基于數(shù)字孿生的被動式超低能耗建筑能耗監(jiān)控研究

劉月君 周創(chuàng)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(yīng)用，如何能夠更好地實(shí)現(xiàn)對被動式建筑能耗實(shí)時在線監(jiān)測是關(guān)鍵。結(jié)合我國當(dāng)前建筑能耗監(jiān)控存在的問題，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到被動式超低能耗建筑能耗監(jiān)控中，闡述被動房數(shù)字孿生體的概念、數(shù)字孿生被動房系統(tǒng)的組成、能耗監(jiān)控運(yùn)行機(jī)制。

關(guān)鍵詞：被動式超低能耗建筑;數(shù)字孿生技術(shù);能耗監(jiān)控

中圖分類號：TG333 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)對全球氣候變化，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，許多國家都在積極制定低碳建筑發(fā)展目標(biāo)及應(yīng)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(yīng)用有助于推進(jìn)實(shí)現(xiàn)建筑低碳化。近年來，我國大力提倡城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)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(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》中提出，推動高質(zhì)量綠色建筑規(guī)?；l(fā)展，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑，發(fā)展零碳建筑。

被動房采用科學(xué)完整的設(shè)計方案，依靠自身結(jié)構(gòu)和建筑特點(diǎn)，從而降低建筑物的日常能源消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。被動房在運(yùn)營階段的效益要高于普通建筑，但仍須在運(yùn)營階段對建筑物的相關(guān)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測與控制，從而確保被動房處于節(jié)能狀態(tài)。20世紀(jì)90年代，我國學(xué)者開始對傳統(tǒng)能耗監(jiān)控系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)傳輸延時、有偏差等一系列問題展開研究[1-2]，相關(guān)研究結(jié)果應(yīng)用于建筑物能耗實(shí)時監(jiān)測方面[3]。目前，對建筑能耗研究還存在以下兩點(diǎn)不足。一是未能與建筑信息模型結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對建筑物實(shí)時仿真狀態(tài)下的能耗監(jiān)測;二是未能以用戶為主體，結(jié)合用戶的居住生活狀態(tài)進(jìn)行能耗監(jiān)測。本研究將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到建筑物運(yùn)營階段能耗監(jiān)控中，可以實(shí)現(xiàn)建筑物實(shí)體與虛體之間的相互映射，能夠更真實(shí)高效地進(jìn)行能耗監(jiān)控，通過仿真模擬用戶日常行為狀態(tài)，得到更為準(zhǔn)確的能耗監(jiān)測值，從而優(yōu)化居民居住環(huán)境，提升用戶滿意度。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)概念及特點(diǎn)

本研究參照《數(shù)字孿生白皮書（2019）》中對數(shù)字孿生的定義，即數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用感知、計算、建模等信息技術(shù)，結(jié)合軟件進(jìn)行定義，對物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測和決策，從而實(shí)現(xiàn)物理空間和賽博空間的相互映射。

數(shù)字孿生技術(shù)主要有三大特點(diǎn)。一是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心要素，它來源于物理實(shí)體、運(yùn)行系統(tǒng)、傳感器等，覆蓋范圍廣，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等，并始終伴隨物理實(shí)體的運(yùn)行。二是數(shù)據(jù)驅(qū)動精確映射。簡單來說，數(shù)字孿生系統(tǒng)就是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，是依靠物理實(shí)體和行為邏輯兩大主體建立起來的。物理實(shí)體對象和數(shù)字模型對象之間通過孿生數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)相互映射，孿生數(shù)據(jù)包括行為邏輯、業(yè)務(wù)流程、狀態(tài)變化等。依托孿生數(shù)據(jù)，物理實(shí)體的行為狀態(tài)才能夠在數(shù)字世界中呈現(xiàn)出來，并達(dá)到全面、精確和實(shí)時監(jiān)控的效果。三是智慧分析協(xié)助決策。即在數(shù)字世界中完成相關(guān)業(yè)務(wù)流程，檢驗(yàn)試驗(yàn)過程是否有效，從而確保物理實(shí)體對象能夠高效地完成實(shí)際工作指令，有助于提高決策效率。

