云帆VR数字孪生研发中心：通过传感器网络实现Web3D图形，对建筑物的能源效率进行经济有效的评估和 管理

在过去的十年中，出现了许多建筑节能可视化和模拟系统； 然而，它们中的大多数都是依靠理论热力模型来建议新建筑 的结构设计和现有建筑的改造。可持续的建筑方法已经取得 了巨大的进步。德国的Energy-PlusHouse技术的例子使用了（几乎）零碳的被动加热技术的组 合。一个具有网络功能的X3D可视化和模拟系统，加上一套 具有成本效益的温度/湿度传感器，可以为建筑设计、材料 和施工提供有价值的见解，从而可以大大节省能源，提高居 民的热舒适度，从而实现卓越的建筑能源效率。本文提出了 一个具有成本效益的硬件软件原型系统，可以在网络上为住宅和/或商业建筑

CR类别。H.5.2 用户界面。GUI; H.5.3 团体和组织界面。基于网络的交互；I.3.7 三维图形和真实感。虚拟现实；I.3.8 应用；I.6.8 模拟的类型。视觉。

关键词。热舒适度、热图、X3D、Web3D、建筑节能、三 维模拟、传感器网络。

1 简介

近几十年来，可持续的建筑方法已经取得了巨大的进步。例 如，德国的Energy-PlusHouse技术[Voss和Musall，2012]将几乎零碳的被动供暖技术 和易于适应的可再生能源技术结合起来，以建造具有正能量 平衡的住宅，使房主能够向国家电网出售剩余能源并赚取额 外收入。

不幸的是，热能不足的西方建筑方法很难挖掘出应用节能技 术的巨大潜力。此外，目前世界上经济发展最快的地区是全 球南方国家，它们主要位于热带和亚热带气候区，在设计节 能和低碳房屋方面有着完全不同的要求。

随着经济的快速增长（通常是不规范的），世界上这些地方 的能源消耗成倍增加。这些国家的建筑部门迅速适应了西方 的建筑方法，现在面临着评估建筑能源效率的主要障碍，特 别是对于商业建筑。

本文建立在[HamzaLup等人，2015]的研究基础上，并对其进行了扩展，因为它 说明了一个有效的、基于网络的可视化和模拟系统，加上一 套具有成本效益的传感器（如温度、相对湿度），可以为建 筑物的设计、材料和施工提供有价值的见解，从而大大节省 能源并改善热舒适度。

文章组织如下：在第2节中，我们对现有的能源评估和模拟 模型进行了研究，并介绍了基本术语；第3节介绍了用于热 数据收集和通信的无线传感器系统；第4节简要介绍了三维 可视化方法、X3D渲染选择，并介绍了住宅建筑的初步实验 结果；我们在第5节中介绍了大型商业建筑的可扩展性问题 ，并介绍了视图依赖性渲染、优势和限制。第6节强调了该 系统的用户群，随后在第7节介绍了系统评估和验证方法。 第8节最后详细讨论了未来的扩展和拟议系统的重要性。

2 相关工作

传统的热成像模型被建筑专业人士和HVAC（供暖、通风和 空调）工程师使用多年，他们依赖专有的热分析软件产品， 如。SolidWorks、Ansys Advantage、Ansys CFX和许多其他支持基于CAD模型集成的软件。本研究的 目标之一是提出一种独立于专有软件包及其集成解决方案的 建模表示法，这种表示法依赖于X3D开放标准（Web3D，2 016）。

纳入Nicol等人[1995]的室内空气温度和湿度的热舒适性国际 标准缺乏代表性和测量方法及解释。它们主要涉及热舒适度 和建筑居住者对温度的感知值。仅在美国，国家建筑科学研 究所（NIBS）正在（通过高性能建筑委员会）提出建筑围 护结构热性能的基线标准[NIBS, 2015]，ASHRAE 90.1- 2010，其中有一定水平的高 性能，测量和验证围护结构的设计和施工。Peeters等人[200 9]提出了一套用于住宅建筑热舒适度评估的数值和标度。每 个住宅中的房间被分为三组：卧室、浴室和其他。在决定热 舒适度尺度时，考虑了许多因素（包括热适应）。Zhai等人 [2006]，对过去20年用于建筑物内空气流动建模的复杂的计 算流体力学（CFD）模拟进行了回顾。然而，在作者看来， 所有提出的模拟系统都是专有的，而且过于复杂，无法与实 时数据结合应用。

