李旋旗+张飞飞+尹锴

摘 要：目前建筑节能监测评估技术多停留在单体建筑实测与模型模拟阶段，由于很难在城市规划层面上直观展示建筑热散失情况及其空间分布特征，使其在大尺度应用层面上的受限，在一定程度上制约了城市建筑节能的整体有序发展和目标实现。本文在总结国内外建筑节能监测评估技术起源与研究现状的基础上，分析该领域已有技术的优势与不足，提出结合实测数据进行反演的遥感监测评估技术是未来发展趋势和大规模城市建设信息化的技术基础，以期为我国建筑节能监测评估及后期的城市规划编制提供清晰、快速、客观的技术支持。

关键词：城市规划；建筑节能；遥感；热红外

中图分类号：F426.92 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0004-03

随着全球气候变暖问题日益凸显，建筑节能领域也为越来越多的学者所关注。自上个世纪70年代爆发的石油危机开始，西方国家逐渐关注和开展建筑节能领域的研究工作，而目前建筑能耗约占我国社会終端能耗的28%左右，已与工业能耗、交通能耗并列，成为我国三大能耗之一[1]，与之相关的研究也成为近年来国内的学术热点。我国当前对建筑节能监测技术及相关应用研究给予高度重视，由国家投资建设了集能耗动态数据采集、远传、存储、分析等功能的建筑节能监测平台，目的是能更加准确、客观的获取建筑能源相关数据。通过对新技术和新方向的不断摸索，国内的主要研究团队正致力于开展建筑能耗监管、建筑能耗模拟、大型公建节能分项计量、建筑节能潜力分析及建筑节能设计等研究工作。

传统的建筑能耗监测方法通常包括专家考评、问卷调查、实地测量、软件模拟等形式，但这些方法往往都有着各自的局限性。如专家考评和问卷调查无法客观的反映建筑的现实节能水平；实地监测虽然可以获得较准确的数据，但相较之下其工作量过大，且难以全面地体现建筑的热散失情况及其空间分布特征；软件模拟尽管能够降低工作量和数据获取的时间成本，但其精确性无法保证，不能作为节能监管的依据。因此，快速、准确的建筑节能客观评估手段的缺乏已经越来越严重的制约着我国建筑节能工作的深入发展，阻碍着建筑节能措施和政策的全面开展及实施。

近些年来，基于高中分辨率的热红外卫星遥感技术不断发展，在城市热环境及建筑能耗相关研究中已经开始发挥愈来愈重要的作用[2]。在传统监测手段的基础上引入先进的遥感技术，发展新的建筑节能监测与评估方法已经成为现下的大势所趋。

1 建筑节能研究起源

上世纪70年代，西方国家意识到建筑节能的重要性，美国能源信息管理局（Energy Information Administration，EIA）便率先开始了建筑能耗相关调查和研究[1]，从一开始的住宅建筑、公共建筑的能耗调查，到获取典型建筑物能耗特征，最后建立了全国尺度的建筑能耗数据库。而今，他们的建筑能耗统计数据库已经基本完成，其中加州的CEUS和能源部开发的CBECS是现下使用较为广泛、建筑基础数据较为全面的数据库[1，3]。英国建筑能耗状况数据库建立在对公共建筑节能情况进行等级划分的基础之上，新建筑必须通过能耗测评，得到地方政府批准之后才可以开工[4]。日本住宅类建筑能耗数据库分析了能源消费与居住人口、建筑形态、年均收入和地域差异等的关系，可以推算出不同使用类型的能源消费构成[5]。

我国目前的建筑能耗监测分析网络仍不完善，缺少直接实测数据来反映建筑运行能源消耗状况，而我国能源统计方式还不能用于直接衡量建筑能耗状况[6]。上世纪80年代建设部就开展了我国民用建筑能源消耗量调查及建筑节能技术标准研究，目的是为了查明我国城市采暖住宅数目及它们的实际能耗情况，尽管当时的技术条件无法精确量化出不同建筑的能耗比，但这些前期工作为之后的建筑能耗统计以及节能设计标准的制定打下了基础。在发改委、建设部、国家能耗办等部门的支持下，清华大学建筑节能研究中心从2007年开始对我国建筑节能领域每年的最新成果进行汇编，推出《中国建筑节能年度发展研究报告》[7]。同年起，建设部制定的《民用建筑能耗统计报表制度》开始试行，2010年建设部修订出台了《民用建筑能耗和节能信息统计报表制度》，并在全国范围内实施。在地方政府层面，深圳完成了约450栋大型公共建筑的基本信息及能耗数据库，安装了50栋建筑的能耗动态实时监测设备，在建设部和科技部组织的项目验收评审中，与会专家们一致给予好评，被评价为“全国第一个完成国家机关办公建筑和大型公共建筑平台建设试点的城市”[1]。

