基于数字孪生的被动式超低能耗建筑能耗监控研究

刘月君 周创辉 高聪 申玉然 季凡杰

摘 要：被动式超低能耗建筑已在我国多个城市得到应用，如何能够更好地实现对被动式建筑能耗实时在线监测是关键。结合我国当前建筑能耗监控存在的问题，将数字孪生技术应用到被动式超低能耗建筑能耗监控中，阐述被动房数字孪生体的概念、数字孪生被动房系统的组成、能耗监控运行机制。

关键词：被动式超低能耗建筑;数字孪生技术;能耗监控

中图分类号：TG333     文献标志码：A     文章编号：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

为了应对全球气候变化，实现可持续发展战略，许多国家都在积极制定低碳建筑发展目标及应用推广政策。被动式超低能耗建筑（又称被动房）是一种低碳类型的建筑，其广泛应用有助于推进实现建筑低碳化。近年来，我国大力提倡城乡建设绿色发展，并在多方面给予支持。例如，在2021年10月21日中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于推动城乡建设绿色发展的意见》中提出，推动高质量绿色建筑规模化发展，大力推广超低能耗、近零能耗建筑，发展零碳建筑。

被动房采用科学完整的设计方案，依靠自身结构和建筑特点，从而降低建筑物的日常能源消耗，达到节能减排的目的。被动房在运营阶段的效益要高于普通建筑，但仍须在运营阶段对建筑物的相关结构、系统和设施进行监测与控制，从而确保被动房处于节能状态。20世纪90年代，我国学者开始对传统能耗监控系统中存在的数据传输延时、有偏差等一系列问题展开研究[1-2]，相关研究结果应用于建筑物能耗实时监测方面[3]。目前，对建筑能耗研究还存在以下两点不足。一是未能与建筑信息模型结合，从而实现对建筑物实时仿真状态下的能耗监测;二是未能以用户为主体，结合用户的居住生活状态进行能耗监测。本研究将数字孪生技术应用到建筑物运营阶段能耗监控中，可以实现建筑物实体与虚体之间的相互映射，能够更真实高效地进行能耗监控，通过仿真模拟用户日常行为状态，得到更为准确的能耗监测值，从而优化居民居住环境，提升用户满意度。

1 数字孪生技术概述

1.1 数字孪生技术概念及特点

本研究参照《数字孪生白皮书（2019）》中对数字孪生的定义，即数字孪生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，结合软件进行定义，对物理空间进行描述、诊断、预测和决策，从而实现物理空间和赛博空间的相互映射。

數字孪生技术主要有三大特点。一是多源异构数据融合。数据是数字孪生的核心要素，它来源于物理实体、运行系统、传感器等，覆盖范围广，包括环境数据、维护数据、运行数据等，并始终伴随物理实体的运行。二是数据驱动精确映射。简单来说，数字孪生系统就是一种数据驱动模型，是依靠物理实体和行为逻辑两大主体建立起来的。物理实体对象和数字模型对象之间通过孪生数据来实现相互映射，孪生数据包括行为逻辑、业务流程、状态变化等。依托孪生数据，物理实体的行为状态才能够在数字世界中呈现出来，并达到全面、精确和实时监控的效果。三是智慧分析协助决策。即在数字世界中完成相关业务流程，检验试验过程是否有效，从而确保物理实体对象能够高效地完成实际工作指令，有助于提高决策效率。

1.2 研究现状

在德勤发布的《2020技术趋势报告》（中文版）中提到，在新一代信息技术发展背景下，数字孪生技术被称为2020年的五大技术趋势之一，它是连接现实和数字世界的一项技术[4]。数字孪生技术最早应用于航空航天领域，是为了解决航天飞行器的健康维护与保障问题。目前，国内外学者对数字孪生技术的研究范围逐渐拓宽，数字孪生技术的应用范围也日趋广泛，主要集中在智能制造、智能建造和智慧交通等领域。例如，Shim等[5]基于预应力混凝土桥梁养护系统开发的研究现状，将数字孪生理论应用于研究中，从而构建了一套桥梁维修工作框架图。Kaewunruen等[6]针对铁道道岔系统规划管理效率低的问题，将数字孪生理论运用到铁道道岔生命周期管理中，从而提升铁道的规划效率。陶飞等[7]基于数字孪生车间的研究，提出数字孪生五维模型的概念，为数字孪生在其他领域的应用提出了新思路。吴鹏兴等[8]针对如何实现车间生产运行状态实时监控的问题，构建了一种基于数字孪生的车间可视化实时监控体系架构。

2 被动房能耗监控关键问题分析

被动房在运营阶段的效益明显要高于普通建筑。一方面，其响应国家节能方针理念，另一方面，被动房也提升了用户的居住舒适度。因此，为确保被动式建筑的正常运行，在能耗监控过程中需要确保监测的时效性和全面性，同时应设计完整的监控架构，而整个架构的实现需要以先进的计量设备及传感器为保障。