Ham等人[2014]提出了一种基于热成像的方法，在考虑到静 态遮挡的情况下，将建筑物的实际热阻和冷凝问题以三维方 式可视化。他们的实验结果显示，有希望支持建筑现状的改 造决策；然而，该方法只处理了将从红外相机获得的表面温 度数据转换为能源性能指标和可能的冷凝问题的三维可视化 ，并没有解决建成后的建筑的进一步热舒适性考虑。从视觉 表现的角度来看，Wong和Fan[2013]的研究同意，缺乏互操 作性可能是限制BIM（建筑信息模型）在建筑设计中应用的 一个因素，需要在设计过程的规划阶段提前考虑。通过本文 ，我们试图从热舒适度模拟的角度来解决这一不足，并创建 一个独立的可视化和模拟平台，通过简单的网络浏览器来访问。

此外，随着加州为2020年采用零净能源（ZNE）标准打下基 础，它最近恢复了其先进住宅项目，以帮助实现这一目标。 这是促进创新的一个有趣的尝试，从这个意义上说，一个重 要的变化是将项目的目标与法规水平脱钩（即激励措施与比 法规更好的百分比挂钩），并集中在工具和方法上，使项目 成果与实际的家庭能源表现更好地结合起来。这样一来，项 目的经验表明，支持 "优于规范 "的百分比指标、符合规范的模型和相关工具，可能会阻碍 采用更先进的技术和实践，阻碍创新，并导致误导性的激励 措施，使其与规范而不是与实际的家庭能源绩效挂钩[Christ ie等人，2014]。

Rijal等人[2014]在日本关东地区的湿热季节对30个起居室进 行了热舒适和居住者行为调查。他们的结果显示，居民通过 使用开窗和使用风扇等行为适应，增加空气流动来适应湿热 的环境。该研究缺乏任何形式的热传递模拟，主要依赖于根 据皮肤水分感觉对受访者进行的统计分析。Pitts[2013]进行 的另一项研究涉及过渡空间，如入口门厅、流通区、电梯厅 、楼梯和中庭，以及热舒适体验。它既回顾了现有的关于此 类空间舒适性的研究报告。这项工作的结果只提出了减少环 境调节的机会，从而减少了此类空间的能源使用。Lee[2008 ]开发了一个由人造光供电的新型传感器网络，以实现热舒 适度测量的无线电力传输和无线数据通信，从而实现空调系 统的舒适度最优控制策略。 这项研究的目标之一是调查X3D ISO标准，以便用从传感器网络获得的实时数据来表示交互 式3D热图。传感器可以连接到HVAC设备的执行器上，通 过反馈所指空间的热图信息，实现能源消耗评估和管理。

从另一个角度来看，在Lee等人[2014]所做的研究中，使用 详细的整体建筑能源模拟程序EnergyPlus，6.0版本，定量评 估了三种新开发的动态服装保温模型对建筑模拟的影响。这 项特定研究的局限性在于，新的衣物保温模型对能源和舒适 度的影响只针对一种特定的气候（美国伊利诺伊州芝加哥市 ）和一种特定的系统类型（传统的强制空气系统，配备变速 中央空调和VAV箱，每个区域都有再热线圈）进行。作者 提出了一个基于无线传感器的系统和一个独立于这些因素的 多边形X3D热成像。所提出的软硬件系统允许实时数据的交 互式三维可视化，以及在大的时间范围内（如数周/数月） 收集的数据的离线三维模拟（如速度回放）。

3 数据采集和通信

建筑物的热力图（包括温度和湿度）是动态的，取决于各种 因素，如：建筑围护结构的传热，冷却/加热源，以及采用 的加湿器/除湿器系统。室内和室外气候之间的第一种传热 方式是通过建筑围护结构的传导、对流和辐射进行的。第二 种重要的传热方式是通过空气交换（渗入/渗出）。

数据采集系统（DAS）是实时或离线地收集和提供温度和湿 度数据到X3D的可视化/模拟。DAS的设计符合现有建筑管 理系统（BMS）的集成要求，并在图1所示的3层结构上进 行开发。