2 传统建筑能耗监测技术优缺点分析

在传统建筑节能监测方面，目前除了最早采用的专家考评、问卷调查方法之外，比较成熟的建筑能耗监测方法包括现场实地检测和软件模拟技术。主流的现场检测方法包括有热箱法、常功率平面热源法、热流计法、控温箱热流计法等。现场检测技术能够准确获取单体建筑的有效信息，然而存在以测试单元代表整栋建筑能耗状况的缺陷，且无法全面掌握建筑墙体或屋面的热损耗情况，而软件模拟技术通过将建筑参数输入能耗模型，可以得到数字化的可视图件，给出分析报告，具有直观、快速、成本低等特点[8]。

2.1 建筑能耗现场检测技术

热流计法是现下的主要检测方法之一，多应用于不同材料构成的围护结构热工性能可实施性分析。美国ASTM标准与国际标准都对热流计法进行了较详细的规定，通过测量围护结构的热量与表面温度，计算评定其热阻性能以及传热能力，从而评价建筑的节能效果。但在具体检测过程中，环境因素往往对热流计检测结果的影响很大，包括太阳辐射、温度等都属于环境影响因素[9]。

热箱法检测最初用于建筑构件热工性能的实验室检测，其特点是不受季节限制、设备操作简便、自动化程度较高。原理是通过热箱来使室温增高，待两侧热量平衡时，记录被测部位通过热量进而计算其传热系数。此方法的局限性在于很难消除现场误差且很难对热桥部位进行测试[10]。endprint

控温箱热流计法综合了热流计法和热箱法两种方法的特点，基于控温箱调控温度并模拟建筑物采暖期热工状况，用热流计法检测被测对象的传热系数。此方法解决了热流计法的季节限制问题，但由于其发明使用时间较短，尚需严密的理论推导与检验[11]。

常功率平面热源法适用于建筑材料和其它隔热材料热物理性的测试，是在墙体内表面加一个平面恒定热源，在一定加热时间后，通过墙体内外表面温度测定计算墙体传热系数。该方法避免了外界气候和墙体本身的影响，也降低了室内外空气温度变化给传热过程造成的影响，具有测试时间灵活、测试过程短、测量精度高等优点[12]。

2.2 建筑能耗软件模拟技术

用计算机进行建筑能耗模拟研究始于上世纪60年代中期，目前在世界范围内已有多款建筑能耗软件投入应用。此类软件可对建筑能耗进行定性或定量模拟和评估，为落实建筑节能规范提供了数据支撑，同时也促进了行业规范和技术标准的发展。

美国在20世纪70年代中期即开发了DOE（Department Of Experiment）和BLAST（Building Load Analysis and System Thermodynamics）是最早开展此类研究的国家之一，前者运算速度更快，后者则精度更高，但由于这两个软件均有一定缺陷，美国于上世纪90年代末进一步开发了全新能耗分析软件EnergyPlus。该软件集DOE和BLAST优点于一身，显著地改进了计算工艺和程序结构。欧洲国家以英国开发的ECotect建筑节能设计与节能分析软件为代表，其它还有瑞典的IDE ICE、丹麦的BSim、澳大利亚的Energy Express等等，都是目前世界上使用较广泛的建筑能耗模拟软件。亚洲国家中日本最先意识到了建筑能耗模拟技术的重要性，在上世纪70年代便完成了用于日本建筑节能标准评估的HASP软件。尽管我国在这方面起步相对滞后，但如此也开发出了一些实用性较强的软件，从早期的BTP到后来开发的用于设计模拟分析的工具DeST都应用较为广泛。

3 建筑节能遥感监测应用基础

就当前趋势看来，遥感监测将是建筑节能监测技术发展的必然方向。随着遥感技术不断成熟和相关数据产品的系列化、多样化，遥感研究逐步向主动遥感、高分辨率影像、定量化等方向发展，同时遥感在城市建筑研究中的应用也日趋广泛，包括违规建设用地监测、城市建筑物提取、建筑结构变形监测、建筑密度与容积率信息提取、建筑物震害识别等等，而高分卫星热红外遥感技术的发展完善则促进了遥感技术在城市热环境监测相关研究中的应用。迄今为此，国内外都开展了很多的地表热能相关研究，但多集中于城市热场机制与热环境研究、地表温度反演、城市不同地物热属性研究、城市热岛效应分析等方面。