2.1 确保监测的时效性

被动房与普通建筑的最大区别是运行期间能耗低。因此，在能耗监控过程中，必须采取数字化技术来确保能耗数据传输及时有效，帮助运营单位实时掌握建筑能耗情况。传统能耗监控方法更像是能耗统计，通常是由工作人员手工抄写仪器上的数值，依据能源消耗量标准来判断建筑物是否处于耗能状态。当出现耗能过多时，要由技术部门制定解决方案。现代能耗监控方法更多的是通过无线网络进行数据传输。在能耗监控过程中融入数字化技术，在虚拟空间中建立一个与物理世界中一致的建筑物，建筑物实体与虚拟实体间相互映射，在数据驱动下虚拟建筑物可实现实时状态下的仿真，使监测结果更具实时性和精确性。

2.2 确保监测的全面性

以往的能耗监测大都停留在运营阶段，但对被动式超低能耗建筑来说，在设计阶段进行能耗监测能够及时对设计方案进行优化，做到设计思路合理、材料选择恰当、被动式技术高效，从而确保建筑物符合被动房的认证规范。采用PHPP等软件对建筑物进行环境的模拟和能耗的计算，根据测试效果对设计方案进行优化，提升建筑物的节能效果。

在运营过程中，对建筑物能耗的监控不能仅停留在对空调、照明、动力用电等方面的监控，居民也应该作为监测的对象。人体热舒适度也会对建筑的能耗产生影响，人体热舒适度的指标包含温度、湿度、风速、人体与空调间的距离、人体代谢率和服装热阻。对于温度指标来说，虽然被动房室内的温度常年保持在20～26 ℃，但对年轻人或体重偏重的人来说，夏季的理想温度要低于室内温度。因此，对空调设备的需求就会增加，进而增加能耗量。

2.3 确保监测技术路线的完整性

被動式建筑能耗监控技术路线应当精确完整。在制定技术路线前，首先要确保监控系统的组成部分全面。总的来说，监控系统包括末端用能设备系统、分系统的监测、总控监测系统及三级网络系统[3]。技术路线可大致分为以下3条：①能耗测算→能耗控制;②设备测控→网络测控;③数据采集→数据存储中心→局域网→区域网→总网。完成能耗实时监测的重要条件是依照技术路线实施。

2.4 确保计量设备的先进性

计量设备是能耗监测的基础，无论是传统的监测技术还是现代化监测技术，都需要一套齐全且运行流畅的计量设备。目前，只有部分运营单位在楼宇内部安装了全覆盖的计量监测系统，采用科学管理方式来精确掌握各系统能耗现状。除了保证各系统都配置有计量设备外，还应确保各个计量设备处于高效工作状态。判断计量设备是否先进的前提是要确保设备能够有效工作。因此，先进设备应满足以下三方面要求。一是计量的数据精准无误;二是能够采集系统的相关信息;三是能够实现数据实时准确传输。计量设备的工作状态是决定能耗监控系统成败的关键。

3 基于数字孪生技术的被动式超低能耗建筑能耗监控模式

3.1 系统架构

数字孪生体是一个虚拟模型，它是物理实体在互联网视角下的一种信息化表现，物理实体在现实环境中的表现行为可通过数字孪生体进行模拟。数字孪生建筑物本质上是一个建立在建筑物层面上的信息物理交融系统。建筑物数字孪生体是运用信息技术、对建筑物实体进行全方面数字化表达的模型。本研究基于刘娟等[9]提出的数字孪生车间系统，结合建筑物自身特点，构建了一套完整的数字孪生被动房系统。

数字孪生被动房系统由4个层面组成。①实体层。该层由实体建筑物所有客观存在的实体构成，包括内外层材料、门、窗、家用电器、人员等。②数据层。该层包括建筑物静态数据、利用信息技术收集到的室内居民生活作息和家用电器工作的实时数据，对所收集到的数据进行分析处理，最后上传至模型层。③模型层。该层为在虚拟空间中建立一个和实体建筑一致的建筑物数字孪生体。④功能层。建筑物数字孪生体在接收到实时数据后与实体建筑物同步工作，动态映射居民使用空调、加湿器等电器的频率，以及居民日常作息情况等，实现对建筑物内能耗数据的实时展示，帮助运营单位对建筑物进行运维管理。数字孪生被动房系统组成如图1所示。

3.2 数据采集与功能实现

数据是实现建筑物实体和建筑物数字孪生体之间映射的基础。数据采集需要通过先进的传感器、计量设备和控制系统，对实体层实现数据进行收集。实体层既是建筑物数字孪生体实时监控的对象，又是数字孪生体的数据来源。由于该监控系统的构建需要考虑多方面因素，无论是居民、室内电器还是建筑物本身，都需要安装对应的传感器，同时还要保证对所有数据能够实现实时在线监测。提取到的数据需要在数据层进行系统化分析和筛选，最后将有效数据通过网络通信技术输送至模型层，完成数据存储和模型构造。