图1：数据采集系统。三层结构

● 第1层：房间传感器网络是一个由极低的功耗元件组成 的智能传感器无线网络。传感器和用于数据传输的相关 电路被称为 "端点"。

● 第2层：数据集中器 网络由每个房间级别的低功耗数据集中器代表，由第1 层的数据收集模块和到第3层的数据传输模块组成。

● 第3层：楼宇监管员是BMS的一部分，它是 通过BACnet运行[Richard, 2013]。建筑主管负责整体的数据收集和处理，以及数 据存储和按需检索。

第1层依赖于蓝牙4.0低能量（BLE）子网络上的mbus协议[蓝牙，2014]。这种通信协议，以寄存器为导向， 允许对寄存器进行简单的读/写，数据采集参数控制以及机 器人执行器的潜在控制组件，用于建筑物内的自动传感器分 布。二级网络使用符合20年历史的建筑自动化和控制网络协 议（BACnet）的以太网TCP/IP网络上的通信协议[NEWMA N, 2015]。这样的协议与HVAC通信和控制兼容，可以进一步 扩展到管理这些单元。

3.1 第1级--房间传感器网络设计

为了捕捉传热和相对湿度，热数据采集系统的主要组成部分 是一套集成到本地蓝牙网络的低功耗传感器。这些传感器有 几个特点。

● 传感器的尺寸和能源消耗降到最低。

● • 高精度的温度.01°C，相对湿度±2%。

● • 网络的高可靠性（99.9%）。

● • 房间服务器和终端测量传感器之间通过蓝牙无线隧道的 简单命令和控制通信协议。

●  房间之间的标准协议BACnet[ANSI, 2010]。 服务器和大楼管理员通过以太网隧道，使用WiFi路由器作为接入点。

一套具有成本效益（5美元/个）的温度/湿度传感器SHT11 [Sensirion, 2015]（如图2所示）被部署在每个房间内，并具有移动的潜 力。在大规模部署传感器群的情况下（例如，在为商业建筑 建立热舒适度模型的情况下），传感器系统的总成本将通过 考虑大规模生产而降低。作为传感器的安置策略，我们选择 监测每个房间的角落，但也可以根据建筑或其他要求选择其 他配置（如监测HVAC通风口）。

图2：（a）Sensirion SHT11相对湿度传感器。 (b) 端点传感器。SHT11, eXtreme Low Power PIC处理器, 低功耗蓝牙收发器（BLE）

这些传感器很轻，很准确，时间常数很短。电源是一个扁平 的电池（1.8伏），可以为系统供电几个月（因为该电路有 一个电源 消耗量为3mW）。图3中的方框图说明了端点的连接情况。

图3：端点传感器系统的方框图

微控制器使用互连电路（I2C）接口与传感器进行通信，并 保证传感器数据的同步采集。微控制器[PIC, 2015]从二级数据集中器（DC）接收两类信号：数据同步信 号和数据询问信号，使用mbus协议。这些信号可以扩展到包括与移动性有关的信号， 以防传感器被连接到机器人移动系统上进行自动移动和部署 。

虽然本研究没有探讨自动传感器放置策略，但由于传感器尺 寸小，这种可能性是存在的。携带小型传感器的HexBugs[H EXBUG, 2015]代表了一种基于TILDEN等人[1995]建立的BEAM机器 人概念的可能实现。目前的传感器放置策略旨在使传感器在 监测范围内均匀分布，并高度依赖于建筑物的几何特征。此 外，在初步测量后，根据客户的要求，我们可能会选择在有 问题的区域或检测到绝缘问题的区域增加额外的传感器和/ 或聚集传感器。第1层目前采用的是星形网络拓扑结构。

传感器和DC之间的数据通信是基于循环缓冲器的想法，物 理上位于端点上。这些缓冲区是由微控制器根据从每个传感 器收集到的数据写入的。文件中的每一行都包含传感器ID 、温度值和相对湿度值（无符号整数）等信息。缓冲器实现 了FIFO策略，它可以容纳600条记录。在每个直流请求中， 都会从缓冲区收集最新的数值。因此，通过设计，DC可以 使用不同的查询频率。我们探索了每秒一次的查询频率，并 证明对短间隔的数据收集（最多1天）是有用的。对于中等 间隔的数据收集（长达2个月），每分钟一个查询的较低频 率是合适的。

所收集的数据被用于X3D热图的颜色编码方案。智能传感器 网络可以在多个层面上进行扩展，可以在每个房间里包括几 十个基于ID系统并符合所需网络拓扑结构的传感器。数据 通信带宽可以达到1Mbps以上，因此可以实现实时数据收集 和处理。我们设计并实现了一个8至16个传感器的网络。每个房间的配置取决于温度/湿度数据的准确性要求。

