som skal brukes i detaljprosjekteringen. Denne modellen kan brukes i de ovennevnte programmene som case study. • Det validerte energiberegningsprogrammet SIMIEN skal benyttes for å etablere en sammenligningsbasis eller –grunnlag basert på prosjektet Narvik Torv. Data for prosjektet fremskaffes av Sweco. • Resultatene presenteres som en teknisk analyse/sammenligningsstudie. Det er studentens ansvar, dersom det blir nødvendig, å begrense omfanget av oppgaven. Dette skal gjøres i samråd med veileder. Generelle opplysninger vedrørende gjennomføring og rapport Innen 2 uker etter at oppgaveteksten er utlevert skal kandidaten levere en plan for gjennomføring av prosjektet. Planen skal inneholde fremdriftsplan med milepæler, som klart sier når ulike aktiviteter skal være ferdigstilte, samt gi en kort verbal beskrivelse av de ulike aktivitetene. Dette forutsetter oppdeling av oppgaven i relevante aktiviteter med klart angitte tidsmål og forventet ressursforbruk. Det forutsettes videre at kandidaten bruker prosjektplanen aktivt i prosjektperioden, som er verktøy for å evaluere status og følge opp fremdrift underveis. Det vil bli avholdt jevnlige oppfølgingsmøter hvor status i forhold til planen avklares. Besvarelsen redigeres som en forskningsrapport med et sammendrag både på norsk og engelsk, konklusjon, litteraturliste, innholdsfortegnelse etc. Påstander skal begrunnes ved bevis, referanser eller logisk argumentasjonsrekker. Med henblikk på lesning av besvarelsen er det viktig at de nødvendige henvisninger for korresponderende steder i tekst, tabeller og figurer anføres. Materiell som er utviklet i forbindelse med oppgaven, så som programvare eller fysisk utstyr er en del av besvarelsen. Dokumentasjon for korrekt bruk av dette skal også vedlegges besvarelsen. Oppgaveteksten skal også inkluderes i besvarelsen. Rapporten med tilhørende materiale skal leveres i en uinnbundet signert original som lett kan kopieres, samt to innbundne kopier. Det skal benyttes standard forside som finnes på HIN’s nett. Det henvises forøvrig til skrivet Generelle retningslinjer for hovedoppgaven, samt emnebeskrivelsen for hovedoppgave. Oppgaveteksten skal vedlegges besvarelsen. Dersom oppgaven utføres i samarbeid med en ekstern aktør, skal kandidaten rette seg etter de retningslinjer som gjelder hos denne, samt etter eventuelle andre pålegg fra ledelsen i den aktuelle bedriften. Kandidaten har ikke anledning til å foreta inngrep i den eksterne aktørs informasjonssystemer, produksjonsutstyr o.l. Dersom dette skulle være aktuelt i forbindelse med gjennomføring av oppgaven, skal spesiell tillatelse innhentes fra ledelsen. Eventuelle reiseutgifter, kopierings- og telefon-/telefaksutgifter må bæres av studenten selv med mindre andre avtaler foreligger. Hovedoppgave Aleksei Tkachenko 2014 Hvis kandidaten, mens arbeidet med oppgaven pågår, støter på vanskeligheter som ikke var forutsatt ved oppgavens utforming, og som eventuelt vil kunne kreve endringer i eller utelatelse av enkelte spørsmål fra oppgaven, skal dette umiddelbart tas opp med Høgskolen i Narvik ved veileder. Arbeidet skal resultere i en sluttrapport med vedlagt CD/DVD som er grunnlag for evaluering og karaktersetting. Rapporten med tilhørende materiale skal leveres i èn uinnbundet signert original som lett kan kopieres, samt tre innbundne kopier (evt. ekstern(e) samarbeidspartner(e)s materiell kommer i tillegg og skal overleveres av studenten selv), samt ett eksemplar av rapporten i pdf- format, fortrinnsvis på vedlagt CD/DVD. Det skal benyttes standard forside som finnes på HIN’s nett. Det henvises forøvrig til skrivet Generelle retningslinjer for hovedoppgaven, samt emnebeskrivelsen for hovedoppgave. Rapporten med tilhørende materiale skal innleveres (evt. poststemples) senest innleveringsdatoen til avdelingskontoret ved Avdeling for teknologi ved HiN. Hovedoppgave Aleksei Tkachenko 2014 Andre opplysninger Kontaktinformasjon, student: Aleksei Tkachenko ([email protected]) Tlf: 40 30 52 28 Faglig veileder ved Sweco: Mikael af Ekenstam ([email protected]) Tlf: Faglig veileder ved HiN: Bjørn R. Sørensen ([email protected]) Tlf: 97 01 38 01 Utleveringsdato: 19.02.2014 Innleveringsfrist: 02.07.2014 ______________________________ Mikael af Ekenstam, Veileder/Sweco ______________________________ ______________________________ Aleksei Tkachenko, student/HIN Bjørn R. Sørensen, Veileder/HIN Hovedoppgave Aleksei Tkachenko 2014 A. Tkachenko/ Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy, Høgskolen i Narvik (2014) Forord Denne masteroppgaven er avsluttende del av masterutdanningen ved Høgskolen i Narvik. Oppgaven er utarbeidet ved linjen for Bygg og energi - Integrert Bygningsteknologi, våren 2014. Oppgavens tema er bruk av bygningsinformasjonsmodeller (BIM) i energisimuleringer. Både nye og velutprøvde energianalyseprogrammer er testet for å finne ut hvordan de kan bidra til effektiv samarbeid mellom arkitekter og rådgivere i prosjekter som gjennomføres ved bruk av BIM. Oppgaven er gjennomført på oppdrag av Sweco Norge AS hvor oppdragsgiver Mikael af Ekenstam gjør tjeneste som veileder. Jeg vil takke Mikael for god oppfølging underveis. Sweco Norge sin avdeling i Narvik takkes også for å ha stilt kontorplass til disposisjon gjennom hele arbeidet med oppgaven. En stor takk rettes til oppgavens veileder ved Høgskolen i Narvik, Professor Bjørn Reidar Sørensen. Jeg ønsker også å takke programvareleverandører, Frode Saltkjelvik fra Graphsoft Norge, og Niklas Uddenäs fra StruSoft AB, for anledning til å utprøve nye dataverktøy som var ikke tilgjengelige i Norge på tidspunktet da det ble gjennomført arbeid med masteroppgaven. Narvik 20. august 2014 Aleksei Tkachenko i A. Tkachenko/ Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy, Høgskolen i Narvik (2014) Innhold 1 Innledning ............................................................................................................................... 1 1.1 Formål med oppgaven ............................................................................................................................. 2 1.2 Bakgrunn for oppgaven ........................................................................................................................... 2 1.3 Omfang og begrensninger ....................................................................................................................... 2 2 Metode ................................................................................................................................... 4 2.1 Analyse av litteratur ................................................................................................................................ 