基于數字孿生的被動式超低能耗建筑能耗監控研究

劉月君 周創輝 高聰 申玉然 季凡杰

摘 要：被動式超低能耗建筑已在我國多個城市得到應用，如何能夠更好地實現對被動式建筑能耗實時在線監測是關鍵。結合我國當前建筑能耗監控存在的問題，將數字孿生技術應用到被動式超低能耗建筑能耗監控中，闡述被動房數字孿生體的概念、數字孿生被動房系統的組成、能耗監控運行機制。

關鍵詞：被動式超低能耗建筑;數字孿生技術;能耗監控

中圖分類號：TG333 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）10-0006-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.001

Research on Passive Ultra-Low Energy Consumption Energy

Monitoring Based on Digital Twin

LIU Yuejun1，2? ? ZHOU Chuanghui1，2? ? GAO Cong1，2? ? SHEN Yuran1，2? ? JI Fanjie1，2

（1.School of Economics and Management，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China;

2.Zhangjiakou Construction Industry Management Digital Technology Innovation Center，

Zhangjiakou 075000，China）

Abstract：Passive ultra-low energy consumption buildings have been promoted in many cities in China.How to better conduct real-time online monitoring of passive building energy consumption is the key point.Combined with the current problems existing in building energy consumption monitoring in China，the digital twin technology to passive ultra-low energy consumption building energy consumption monitoring， and expounds the concept of passive house digital twin，the composition of digital twin passive house system，and the energy consumption monitoring operation mechanism.

Keywords：passive ultra-low energy consumption building;digital twin technology;energy consumption monitoring

0 引言

為了應對全球氣候變化，實現可持續發展戰略，許多國家都在積極制定低碳建筑發展目標及應用推廣政策。被動式超低能耗建筑（又稱被動房）是一種低碳類型的建筑，其廣泛應用有助于推進實現建筑低碳化。近年來，我國大力提倡城鄉建設綠色發展，并在多方面給予支持。例如，在2021年10月21日中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》中提出，推動高質量綠色建筑規模化發展，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑，發展零碳建筑。

被動房采用科學完整的設計方案，依靠自身結構和建筑特點，從而降低建筑物的日常能源消耗，達到節能減排的目的。被動房在運營階段的效益要高于普通建筑，但仍須在運營階段對建筑物的相關結構、系統和設施進行監測與控制，從而確保被動房處于節能狀態。20世紀90年代，我國學者開始對傳統能耗監控系統中存在的數據傳輸延時、有偏差等一系列問題展開研究[1-2]，相關研究結果應用于建筑物能耗實時監測方面[3]。目前，對建筑能耗研究還存在以下兩點不足。一是未能與建筑信息模型結合，從而實現對建筑物實時仿真狀態下的能耗監測;二是未能以用戶為主體，結合用戶的居住生活狀態進行能耗監測。本研究將數字孿生技術應用到建筑物運營階段能耗監控中，可以實現建筑物實體與虛體之間的相互映射，能夠更真實高效地進行能耗監控，通過仿真模擬用戶日常行為狀態，得到更為準確的能耗監測值，從而優化居民居住環境，提升用戶滿意度。

1 數字孿生技術概述

1.1 數字孿生技術概念及特點

本研究參照《數字孿生白皮書（2019）》中對數字孿生的定義，即數字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，結合軟件進行定義，對物理空間進行描述、診斷、預測和決策，從而實現物理空間和賽博空間的相互映射。

數字孿生技術主要有三大特點。一是多源異構數據融合。數據是數字孿生的核心要素，它來源于物理實體、運行系統、傳感器等，覆蓋范圍廣，包括環境數據、維護數據、運行數據等，并始終伴隨物理實體的運行。二是數據驅動精確映射。簡單來說，數字孿生系統就是一種數據驅動模型，是依靠物理實體和行為邏輯兩大主體建立起來的。物理實體對象和數字模型對象之間通過孿生數據來實現相互映射，孿生數據包括行為邏輯、業務流程、狀態變化等。依托孿生數據，物理實體的行為狀態才能夠在數字世界中呈現出來，并達到全面、精確和實時監控的效果。三是智慧分析協助決策。即在數字世界中完成相關業務流程，檢驗試驗過程是否有效，從而確保物理實體對象能夠高效地完成實際工作指令，有助于提高決策效率。

1.2 研究現狀

在德勤發布的《2020技術趨勢報告》（中文版）中提到，在新一代信息技術發展背景下，數字孿生技術被稱為2020年的五大技術趨勢之一，它是連接現實和數字世界的一項技術[4]。數字孿生技術最早應用于航空航天領域，是為了解決航天飛行器的健康維護與保障問題。目前，國內外學者對數字孿生技術的研究范圍逐漸拓寬，數字孿生技術的應用范圍也日趨廣泛，主要集中在智能制造、智能建造和智慧交通等領域。例如，Shim等[5]基于預應力混凝土橋梁養護系統開發的研究現狀，將數字孿生理論應用于研究中，從而構建了一套橋梁維修工作框架圖。Kaewunruen等[6]針對鐵道道岔系統規劃管理效率低的問題，將數字孿生理論運用到鐵道道岔生命周期管理中，從而提升鐵道的規劃效率。陶飛等[7]基于數字孿生車間的研究，提出數字孿生五維模型的概念，為數字孿生在其他領域的應用提出了新思路。吳鵬興等[8]針對如何實現車間生產運行狀態實時監控的問題，構建了一種基于數字孿生的車間可視化實時監控體系架構。