3.2 第2级--数据集中器网络

传感器以有效的方式将温度和湿度测量值传达给本地嵌入式 服务器，该服务器在Lantronix（xPico Wi-Fi）[Lantronix, 2015]系统、一个辅助微控制器和蓝牙低功耗（BLE）主控 器上实现。因此，从一侧来看，DC将与房间的传感器进行 通信并接收数据，从另一侧来看，DC将通过数据集中器将 数据输入建筑网络，如图4所示。

图4：数据集中器（DC）的方框图

Lantronix xPico WiFi是一个嵌入式接入点系统，能够管理由BMS发出的数据请 求。xPico和BMS之间的通信协议是BACnet。同时，连接到 xPico WiFi的辅助控制器保证了对放置在同一房间的所有终端（传感 器）的询问。因此，事实上DC也扮演着测量 "网关 "的角色。DC网络还可以通过在同一接入点上连接笔记本电 脑、平板电脑或智能手机等设备来加以利用，提供低级别的 传感器控制。这种连接在设置传感器的初始阶段非常有用， 也可用于调试目的。另外，传感器数据可以保存在永久存储 器上，以便以后在三维模拟的情况下使用（即长时间回放传 感器数据-- 几周或几个月，有可能进行预测的热模式模拟）。第2层使 用的拓扑结构是每个建筑层面的总线拓扑，在建筑主干网络 上实现。

4 使用X3D的热图可视化

一旦收集到数据，就必须将其与建筑结构联系起来。建筑结 构设计可以很容易地从各种基于CAD的建模工具中获得， 如SolidWorks[Solid Works, 2015]，它允许转换为VRML格式，从而转换为X3D。当人 们试图根据传感器数据将建筑中每个房间的温度和相对湿度 的体积表现可视化时，就会出现复杂性。三维可视化和通过 数据集的互动导航是接下来要解决的复杂问题。

现在的GPU是强大的并行处理器，能够以交互式的速度进行 诸如光线投射等操作。体积渲染有很多技术，有些采用高性 能的 计算方法，其他的则使用云技术进行大数据集和远程渲染[B ilodeau, 2012]。然而，我们主要关注的是具有标准图形硬件的独立 工作站的技术，因为我们的系统必须很容易部署在基于网络 的环境中。此外，我们不要求用户拥有先进的硬件来运行该 应用程序。

三维可视化框架的一个常见抽象是可视化管道[Moreland, 2013]。对于这样一个处理管道，数据的表示和存储对于交 互速度是至关重要的。可以采用几种著名的技术，如brickin g（对象空间分解）[Fogal, 2013]、多分辨率层次结构，如八叉树[Knoll, 2006]、kd树[Fogal等人, 2010]，这些技术允许高效的数据遍历。最近，稀疏体素八 叉树在图形和游戏行业获得了关注[Laine, 2010]。已经提出了几种渲染复杂体素化3D模型的方法[Heit z, 2012; Museth, 2013]。为了提高渲染速度，还采用了数据布局来有效地访 问磁盘上的数据[Pascucci, 2002]，以及数据压缩[Rodriguez, 2014]。虽然所有这些方法都可以大大改善体积渲染，但它 们太复杂了，目前还不能在网络环境中部署。我们建议使用 X3D中的图形基元为热图提供非体积（即多边形）表示。

已经对几个X3D组件进行了调查，并对其权衡进行了分析。 例如，目前的X3D实现提供了一个雾节点[X3D Fog, 2015]，它允许在模拟空气中的湿度蒸汽的环境中进行线性 或指数可见度降低以及颜色添加，如图5所示；但是，这种 实现没有提供对几何形状的控制，也没有颜色梯度的可能性 。X3D几何基元（如方框、球体）似乎是三维热图表示的良 好候选者，因为它们的R、G、B和α值（透明度）可以提供 X3D热图，如图5-b所示。

图5：温度的可能的三维表示法。 (a) X3D雾节点，(b) 修改了α值的X3D球体。

由于X3D基元的位置和颜色/α值可以直接控制，作者选择将 每个房间的体积建模为一组相切的半透明色球体。球体的颜 色代表相应位置的平均相对湿度（或温度）（如图5- b所示）。球体的α值是这样设置的：根据与建筑物的视点距 离，可以实现不同的透明程度。值是通过内插法来确定中间 的相对湿度值。如图6所示，目前使用的是线性内插法，然 而，其他更复杂的模型可以增强传感器数据（即相对湿度/ 温度值）的视觉表现。