1.2 研究現(xiàn)狀

在德勤發(fā)布的《2020技術(shù)趨勢報告》（中文版）中提到，在新一代信息技術(shù)發(fā)展背景下，數(shù)字孿生技術(shù)被稱為2020年的五大技術(shù)趨勢之一，它是連接現(xiàn)實(shí)和數(shù)字世界的一項(xiàng)技術(shù)[4]。數(shù)字孿生技術(shù)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，是為了解決航天飛行器的健康維護(hù)與保障問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)字孿生技術(shù)的研究范圍逐漸拓寬，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)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(lǐng)域。例如，Shim等[5]基于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)開發(fā)的研究現(xiàn)狀，將數(shù)字孿生理論應(yīng)用于研究中，從而構(gòu)建了一套橋梁維修工作框架圖。Kaewunruen等[6]針對鐵道道岔系統(tǒng)規(guī)劃管理效率低的問題，將數(shù)字孿生理論運(yùn)用到鐵道道岔生命周期管理中，從而提升鐵道的規(guī)劃效率。陶飛等[7]基于數(shù)字孿生車間的研究，提出數(shù)字孿生五維模型的概念，為數(shù)字孿生在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提出了新思路。吳鵬興等[8]針對如何實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控的問題，構(gòu)建了一種基于數(shù)字孿生的車間可視化實(shí)時監(jiān)控體系架構(gòu)。

2 被動房能耗監(jiān)控關(guān)鍵問題分析

被動房在運(yùn)營階段的效益明顯要高于普通建筑。一方面，其響應(yīng)國家節(jié)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(yùn)行，在能耗監(jiān)控過程中需要確保監(jiān)測的時效性和全面性，同時應(yīng)設(shè)計完整的監(jiān)控架構(gòu)，而整個架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要以先進(jìn)的計量設(shè)備及傳感器為保障。

2.1 確保監(jiān)測的時效性

被動房與普通建筑的最大區(qū)別是運(yùn)行期間能耗低。因此，在能耗監(jiān)控過程中，必須采取數(shù)字化技術(shù)來確保能耗數(shù)據(jù)傳輸及時有效，幫助運(yùn)營單位實(shí)時掌握建筑能耗情況。傳統(tǒng)能耗監(jiān)控方法更像是能耗統(tǒng)計，通常是由工作人員手工抄寫儀器上的數(shù)值，依據(jù)能源消耗量標(biāo)準(zhǔn)來判斷建筑物是否處于耗能狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)耗能過多時，要由技術(shù)部門制定解決方案。現(xiàn)代能耗監(jiān)控方法更多的是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在能耗監(jiān)控過程中融入數(shù)字化技術(shù)，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(shí)體與虛擬實(shí)體間相互映射，在數(shù)據(jù)驅(qū)動下虛擬建筑物可實(shí)現(xiàn)實(shí)時狀態(tài)下的仿真，使監(jiān)測結(jié)果更具實(shí)時性和精確性。

2.2 確保監(jiān)測的全面性

以往的能耗監(jiān)測大都停留在運(yùn)營階段，但對被動式超低能耗建筑來說，在設(shè)計階段進(jìn)行能耗監(jiān)測能夠及時對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，做到設(shè)計思路合理、材料選擇恰當(dāng)、被動式技術(shù)高效，從而確保建筑物符合被動房的認(rèn)證規(guī)范。采用PHPP等軟件對建筑物進(jìn)行環(huán)境的模擬和能耗的計算，根據(jù)測試效果對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，提升建筑物的節(jié)能效果。

在運(yùn)營過程中，對建筑物能耗的監(jiān)控不能僅停留在對空調(diào)、照明、動力用電等方面的監(jiān)控，居民也應(yīng)該作為監(jiān)測的對象。人體熱舒適度也會對建筑的能耗產(chǎn)生影響，人體熱舒適度的指標(biāo)包含溫度、濕度、風(fēng)速、人體與空調(diào)間的距離、人體代謝率和服裝熱阻。對于溫度指標(biāo)來說，雖然被動房室內(nèi)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(nèi)溫度。因此，對空調(diào)設(shè)備的需求就會增加，進(jìn)而增加能耗量。