4 2.2 Studie av programmene .......................................................................................................................... 4 2.3 Testing av programmene ......................................................................................................................... 4 3 Integrert energidesign ............................................................................................................. 5 3.1 Bærekraftig bygging................................................................................................................................. 5 3.2 Trasisjonell prosjekteringsprosess ........................................................................................................... 6 3.3 Bærekraftighet prosjektering i den tradisjonelle prosjekteringsprosessen ............................................ 7 3.4 Integrert energidesign ............................................................................................................................. 8 4 BIM og energisimuleringer ..................................................................................................... 11 4.1 BIM ........................................................................................................................................................ 11 4.2 ÅpenBIM ................................................................................................................................................ 12 4.2.1 Industry Foundation Classes ........................................................................................................... 12 4.2.2 BuildingSMART Data Dictionary ..................................................................................................... 13 4.2.3 Information Delivery Manual ......................................................................................................... 13 4.2.4 Model View Definition .................................................................................................................... 14 4.2.5 BIM Collaboration Format .............................................................................................................. 14 4.3 Fordeler med BIM .................................................................................................................................. 14 4.4 BIM-basert byggeprosess ...................................................................................................................... 15 4.5 Bruk av BIM i energisimuleringer .......................................................................................................... 15 4.6 IFC og energismuleringer ....................................................................................................................... 17 4.6.1 Utfordringer knyttet til IFC ............................................................................................................. 18 4.6.2 FoU-prosjektet Molde Tinghus ....................................................................................................... 19 4.7 gbXML og energismuleringer................................................................................................................. 19 5 Energiberegninger i Norge ..................................................................................................... 22 5.1 Norges energipolitikk............................................................................................................................. 22 5.2 TEK 10 .................................................................................................................................................... 23 5.3 Energimerkeordningen .......................................................................................................................... 23 5.4 Standarder for lavenergi- og passivhus ................................................................................................. 24 5.5 NS 3031 .................................................................................................................................................. 25 5.5.1 Inndata ............................................................................................................................................ 25 ii A. Tkachenko/ Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy, Høgskolen i Narvik (2014) 5.5.2 Areal og volum ................................................................................................................................ 25 5.5.3 Areal til elementer ved beregninger av varmetap og kuldebroverdi ............................................. 26 5.5.4 Inndeling av bygninger i soner........................................................................................................ 26 5.5.5 Beregningsmetoder ........................................................................................................................ 27 6 Programvare ......................................................................................................................... 28 6.1 ArchiCAD 17 ........................................................................................................................................... 28 6.2 Revit 2014 .............................................................................................................................................. 29 6.3 VIP-Energy ............................................................................................................................................. 29 6.4 SIMIEN ................................................................................................................................................... 31 6.5 ArchiCAD Energy Evaluation og EcoDesigner Star ................................................................................. 31 6.6 DDS-CAD Viewer .................................................................................................................................... 33 6.7 Validering av programvare .................................................................................................................... 33 7 Resultater ved eksport og import........................................................................................... 35 7.1 Forberedelse av modellen i ArchiCAD ................................................................................................... 36 7.1.1 Geometri ......................................................................................................................................... 36 7.1.2 Inndata ............................................................................................................................................ 