图6：钟形的梯度颜色

4.1 点云与X3D基元

三维热力图在X3D表现中需要非常多的多边形/顶点。大量 的顶点将大大降低X3D场景的交互性，使用户难以以交互式 的速度探索它。交互式三维可视化的最佳帧速率取决于许多 因素，但主要是取决于三维可视化硬件。此外，NyquistShannon采样定理[Teukolsky, 2007]意味着，如果X3D场景中的运动发生的时间频率高于 采样率的一半（即Nyquist频率），结果将是时间混叠和高 时间频率与慢速采样器相互作用产生的视觉伪影。因此，快 速移动的物体将无法在X3D场景中得到体现。

对于普通LCD屏幕上的3D场景的2D可视化，我们观察到， 一旦帧率下降到每秒10帧（FPS）以下，用户的交互性就会 受到影响。我们探索了不同的X3D基元（如球体、盒子、点 ）来获得各种三维可视化模型，如图7所示。

图7：(a)点云渲染与(b)盒状基元与。 (c) 球体原始形态--说明房间里的热点 虽然低多边形数量最好通过3D数据的2D投影的点云来实现 ，但很明显，X3D基元是一个更好的代表，尽管其多边形数 量略高。

从帧速率来看，虽然点云提供了最好的性能，但使用半透明 的基元（如盒子、球体）同样可以观察到最佳的可视化效果 。具体到二维屏幕上的可视化，三维基元的优势在于提供大 量的深度线索，否则就会丢失（例如在点云渲染中）。

4.2.实验结果--住宅楼

我们在一栋独栋别墅里配置了一组热传感器，并将每个矩形 房间视为一个由半透明的切线球体组成的三维容器，说明了 三维相对湿度图。传感器被放置在每个房间的角落里。墙壁 被渲染成半透明的，如图8-a所示，并作为线框，图8- b。人们可以探索不同的视角，直观地看到房屋容积内的热 量分布。如本模拟例子所示，由于阁楼隔热性能差，或由于 外墙的隔热缺陷，建筑物的左角过热。

图8：住宅楼热力图的网络浏览器视图：（a）平面，（ b）线框。

在目前1Hz的速率下，传感器产生的数据可以通过任何浏览 器的X3D插件，驱动每秒一帧的X3D热图实时动画。当然， 更高的帧率也可以用收集到的数据来回放。传感器数据可以 存储很长一段时间（如几个月或几年），并作为随时间变化 的热图序列进行回放，因此也可以在不同的时间速率下模拟 热图动态。

4.  扩展到大型商业建筑

三维可视化的可扩展处理策略采用了数据域和图像域的分解 策略，可以采用单次[Hadwiger等人，2012]和多次[Hong等 人，2005]渲染技术。X3D半透明热力图可以扩展到大型商 业建筑，然而，扩展的困难在于（1）传感器的放置策略-- 数据域问题，以及（2）X3D表示--图像表示域问题。

也可以采用基于时间和调度的策略来提高渲染速度。由于来 自传感器的数据是提前存储和提供的，我们可以对数据进行 预处理。大的时间间隔的插值数据在渲染前就已经计算出来 了，是离线的。

对于传感器的放置，我们考虑使用廉价的微型传感器在建筑 物内部署一组大型的传感器（传感器群）。机器人[Hoff, 2011]和机器人群算法来实现其均匀分布。自动传感器部署 和移动系统将在其他地方讨论。一些房间需要手动放置传感 器，特别是在热能活跃的元素（窗户、HVAC装置等）周围 。如第3节所示，每个房间将由一个DC和一组传感器组成星 形网络拓扑结构。BMS可以通过相关的数据库存储大量的 数据（例如，可以存储一年的传感器数据），也可以通过建 筑内现有的有线或无线网络提供对收集的传感器数据的访问 。作为一个例子，每个房间14个传感器的配置将在每个角落 以及每面墙的中间（包括天花板和地板，考虑到平行四边形 的房间结构）放置传感器。传感器的放置策略是一个复杂的 问题，在此不做研究，然而在许多情况下，传感器的位置对 可视化的准确性影响有限，因为数据是在一个大的时间范围 内从大量的传感器集合中收集的。