2.3 確保監(jiān)測技術(shù)路線的完整性

被動式建筑能耗監(jiān)控技術(shù)路線應(yīng)當(dāng)精確完整。在制定技術(shù)路線前，首先要確保監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分全面。總的來說，監(jiān)控系統(tǒng)包括末端用能設(shè)備系統(tǒng)、分系統(tǒng)的監(jiān)測、總控監(jiān)測系統(tǒng)及三級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。技術(shù)路線可大致分為以下3條：①能耗測算→能耗控制;②設(shè)備測控→網(wǎng)絡(luò)測控;③數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)存儲中心→局域網(wǎng)→區(qū)域網(wǎng)→總網(wǎng)。完成能耗實(shí)時監(jiān)測的重要條件是依照技術(shù)路線實(shí)施。

2.4 確保計量設(shè)備的先進(jìn)性

計量設(shè)備是能耗監(jiān)測的基礎(chǔ)，無論是傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)還是現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)，都需要一套齊全且運(yùn)行流暢的計量設(shè)備。目前，只有部分運(yùn)營單位在樓宇內(nèi)部安裝了全覆蓋的計量監(jiān)測系統(tǒng)，采用科學(xué)管理方式來精確掌握各系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀。除了保證各系統(tǒng)都配置有計量設(shè)備外，還應(yīng)確保各個計量設(shè)備處于高效工作狀態(tài)。判斷計量設(shè)備是否先進(jìn)的前提是要確保設(shè)備能夠有效工作。因此，先進(jìn)設(shè)備應(yīng)滿足以下三方面要求。一是計量的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)無誤;二是能夠采集系統(tǒng)的相關(guān)信息;三是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確傳輸。計量設(shè)備的工作狀態(tài)是決定能耗監(jiān)控系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的被動式超低能耗建筑能耗監(jiān)控模式

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生體是一個虛擬模型，它是物理實(shí)體在互聯(lián)網(wǎng)視角下的一種信息化表現(xiàn)，物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的表現(xiàn)行為可通過數(shù)字孿生體進(jìn)行模擬。數(shù)字孿生建筑物本質(zhì)上是一個建立在建筑物層面上的信息物理交融系統(tǒng)。建筑物數(shù)字孿生體是運(yùn)用信息技術(shù)、對建筑物實(shí)體進(jìn)行全方面數(shù)字化表達(dá)的模型。本研究基于劉娟等[9]提出的數(shù)字孿生車間系統(tǒng)，結(jié)合建筑物自身特點(diǎn)，構(gòu)建了一套完整的數(shù)字孿生被動房系統(tǒng)。

數(shù)字孿生被動房系統(tǒng)由4個層面組成。①實(shí)體層。該層由實(shí)體建筑物所有客觀存在的實(shí)體構(gòu)成，包括內(nèi)外層材料、門、窗、家用電器、人員等。②數(shù)據(jù)層。該層包括建筑物靜態(tài)數(shù)據(jù)、利用信息技術(shù)收集到的室內(nèi)居民生活作息和家用電器工作的實(shí)時數(shù)據(jù)，對所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)體建筑一致的建筑物數(shù)字孿生體。④功能層。建筑物數(shù)字孿生體在接收到實(shí)時數(shù)據(jù)后與實(shí)體建筑物同步工作，動態(tài)映射居民使用空調(diào)、加濕器等電器的頻率，以及居民日常作息情況等，實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時展示，幫助運(yùn)營單位對建筑物進(jìn)行運(yùn)維管理。數(shù)字孿生被動房系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)建筑物實(shí)體和建筑物數(shù)字孿生體之間映射的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集需要通過先進(jìn)的傳感器、計量設(shè)備和控制系統(tǒng)，對實(shí)體層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。實(shí)體層既是建筑物數(shù)字孿生體實(shí)時監(jiān)控的對象，又是數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)來源。由于該監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建需要考慮多方面因素，無論是居民、室內(nèi)電器還是建筑物本身，都需要安裝對應(yīng)的傳感器，同時還要保證對所有數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)測。提取到的數(shù)據(jù)需要在數(shù)據(jù)層進(jìn)行系統(tǒng)化分析和篩選，最后將有效數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)輸送至模型層，完成數(shù)據(jù)存儲和模型構(gòu)造。