1970年美国便发射了NOAA系列卫星，基于甚高分辨率辐射仪（AVHRR）获取了空间分辨率为1千米左右的热红外遥感数据。之后，许多国家都陆续发射了同类型的卫星，但它们的空间分辨率均在1千到2万米之间，主要目的是用于全球、洲际等大尺度陆表反射率及亮温反演。再后来的TERRA卫星的先进星载热量散发和反辐射仪（ASTER）和LANDSAT7卫星的增强型主题成像传感器（ETM+）的空间分辨率则分别达到了90米和60米，可以满足城市热环境及建筑能耗遥感监测的基本需求。

红外热像仪在建筑节能监测中的应用始于上世纪70年代的西方国家，有力促进了建筑工程结构质量检测与评估技术的发展。红外热成像技术具有检测距离远、不接触被测物体、监测面积大、高效快速等等很多优势。但这一方法的不足在于很难保证测试结果的稳定性和精确性，且周边环境因素影响过大。2007年在建设部支持下，中科院遥感所开展了“城市建筑热能损失遥感监测评估技术研究”，这也是我国较早将遥感应用于建筑节能监测。该项目结合遥感与地理信息技术，探索快速监测评价城市建筑热能损失的技术与方法，同时以沈阳和鄂尔多斯为两个研究区进行了方法验证，取得了较好的应用效果[13]。

4 建筑节能遥感监测技术方案

传统建筑能耗实地监测方法的局限性促进了新建筑能耗快速监测技术的产生，在众多的城市研究领域，遥感技术的优势都让研究者们认识到了大面积建筑能耗快速监测的可能，将遥感技术与传统方法相结合是建筑节能监测技术发展的必然趋势。因此，综合该领域遥感相关及相近研究成果，设计建筑节能效果遥感监测技术方案如图1所示。

4.1 建筑物边界提取

首先，基于高分辨率卫星遥感影像完成城市区域建筑物提取，生成相应的矢量图件，为后期的建筑物周边热环境遥感监测提供准确的边界。对高分遥感影像进行几何校正、辐射校正，利用面向对象的分类方法，结合地物实地调查对城市建筑物进行提取，并验证分类提取的精度。

4.2 城市整体热环境遥感监测

将研究区热红外遥感影像用于城市区域的地表温度反演，全面掌握城市热岛效应的主要影響范围，获取城市地表温度数据与热岛分布图。获取研究区夏季、冬季的热红外遥感影像，依据覃志豪单窗算法反演地表温度。在此基础上，利用密度分割技术进行地表温度等级划分，分为低温、较低温、次中温、中温、次高温、高温和特高温等七个热力等级，完成了城市热岛空间分布图。

4.3 单体建筑热散失效应遥感反演

采用分层随机抽样方法，结合建筑空间信息特征及城市热岛空间分布特征，确定具有代表性的典型建筑物作为实地观测目标。通过对实测目标的建筑内、外温度，以建筑外表面实测温度验证遥感反演精度，对建筑物外表面温度（遥感反演）、室内外温度差及建筑热散失状况之间进行相关分析，对城市建筑热散失效应进行评价，建立单体建筑热散失效应遥感反演与评估方法。

4.4 城市建筑热散失遥感监测评估

基于建筑表面温度与建筑热散失状况遥感反演模型及实地数据验证，在已经建立建筑热散失等级分类的热红外遥感影像解译标志库基础上，提取城市的建筑热散失空间分布特征，同时对研究区域的建筑节能效果进行整体性空间评价，绘制建筑热散失等级分布图。endprint

5 结语

目前建筑节能监测评估技术多停留在单体建筑实测与模型模拟阶段，由于很难在城市规划层面上直观展示建筑热散失情况及其空间分布特征，使其在大尺度应用层面上的受限，在一定程度上制约了城市建筑节能的整体有序发展和目标实现。

自“十二五”期间开始，我国的节能工作重点更多的转向建筑节能领域，城市建筑节能效果监管被提上议程，大面积且快速的建筑节能监测评估技术已成为监管部门的迫切需要。与实测反演数据相结合的建筑节能遥感监测评估技术将是未来的发展趋势和大规模城市建设信息化的技术基础，而更高分辨率的热红外卫星遥感数据将大幅提高该技术的监测评估精度，可望为国家的建筑节能潜力挖掘和能源结构调整提供有力的技术支撑。

参考文献

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