在X3D表现方面，对于大型商业建筑，我们研究了几种减少 多边形的技术。首先，由于球体的多边形数量相对较多，我 们替换了球体，Contact Player [BitManagement 2015]的方块大约为每个球体300多边形。此外，我们研究了 箱体基元（12个多边形）、定制的四面体（4个多边形）以 及简单的广告牌（1- 2个多边形）。四面体和广告牌的平均交互率为10FPS。图9 显示了一个六层商业建筑的X3D热力图。

图9：商业建筑热力图的网络浏览器视图：（a）整体建筑 围护结构，（b）角落的缩放

这些数据是人为生成的，以取代传感器的数据，因为作者专 注于三维可视化问题，并试图证明可视化可以很容易地扩展 到大型商业建筑，甚至城市模型。

5.1 依赖视图的动态渲染

为了进一步提高场景的交互性，我们在X3D中设计并实现了 一种依赖于视图的动态渲染算法，它只允许对感兴趣的区域 生成热图。该算法基于[Yoon et. al., 2004]视图依赖算法，用于以交互式速度渲染大规模模型。 图10显示了一个用户在X3D场景中导航并接近建筑物的楼层 （b），他/她的视点离建筑物的角落近似一米。一个固定的 摄像机（视点）位于距离建筑物100米的地方。在(a)中显示了热力图是如何只为第一层动态生成的，在用 户通过场景导航时，保持X3D模型的大小和复杂性相对较小 。

图10：（a）固定摄像机显示X3D场景；（b）用户视图在场 景中导航，探索建筑物第一层的热图。

这种依赖于视图的优化将允许将可视化/模拟扩展到非常大 的商业建筑和建筑群。考虑到数据采集系统的正确部署和集 成，X3D场景有可能包括一个城市的几个部分。

5.2 优点和局限性

通过在施工前阶段帮助评估热舒适度和室内空气质量，将该 模型扩展到各种商业建筑，对暖通空调系统的研究人员和设 计人员都特别有价值。它还允许设计师开发低能耗的冷却和 加热策略，如自然通风系统和被动加热或冷却系统。分析建 筑能耗所需的数据很复杂，应包括有关外部环境、建筑的形 状和配置（建筑围护结构）、设备负荷、照明、各种机械系 统和空气分配系统的标记数据。因此，为了准确预测能源消 耗，应该使用综合可视化/模拟工具和传感器。

然而，这项研究并不包括计算流体动力学（CFD）部分，以 帮助在设计房间的某些部分可能存在的非层状气流的情况下 进行传热，这在计算上更为密集。然而，正如Chung[2015] 所提到的，虽然CFD已经被用于建筑部件或小房间大小的分 析，但整个建筑能源分析几乎总是一个简化的（时间阶梯） 传热分析，并没有使用CFD。用户可以产生代表实际室内物 理学的结果，假设气流为层流、非湍流的稳态条件。假设整 个房间、大厅和走廊的暖通空调部件的位置和安置，可以运 行各种模拟。随着BIM的最新发展，现在的研究人员能够使 用各种建模工具来说明热负荷、气象站数据、阴影研究和C FD，以极大地解释方位对建筑围护结构性能的影响。然而 ，将可能通过提议的系统收集到的现有建筑的X3D实时数据 可视化，使建筑所有者能够做出关于另一即将建成的建筑，并且面向某个方向。如果建筑位于高太阳 辐射的环境中（如沙漠），建筑的热负荷会使机械工程师的 制冷要求增加一倍，那么收集的数据及其对BMS的模拟有 可能被计算出来，并以图形表示，向业主展示该特定设计的 实现的节约程度。在这个过程的后期，当所有必要的和/或 期望的变化的实施成本与分配给整个建筑的总预算相比较低 时，可以与建筑师合作进行改变。

另外，建议的X3D可视化系统可以进行建筑层面的观察（如 屋顶、建筑围护结构的效率）以及房间层面的观察（HVAC 系统的效率、冷/热空气气流、窗户的保温效率等）。此外 ，这些观察可以在一天中的任何时间和/或夜间进行，因为 此时室外温度可能会有很大的变化。也可以进行长时间的观 察，以监测季节性（春、夏、秋、冬）效率和热/湿度变化 。为了量化建筑的老化过程和估计能源损失，也可以进行长 年的观察。可以模拟许多情况，例如改变内部房间分隔或外 部建筑元素对热图的影响，甚至简单的情况，如忘记在建筑 中打开一扇窗户。

6 用户基础

非常有必要声明的是，可视化系统的用户群分为几类潜在用 户。建筑业主-- 他们想发现建筑绝缘、建筑围护结构或建筑围护结构退化的 潜在问题；他们可能想解决这些问题以改进未来的设计。