数字孪生监控系统以数据、三维虚拟动画两种形式呈现出结果。其中，三维虚拟动画能够真实地展现居民对室内环境不满意而采取环境调节的举措，进而暴露出被动式建筑可能存在的质量问题，帮助运营单位及时掌握建筑物的运行状况，避免因监控不当，造成被动式建筑长期处于耗能状态。数据则能够详细地展现出建筑物的能耗情况，供运营单位判断建筑物是否处于节能状态。

3.3 数字孪生被动房能耗监控运行机制

笔者考虑到被动房能耗监控问题特点，将陶飞等[10]提出的数字孪生车间运行机制理念运用至被动房中。在数字孪生被动房运行过程中，被动房孪生数据为其提供全要素、全流程的数据集成和共享平台，从而确保能耗监测过程中数据的时效性与全面性。具体从数字孪生被动房的居民居住环境能耗区间值、居民日常生活、居民日常生活的能耗监测三方面进行阐述（见图2）。

图2中的阶段①是对居民居住环境能耗区间值进行调整优化的过程，也反映出数字孪生被动房中被动房实体与数据采集中心的交互过程，其中数据采集中心起着主导作用。当数字孪生被动房接收到输入命令（如能耗监测命令）后，数据采集中心将会依据被动房孪生数据中的居民居住环境能耗区间的历史数据，结合能耗监测命令对居民居住环境的能耗区间值进行调整优化，得到满足超低能耗目标的居民居住环境能耗区间值。数据采集中心获取被动房内的实体中人员、电气设备、建筑材料等要素的实时数据，对这些数据进行分析、评估和预测，并据此对初始能耗区间值进行修正，将能耗区间值以管控指令的形式传到被动房实体。阶段①产生的数据全部储存至被动房孪生数据库中，与现有数据进行融合，为后续阶段提供基础和动力。

图2中的阶段②是对居民日常生活进行仿真模拟的过程，同时反映数字孪生被动房中数据采集中心与被动房孪生体的交互过程，在该过程中，被动房孪生体起着主导作用。被动房孪生体在接收阶段①生成的初始居民日常生活数据后，通过被动房孪生数据库中居民日常生活历史数据、居民实时生活数据和其他关联数据的驱动，对居民日常生活进行仿真模拟。被动房孪生体将上述过程中产生的仿真分析结果传输至数据采集中心，数据采集中心参照居民居住环境的数据对居民日常行为数据进行核查，将核查结果传输至被动房孪生体。基于该仿真过程生成居民日常生活的能耗监测指令。阶段②中产生的数据全部储存至被动房孪生数据库，与现有的数据进行融合，为后续阶段提供驱动力。

图2中的阶段③是对居民日常生活的能耗监测过程，同时反映了数字孪生被动房中被动房实体与被动房孪生体的交互过程，其中被动房实体起主导作用。被动房实体接收到阶段②的能耗监测指令后，按照指令对居民日常生活的能耗进行监测。在实际能耗监测过程中，被动房实体将实时数据传输至被动房孪生体，被动房孪生体依据被动房实体的实时能耗量对自身运营状况进行检查维护，并将被动房实体运营的实际能耗量与阶段②模拟的居民日常生活情况进行对比。若两者不存在关联，则被动房孪生体对被动房实体的扰动因素进行识别，并在扰动因素的作用下对居民日常生活的能耗监测进行仿真记录。被动房孪生体基于实时仿真监测数据和历史监测数据，多角度地对能耗监测过程进行评估、优化，并向被动房實体传输实时调控指令，对居民日常生活的能耗监测过程进行优化，确保监测数据真实有效。

通过上述三个阶段，被动房完成能耗监测命令并得到能耗监测结果，居民居住环境的相关信息储存至被动房孪生数据库中，开始下一轮监控任务。

4 结语

数字孪生技术是一项连接现实和数字世界的技术，被广泛地应用于多个领域中。数字孪生技术能够很好地实现物理实体与虚拟实体之间相互映射，解决实际生产过程中存在的问题。在已有研究成果的基础上，本研究将数字孪生技术运用到被动房能耗监控中，构建了一套数字孪生被动房系统组织架构。借助数字孪生技术，实现被动式超低能耗建筑能耗的实时在线监控，帮助运营单位能够更好地进行运维管理。

参考文献：

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[6]KAEWUNRUEN S，LIAN Q.Digital twin aided sus-tainability-based lifecycle management for railway turnout systems[J].Journal of Cleaner Production，2019（C）：1537-1551.

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[10] 陶飞，张萌，程江峰，等.数字孪生车间：一种未来车间运行新模式[J].计算机集成制造系统，2017（1）：1-9.