數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)、三維虛擬動畫兩種形式呈現(xiàn)出結(jié)果。其中，三維虛擬動畫能夠真實(shí)地展現(xiàn)居民對室內(nèi)環(huán)境不滿意而采取環(huán)境調(diào)節(jié)的舉措，進(jìn)而暴露出被動式建筑可能存在的質(zhì)量問題，幫助運(yùn)營單位及時掌握建筑物的運(yùn)行狀況，避免因監(jiān)控不當(dāng)，造成被動式建筑長期處于耗能狀態(tài)。數(shù)據(jù)則能夠詳細(xì)地展現(xiàn)出建筑物的能耗情況，供運(yùn)營單位判斷建筑物是否處于節(jié)能狀態(tài)。

3.3 數(shù)字孿生被動房能耗監(jiān)控運(yùn)行機(jī)制

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

圖2中的階段①是對居民居住環(huán)境能耗區(qū)間值進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化的過程，也反映出數(shù)字孿生被動房中被動房實(shí)體與數(shù)據(jù)采集中心的交互過程，其中數(shù)據(jù)采集中心起著主導(dǎo)作用。當(dāng)數(shù)字孿生被動房接收到輸入命令（如能耗監(jiān)測命令）后，數(shù)據(jù)采集中心將會依據(jù)被動房孿生數(shù)據(jù)中的居民居住環(huán)境能耗區(qū)間的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合能耗監(jiān)測命令對居民居住環(huán)境的能耗區(qū)間值進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，得到滿足超低能耗目標(biāo)的居民居住環(huán)境能耗區(qū)間值。數(shù)據(jù)采集中心獲取被動房內(nèi)的實(shí)體中人員、電氣設(shè)備、建筑材料等要素的實(shí)時數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評估和預(yù)測，并據(jù)此對初始能耗區(qū)間值進(jìn)行修正，將能耗區(qū)間值以管控指令的形式傳到被動房實(shí)體。階段①產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部儲存至被動房孿生數(shù)據(jù)庫中，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，為后續(xù)階段提供基礎(chǔ)和動力。

圖2中的階段②是對居民日常生活進(jìn)行仿真模擬的過程，同時反映數(shù)字孿生被動房中數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shù)據(jù)后，通過被動房孿生數(shù)據(jù)庫中居民日常生活歷史數(shù)據(jù)、居民實(shí)時生活數(shù)據(jù)和其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的驅(qū)動，對居民日常生活進(jìn)行仿真模擬。被動房孿生體將上述過程中產(chǎn)生的仿真分析結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)采集中心，數(shù)據(jù)采集中心參照居民居住環(huán)境的數(shù)據(jù)對居民日常行為數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，將核查結(jié)果傳輸至被動房孿生體?；谠摲抡孢^程生成居民日常生活的能耗監(jiān)測指令。階段②中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部儲存至被動房孿生數(shù)據(jù)庫，與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，為后續(xù)階段提供驅(qū)動力。

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

通過上述三個階段，被動房完成能耗監(jiān)測命令并得到能耗監(jiān)測結(jié)果，居民居住環(huán)境的相關(guān)信息儲存至被動房孿生數(shù)據(jù)庫中，開始下一輪監(jiān)控任務(wù)。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)是一項(xiàng)連接現(xiàn)實(shí)和數(shù)字世界的技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于多個領(lǐng)域中。數(shù)字孿生技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體之間相互映射，解決實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的問題。在已有研究成果的基礎(chǔ)上，本研究將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用到被動房能耗監(jiān)控中，構(gòu)建了一套數(shù)字孿生被動房系統(tǒng)組織架構(gòu)。借助數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)被動式超低能耗建筑能耗的實(shí)時在線監(jiān)控，幫助運(yùn)營單位能夠更好地進(jìn)行運(yùn)維管理。

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