能源检查员-- 在欧盟已经要求进行能源审计[欧盟，2012]。例如，要实施 具体的措施和政策，以确保消费者和行业公司的主要能源节 约。能源分销商或能源零售公司必须通过实施节能措施，每 年实现1.5%的能源节约。各国可以选择通过其他方式实现 同样的节约水平，如提高供热系统的效率，安装双层玻璃窗 或隔热屋顶。另外，欧洲国家的公共部门应该每年购买节能 建筑、产品和服务，欧洲政府将对其拥有和占用的建筑按建 筑面积至少3%进行节能改造，使能源消费者有能力更好地 管理消费。在美国，只有ASHRAE的三级能源审计涉及三维 计算机模型，它将创建真实建筑的模拟，因此能源系统的变 化可以模拟出相当准确的结果。将这一过程与建筑级别的成 本估算结合起来，可以支持明智的投资决策。这些审计需要 访问能源消耗和成本数据分析，持续时间超过一年，通常为 三年。一旦进行了分析，就可以提出建议，哪些改进/升级 适合于资助机构要求的投资类型。

居民业主-- 他们想知道建筑（房屋）总体上是否有问题。温度/湿度模 式的重大变化可以显示出结构的损坏（例如在地震频繁的地 区，高湿度或热和潮湿的气候）。另外，设计师、住宅承包商和房主（居住者 ）在规划和建造新房时，都面临着许多与能源有关的问题。 热问题可以通过使用热成像研究来揭示（见验证方法，第7 节），然而通过模拟实时能源使用情况，一段时间内的热性 能可能会发现较小空间和体积的低效设计的重要方面，而不 是大型建筑。这些设计上的考虑可以在早期规划中加以考虑 。可以对房屋进行成本效益评估，以便在建筑的生命周期内 利用高效的能源计划，或者对现有的设备/材料组件进行改 造。通过了解体积、室内外环境和人与人之间的交流如何通 过能源模拟来实现，热舒适度对所有人类居民来说也是非常 重要的。

所有的建筑建模可视化/模拟都依赖于专有的可视化工具， 这些工具在市场上是收费的（通常是高成本）。我们在X3D 中的实现不受特定可视化工具的约束，因此，用户可以自由 选择任何X3D播放器的实现方案。此外，由于X3D是一个开 放的国际标准，许多X3D播放器的实现都是可用的，可以根 据用户的具体需要进行定制。

7 使用红外成像的验证方法

提出了一种三维可视化和模拟系统的验证方法，使用红外（ IR）热成像仪。拍摄红外图像是为了暴露特定房间的潜在热 问题，这些问题可能是在施工后开始的（用于建成后的建模 ），如不良或不充分的绝缘、空气泄漏、加热和管道问题、 由于泄漏造成的水损害、冷凝、霉菌或其他潜在问题的识别 和位置，最终会影响热舒适性。

对于建筑设计的反馈实践和已建设施的性能来说，至关重要 的是实际获得性能验证工具和数据，以告知建筑承包商安装 质量、材料问题或可能与设施内某些区域有关的不良性能。 此外，可以部署技术解决方案来访问和解释智能能源表数据 ，以验证性能或表明调整的需要。这样的验证方法可以奖励 良好的结果，并建立起建筑物业主、贷款人和其他商业投资 者的信心。

随着供暖成本的飙升，热漏和热桥成为一种最常见的现象， 建筑保温质量成为当今一个紧迫的问题。热成像是确定建筑 物内空间能源效率的有力工具。在这里，它将被用于现有建 筑，以备调查潜在问题。模拟部分将确认问题的动态性质， 而热像仪将在某个时间点捕捉到要解决的整体问题。由于早 期的问题检测和事后的模拟研究，该程序可以节省维修时间 和加热成本。设施维护和设施管理人员可以参与这个过程， 承诺在发现问题后立即进行诊断和处理。