2 被動房能耗監控關鍵問題分析

被動房在運營階段的效益明顯要高于普通建筑。一方面，其響應國家節能方針理念，另一方面，被動房也提升了用戶的居住舒適度。因此，為確保被動式建筑的正常運行，在能耗監控過程中需要確保監測的時效性和全面性，同時應設計完整的監控架構，而整個架構的實現需要以先進的計量設備及傳感器為保障。

2.1 確保監測的時效性

被動房與普通建筑的最大區別是運行期間能耗低。因此，在能耗監控過程中，必須采取數字化技術來確保能耗數據傳輸及時有效，幫助運營單位實時掌握建筑能耗情況。傳統能耗監控方法更像是能耗統計，通常是由工作人員手工抄寫儀器上的數值，依據能源消耗量標準來判斷建筑物是否處于耗能狀態。當出現耗能過多時，要由技術部門制定解決方案。現代能耗監控方法更多的是通過無線網絡進行數據傳輸。在能耗監控過程中融入數字化技術，在虛擬空間中建立一個與物理世界中一致的建筑物，建筑物實體與虛擬實體間相互映射，在數據驅動下虛擬建筑物可實現實時狀態下的仿真，使監測結果更具實時性和精確性。

2.2 確保監測的全面性

以往的能耗監測大都停留在運營階段，但對被動式超低能耗建筑來說，在設計階段進行能耗監測能夠及時對設計方案進行優化，做到設計思路合理、材料選擇恰當、被動式技術高效，從而確保建筑物符合被動房的認證規范。采用PHPP等軟件對建筑物進行環境的模擬和能耗的計算，根據測試效果對設計方案進行優化，提升建筑物的節能效果。

在運營過程中，對建筑物能耗的監控不能僅停留在對空調、照明、動力用電等方面的監控，居民也應該作為監測的對象。人體熱舒適度也會對建筑的能耗產生影響，人體熱舒適度的指標包含溫度、濕度、風速、人體與空調間的距離、人體代謝率和服裝熱阻。對于溫度指標來說，雖然被動房室內的溫度常年保持在20～26 ℃，但對年輕人或體重偏重的人來說，夏季的理想溫度要低于室內溫度。因此，對空調設備的需求就會增加，進而增加能耗量。

2.3 確保監測技術路線的完整性

被動式建筑能耗監控技術路線應當精確完整。在制定技術路線前，首先要確保監控系統的組成部分全面。總的來說，監控系統包括末端用能設備系統、分系統的監測、總控監測系統及三級網絡系統[3]。技術路線可大致分為以下3條：①能耗測算→能耗控制;②設備測控→網絡測控;③數據采集→數據存儲中心→局域網→區域網→總網。完成能耗實時監測的重要條件是依照技術路線實施。

2.4 確保計量設備的先進性

計量設備是能耗監測的基礎，無論是傳統的監測技術還是現代化監測技術，都需要一套齊全且運行流暢的計量設備。目前，只有部分運營單位在樓宇內部安裝了全覆蓋的計量監測系統，采用科學管理方式來精確掌握各系統能耗現狀。除了保證各系統都配置有計量設備外，還應確保各個計量設備處于高效工作狀態。判斷計量設備是否先進的前提是要確保設備能夠有效工作。因此，先進設備應滿足以下三方面要求。一是計量的數據精準無誤;二是能夠采集系統的相關信息;三是能夠實現數據實時準確傳輸。計量設備的工作狀態是決定能耗監控系統成敗的關鍵。

3 基于數字孿生技術的被動式超低能耗建筑能耗監控模式

3.1 系統架構

數字孿生體是一個虛擬模型，它是物理實體在互聯網視角下的一種信息化表現，物理實體在現實環境中的表現行為可通過數字孿生體進行模擬。數字孿生建筑物本質上是一個建立在建筑物層面上的信息物理交融系統。建筑物數字孿生體是運用信息技術、對建筑物實體進行全方面數字化表達的模型。本研究基于劉娟等[9]提出的數字孿生車間系統，結合建筑物自身特點，構建了一套完整的數字孿生被動房系統。

數字孿生被動房系統由4個層面組成。①實體層。該層由實體建筑物所有客觀存在的實體構成，包括內外層材料、門、窗、家用電器、人員等。②數據層。該層包括建筑物靜態數據、利用信息技術收集到的室內居民生活作息和家用電器工作的實時數據，對所收集到的數據進行分析處理，最后上傳至模型層。③模型層。該層為在虛擬空間中建立一個和實體建筑一致的建筑物數字孿生體。④功能層。建筑物數字孿生體在接收到實時數據后與實體建筑物同步工作，動態映射居民使用空調、加濕器等電器的頻率，以及居民日常作息情況等，實現對建筑物內能耗數據的實時展示，幫助運營單位對建筑物進行運維管理。數字孿生被動房系統組成如圖1所示。