38 7.2 Eksport fra EcoDesigner Star og import til VIP-Energy via zut-fil .......................................................... 39 7.3 Eksport fra ArchiCAD og import til Revit via ifc-fil ................................................................................. 41 7.4 Eksport fra Revit og import til VIP-Energy via vut-fil ............................................................................. 42 7.5 Begrensninger knyttet til gbXML-format ............................................................................................... 43 7.6 Eksport fra EcoDesigner Star og import til SIMIEN via gbXML-fil .......................................................... 44 8 Beregningsresultater ............................................................................................................. 46 8.1 Inndata ................................................................................................................................................... 46 8.2 Klimadata ............................................................................................................................................... 46 8.2.1 Klimadata i EcoDesigner Star .......................................................................................................... 47 8.2.2 Klimadata i VIP-Energy ................................................................................................................... 48 8.2.3 Klimadata i SIMEIN ......................................................................................................................... 48 8.3 Resultater oppnådd i VIP-Energy 2.1.1 og SIMIEN ................................................................................ 50 8.4 Resultater oppnådd i VIP-Energy 2.1.1, 3.0.0 og EcoDesigner Star....................................................... 51 9 Oppsummering / Diskusjon ................................................................................................... 53 9.1 EcoDesigner Star og VIP-Energy ............................................................................................................ 53 9.2 Revit og VIP-Energy ............................................................................................................................... 55 9.3 EcoDesigner Star og SIMIEN .................................................................................................................. 55 10 Konklusjon .......................................................................................................................... 57 11 Referanser ........................................................................................................................... 58 12 Vedlegg ............................................................................................................................... 61 iii A. Tkachenko/ Energiberegninger med bruk av BIM-baserte verktøy, Høgskolen i Narvik (2014) Figruliste Figur 3.1 Tradisjonell og integrert prosjekteringsprosesser .............................................................................. 8 Figur 3.2 Trias Energetica: 3-stegs strategi for smart energiprosjektering (Jørgensen mfl, 2009) ................... 9 Figur 4.1 Ulike modeller an bygning: ARK, RIB, ventilasjon, varme og elektro ............................................... 12 Figur 4.2 Vinduet med felles IFD kode knyttet til definisjoner på ulike språk ................................................ 13 Figur 4.3 Prosess for vellykket IFC-import (Ørnes, 2013). ............................................................................... 19 Figur 4.4 gbXML-modell. Noen soner er skjult for å vise overflater. .............................................................. 21 Figur 5.1 Energikarakter og oppvarmingskarakter (NVE, 2010) ...................................................................... 24 Figur 5.2 Angivelse av totalt innvendig mål (NS 3031, 2011) .......................................................................... 26 Figur 6.1 3D-modellering i ArchiCAD 1.0 lansert i 1984 (Bergin, 2012) .......................................................... 28 Figur 6.2 Energistrømmer som beregnes i VIP-Energy (VIP-Energy, 2014a) ................................................... 29 Figur 6.3 «Basic» og «Expert» vinduer i ED Star .............................................................................................. 32 Figur 6.4 Eksempel på testresultater iht. ASHRAE standard 140 (VIP-Energy, 2014b) ................................... 34 Figur 7.1 Hustypen «Asplund» fra Norgeshus AS (Norgeshus, 2010) ............................................................. 35 Figur 7.2 Handlingsplan for masteroppgaven ................................................................................................. 36 Figur 7.3 BIM og BEM i ArchiCAD og EAM i DDS-CAD Viewer ......................................................................... 37 Figur 7.4 «Energy Model Review» - vinduet.................................................................................................... 38 Figur 7.5 Resultater av kuldebrosimuleringer for den samme detaljen i VIP-Energi og ED Star. ................... 40 Figur 7.6 Målreferanse i gbXML-skjema .......................................................................................................... 43 Figur 7.7 BIM i ArchiCAD og tilsvarende gbXML-modell i DDS-CAD Viewer ................................................... 44 Figur 7.8 Strukturen av gbXML-fil i DDS-CAD viewer og SIMIEN ..................................................................... 45 Tabelliste Tabell 6.1 klassifiseringer av programmets nøyaktighet iht. NS-EN 15265 (SIMIEN wiki, 2014b) .................. 33 Tabell 7.1 Forskjeller i terminologi mellom BEM og EAM ............................................................................... 37 Tabell 7.2 Egenskaper av bygningsdeler i Revit og tilsvarende parametere i VIP-Energy .............................. 42 Tabell 7.3 Innholdet av gbXML-fil og Informasjon som blir importert i SIMIEN ............................................. 45 Tabell 8.1 Meteorologiske parametere som brukes i ArchiCAD Energy Evaluation og VIP Energy ................ 48 Tabell 8.2 Parametere i Meteonorm som kreves for å opprette klimadatafil for SIMIEN .............................. 49 Tabell 8.3 Sammenligning av energiposter beregnet i VIP-Energy og SIMIEN ................................................ 50 Tabell 8.4 Sammenligning av energiposter beregnet i VIP-Energy og EcoDesigner Star ................................ 51 Tabell 8.5 Demohusets varmebalanse beregnet i VIP-Energy 2.1.1, 3.0.0 og ED Star .................................... 52 iv