验证方法是通过对通过红外相机获得的热图进行视觉比较来 实现的并在某一特定时刻通过传感器。图11示意性地说明了这种热 图的一个例子。

图11：通过视觉比较的验证方法。 (a)红外相机成像和(b)X3D热图

假设在这个阶段有CAD或BIM模型，以便生成重点结构的X 3D热图。

在另一个例子中，住宅单元热水器上的潜在问题的红外图像 （图12）可以通过热成像进行验证，并通过本文前面介绍的 X3D传感和制图来发现。

图12：通过视觉红外相机成像验证一个潜在的热水器问题

其他各种情况也可以进行调查；用热成像仪可以简单地验证 建筑内热图所发现的问题，而热成像仪随后可以暴露出许多 其他肉眼看不见的东西，如：热损失模式、与能源损失有关 的问题、缺失或不良的绝缘材料、低效的加热或冷却系统、 水损害（图13）或潮湿地区的霉菌发展。这些都可以成为能 源审计的一部分，报告给建筑物业主，并向他们提供局部温 度和湿度值的精确测量。

图13：通过视觉红外成像验证漏水对结构造成的潜在损害顺便说一句，图13中发现的房间角落的问题有可能因漏水而 损坏结构。如果业主不采取行动，规定对屋顶或该建筑的外 部承重墙进行维修，水损害可能会威胁到整个建筑的结构完 整性。值得注意的是，在这种情况下，X3D绘图和验证过程 只是用于规定性的和仅用于维修目的，考虑到终端点传感器 获得的湿度和相对较低的温度数据。

8 结论

这项研究提出了一个基本的、具有成本效益的温度/湿度数 据采集系统和一个用于3D热图可视化和模拟的X3D模块。 该系统可用于评估住宅或商业建筑的热舒适度。我们提出的 X3D模型和传感器系统也可以在商业和住宅建筑的设计阶段 使用，以改善建筑围护结构和装配的设计，并产生重要的能 源节约。另一个潜在的应用是暖通空调系统的设计和设置， 特别是对于在各种条件下必须保持热舒适度的商业建筑（如 大量人群和储藏室的特殊相对湿度）。

建筑能源模型可以在设计开发阶段的早期应用，作为能源顾 问和建筑师之间的合作努力。最初的能源建模方案可以使用 正向模拟模型，如这个X3D计算机模拟，来预测年能耗和能 源成本的近似值。该研究将被扩展为处理全年季节中各种人 类舒适区的案例研究，因为湿度在热传递中起着主要作用。 许多其他因素影响着人类的热舒适度，如：新陈代谢率、衣 服的绝缘性、空气温度、平均辐射温度和空气速度。个人期 望等心理参数也会影响热舒适度，但这不在本文的讨论范围 之内。

研究人员将探索的一个方向是与外部温度的数据关联性。对 传感器记录的温度/湿度值的详细分析可能会与从美国不同 地点/地区的气象站收到的外部温度/湿度数据相关联，因为 它们提供了相对准确的读数。

虽然建筑信息模型（BIM）对建筑业来说并不是一个新概念 ，但建筑业最近把更多的考虑放在BIM和模拟工具的实际使 用上。尽管由于将这些文件（主要是参数化对象）转移到X 3D环境中而失去了智能，但所提出的系统用一个包含传感 器群的三维虚拟原型取代了建筑的虚拟模型，产生重要的热 信息，准备用于建筑的设计、评估和管理过程和/或运行。 这使得能源顾问能够向设计团队传达嵌入式信息，在建筑物 设计过程中，将建筑物的材料和规格整合到数据库中，并将 输入特征输出到其他分析工具，如CFD或能源模拟的热舒适 度。

这项研究最令人振奋的部分之一是将要实施的系统的成本效 益和无软件化。基于网络的热力图的可视化。这个过程可能是有用的，也可 以简化HVAC组件的设计和施工阶段。如果项目中的不同利 益相关者共享一个共同的基于网络的模型，该模型可用于整 个设计过程中的成本和能源分析，并用于舒适性目的，就可 以消除为居民的舒适性而进行的暖通空调组件的额外修改和 改造，从而在入住阶段节省劳动力和材料。所提出的表述和 建模技术也可以分发给承包商和业主，以改善设计的沟通意 图。很明显，传感器系统可以有效地用作建筑诊断工具，以 解决入住后可能出现的潜在问题。其中一些问题可能与所建 设施内的HVAC或其他机械/电气系统有关。

从另一个角度看，每小时模拟精度提高的主要代价是增加了 时间和精力，为了说明温度的动态变化，使更大规模的建筑 物更具互动性。这种图形模拟应该在早期规划阶段使用，以 确定与设计方案有关的影响的大小顺序。基于X3D传感器的 图形模拟所允许的早期设计影响分析类型可能代表了施工前 、施工和运营阶段的关键节约方面之一，并促进各自住宅或 商业建筑的可持续设计。

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