3.2 數據采集與功能實現

數據是實現建筑物實體和建筑物數字孿生體之間映射的基礎。數據采集需要通過先進的傳感器、計量設備和控制系統，對實體層實現數據進行收集。實體層既是建筑物數字孿生體實時監控的對象，又是數字孿生體的數據來源。由于該監控系統的構建需要考慮多方面因素，無論是居民、室內電器還是建筑物本身，都需要安裝對應的傳感器，同時還要保證對所有數據能夠實現實時在線監測。提取到的數據需要在數據層進行系統化分析和篩選，最后將有效數據通過網絡通信技術輸送至模型層，完成數據存儲和模型構造。

數字孿生監控系統以數據、三維虛擬動畫兩種形式呈現出結果。其中，三維虛擬動畫能夠真實地展現居民對室內環境不滿意而采取環境調節的舉措，進而暴露出被動式建筑可能存在的質量問題，幫助運營單位及時掌握建筑物的運行狀況，避免因監控不當，造成被動式建筑長期處于耗能狀態。數據則能夠詳細地展現出建筑物的能耗情況，供運營單位判斷建筑物是否處于節能狀態。

3.3 數字孿生被動房能耗監控運行機制

筆者考慮到被動房能耗監控問題特點，將陶飛等[10]提出的數字孿生車間運行機制理念運用至被動房中。在數字孿生被動房運行過程中，被動房孿生數據為其提供全要素、全流程的數據集成和共享平臺，從而確保能耗監測過程中數據的時效性與全面性。具體從數字孿生被動房的居民居住環境能耗區間值、居民日常生活、居民日常生活的能耗監測三方面進行闡述（見圖2）。

圖2中的階段①是對居民居住環境能耗區間值進行調整優化的過程，也反映出數字孿生被動房中被動房實體與數據采集中心的交互過程，其中數據采集中心起著主導作用。當數字孿生被動房接收到輸入命令（如能耗監測命令）后，數據采集中心將會依據被動房孿生數據中的居民居住環境能耗區間的歷史數據，結合能耗監測命令對居民居住環境的能耗區間值進行調整優化，得到滿足超低能耗目標的居民居住環境能耗區間值。數據采集中心獲取被動房內的實體中人員、電氣設備、建筑材料等要素的實時數據，對這些數據進行分析、評估和預測，并據此對初始能耗區間值進行修正，將能耗區間值以管控指令的形式傳到被動房實體。階段①產生的數據全部儲存至被動房孿生數據庫中，與現有數據進行融合，為后續階段提供基礎和動力。

圖2中的階段②是對居民日常生活進行仿真模擬的過程，同時反映數字孿生被動房中數據采集中心與被動房孿生體的交互過程，在該過程中，被動房孿生體起著主導作用。被動房孿生體在接收階段①生成的初始居民日常生活數據后，通過被動房孿生數據庫中居民日常生活歷史數據、居民實時生活數據和其他關聯數據的驅動，對居民日常生活進行仿真模擬。被動房孿生體將上述過程中產生的仿真分析結果傳輸至數據采集中心，數據采集中心參照居民居住環境的數據對居民日常行為數據進行核查，將核查結果傳輸至被動房孿生體。基于該仿真過程生成居民日常生活的能耗監測指令。階段②中產生的數據全部儲存至被動房孿生數據庫，與現有的數據進行融合，為后續階段提供驅動力。

圖2中的階段③是對居民日常生活的能耗監測過程，同時反映了數字孿生被動房中被動房實體與被動房孿生體的交互過程，其中被動房實體起主導作用。被動房實體接收到階段②的能耗監測指令后，按照指令對居民日常生活的能耗進行監測。在實際能耗監測過程中，被動房實體將實時數據傳輸至被動房孿生體，被動房孿生體依據被動房實體的實時能耗量對自身運營狀況進行檢查維護，并將被動房實體運營的實際能耗量與階段②模擬的居民日常生活情況進行對比。若兩者不存在關聯，則被動房孿生體對被動房實體的擾動因素進行識別，并在擾動因素的作用下對居民日常生活的能耗監測進行仿真記錄。被動房孿生體基于實時仿真監測數據和歷史監測數據，多角度地對能耗監測過程進行評估、優化，并向被動房實體傳輸實時調控指令，對居民日常生活的能耗監測過程進行優化，確保監測數據真實有效。

通過上述三個階段，被動房完成能耗監測命令并得到能耗監測結果，居民居住環境的相關信息儲存至被動房孿生數據庫中，開始下一輪監控任務。

4 結語

數字孿生技術是一項連接現實和數字世界的技術，被廣泛地應用于多個領域中。數字孿生技術能夠很好地實現物理實體與虛擬實體之間相互映射，解決實際生產過程中存在的問題。在已有研究成果的基礎上，本研究將數字孿生技術運用到被動房能耗監控中，構建了一套數字孿生被動房系統組織架構。借助數字孿生技術，實現被動式超低能耗建筑能耗的實時在線監控，幫助運營單位能夠更好地進行運維管理。

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