建筑物是全球能源消耗的主要来源之一。预计到 2025 年，建筑将占全球总能源需求的约 30%，其中约 70% 来自住宅建筑。随着城市化推进和人们对居住舒适度要求不断提高，许多国家正同时面临住房紧缺和能源压力加剧的双重挑战。

气候变化带来的极端天气事件愈发频繁，使供暖、通风和空调（HVAC）系统的使用进一步增加。如果不尽快提升建筑整体性能，持续攀升的需求将给能源系统带来更大负荷，恶化能源贫困等社会问题，并推动燃料消耗和温室气体排放持续上升。

然而，现实中大量建筑的实际表现远低于其潜在水平。隔热性能不足、HVAC 系统老化或效率低下、控制策略僵化等问题，都会造成大量不必要的能源浪费。许多建筑的能耗远超设计预期，却仍难以为居住者提供理想的舒适环境。

因此，提高建筑能效不仅是技术问题，同时也是经济与环境问题。优化建筑能源表现，既能改善室内环境质量，降低运营和生活成本，又能减少温室气体排放。但前提是，这些效率提升措施必须建立在合理应用和持续验证的基础上，而这离不开监测技术的支撑。

不测量，就无从改进

要想真正改善建筑性能，首先必须了解建筑在现实中的运行方式，以及各个系统之间如何相互作用。任何一栋建筑的热平衡都十分复杂，受到多种变量和参数的共同影响。

在建筑领域，监测通常指对温度、通风状况、空气质量等关键变量进行持续跟踪。这类测量与验证工作，是任何严肃能效策略的基础。它能提供建筑运行的实时视图，帮助运营方、业主、使用者、相关利益方以及政策制定者基于证据做出决策。

近年来，传感器成本大幅下降，物联网技术也日趋成熟，使得设计和部署监测系统以评估室内环境和能源性能，比以往任何时候都更容易。

在不少建筑中，甚至可以直接利用既有的传感器网络——通常集成在建筑管理系统（BMS）中——来追踪关键运行参数。BMS 传感器是建筑实际行为与 HVAC 响应之间的主要接口。现代建筑往往配备了功能丰富的 BMS，不仅能测量温度，还可以监测湿度、二氧化碳浓度、电力和热量消耗、通风流量、阀门开度、设备运行状态，有时甚至包括人员占用情况。

相较之下，许多年代较久或规模较小的建筑，仅配备有限的传感器，例如简单的恒温器、开关信号和基础能耗计量设备。这意味着在不进行额外改造的前提下，不同建筑可提供的数据量和数据维度存在明显差异。

为你的建筑创建“数字孪生”

单纯的监测虽然能带来大量数据，但仅凭数字本身，往往难以解释建筑为何会以某种方式运行。这正是数字孪生发挥作用的关键所在。

从概念上讲，数字孪生是现实建筑的一个数据驱动虚拟模型。它可以是完全基于数据拟合的“黑箱”数学模型，也可以是基于物理机理的“白箱”模型，或两者的结合。

建筑数字孪生会综合利用监测数据和控制信号，同时引入建筑几何形态、围护结构构造、HVAC 系统配置、内部负载以及运行时间表等物理信息。其目标是刻画建筑内部各种相互作用过程，并通过校准模型，尽量缩小模拟结果与实际表现之间的差距。数字孪生将监测与仿真结合起来，用于揭示和预测建筑的运行行为。

舒适、健康与节能的平衡

数据驱动的数字孪生有一个重要优势：它可以作为建筑运行的“基线”或参考模型。通过对比模拟结果与实际测量数据，可以识别出建筑中的低效环节和系统缺陷，发现原本可能被忽视的能源浪费来源。

同时，数字孪生还能将原始数据转化为可操作的知识，成为强大的优化工具。它可以在虚拟环境中评估新的控制策略、运行时间表、系统设定点调整方案，或围护结构改造措施的效果，从而在不直接干预现实建筑的前提下，预判不同方案的风险与收益。

如果将天气预报、人员占用预测和能源价格预测等信息作为输入，数字孪生还可以提前评估建筑对未来条件变化的响应，并据此优化 HVAC 的运行策略，削减用能高峰，使系统运行更加平稳。

在追求能效的过程中，居住者的健康与舒适始终应放在首位。借助数字孪生配合合理的监测布局，在分析节能方案时，可以同时考量温度、湿度、空气质量等多项指标，避免单纯压低能耗而牺牲室内环境质量。

通过这种方式，数字孪生不仅为建筑层面的节能改造提供决策依据，也为政策制定和能源管理策略提供了可靠支撑，构建起通往更智能、更可持续建筑设计与运营目标的坚实框架。

本文内容基于 The Conversation 文章整理与改写，经创意共享许可使用。