胡樓君 楊真靜 熊 珂

熱環(huán)境與人體熱舒適息息相關(guān)，極大地影響著人類的身心健康，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-2]。早期人們主要進(jìn)行室內(nèi)外熱環(huán)境的實(shí)測(cè)研究[3-5]，后來隨著科學(xué)的進(jìn)步與研究規(guī)模的擴(kuò)大，許多研究者將軟件模擬的方式運(yùn)用到熱環(huán)境研究中[6-7]。近年來，因?yàn)榇罅康膶?shí)測(cè)研究都表明，在小尺度上（0.01～1km），室外的微氣候?qū)κ覂?nèi)熱環(huán)境會(huì)產(chǎn)生很大的影響[8]，因此一些研究者們不再滿足于對(duì)室內(nèi)或室外熱環(huán)境的單獨(dú)模擬，而嘗試將城市微氣候模型與建筑能耗模型相耦合起來，以相互聯(lián)系的方式模擬室內(nèi)外熱環(huán)境。Sadeghipour Roudsari，Mostapha等人將能耗模擬軟件Energy Plus和風(fēng)環(huán)境模擬軟件OpenFoam整合入Rhino的可視化編程插件Grasshopper中，開發(fā)出了Ladybug工具集[9]。Gianpiero Evola利用ladybug工具，巧妙地將地形設(shè)置成實(shí)體空間，實(shí)現(xiàn)了平地形城市的室內(nèi)外熱環(huán)境同時(shí)模擬[10]（圖 1）。

圖1 Gianpiero Evola的耦合模擬方案[16]

我國(guó)存在大量山地聚落以及諸如重慶、大連之類的山地城市，單純依靠長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來研究熱環(huán)境很費(fèi)人力物力，所以實(shí)測(cè)結(jié)合模擬的方式極為必要。Envi-met等主流室外熱環(huán)境模擬軟件將室外環(huán)境建成多個(gè)方塊組成的粗尺度模型，對(duì)復(fù)雜地形的模擬精度難以提升。因此本文選取貴州山地聚落高蕩村為研究對(duì)象，參考Gianpiero Evola的模擬方法，并進(jìn)一步發(fā)掘Rhino-Ladybug建模靈活性在復(fù)雜形體熱環(huán)境模擬中的潛力，將曲面地形轉(zhuǎn)化為近似的平面化網(wǎng)格，將下墊面的曲線邊界轉(zhuǎn)化為近似的多段線，建立了近似曲面地形與曲線分界線下墊面的山地聚落能量模型，并以之進(jìn)行室內(nèi)外熱環(huán)境同時(shí)模擬，在不增加太多模型面的基礎(chǔ)上較大程度地提高模擬的準(zhǔn)確性。在以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬的可靠性后，依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)該聚落的熱環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)，以此為未來的山地聚落的室內(nèi)外熱環(huán)境研究提供參考。

1 研究對(duì)象及實(shí)測(cè)方案

1.1 聚落概況

研究對(duì)象選擇貴州黔中地區(qū)的高蕩村，它位于云貴高原東側(cè)梯級(jí)斜坡的中部，是世界上最為典型的喀斯特地貌集中區(qū)[11]，這種地貌區(qū)多山地，土質(zhì)單薄，石材豐富，這也是該山地聚落使用石材建造房屋的原因。高蕩村所在的鎮(zhèn)寧縣處于溫帶，屬季風(fēng)性氣候，年均氣溫15.3℃，年降雨量約1300mm。據(jù)國(guó)家氣象中心對(duì)1981年至2010年鎮(zhèn)寧地區(qū)氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[12]，鎮(zhèn)寧7月、8月平均氣溫較高，其中月平均最高氣溫出現(xiàn)在8月；12月、1月平均氣溫較低，其中月平均最低氣溫出現(xiàn)在1月。從累年各月平均氣溫上看，鎮(zhèn)寧地區(qū)夏季氣溫在22 ℃左右，冬季氣溫在6℃左右。

高蕩村離縣城1 3.5 k m，海拔約為1186.2m[13]。村寨被喀斯特峰林環(huán)繞，面朝西南，位于東北側(cè)山體內(nèi)凹處，以東西山峰為兩翼，北面山峰為靠背（圖2）。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)聚落內(nèi)部依據(jù)建成年代、下墊面狀況、地形、建筑朝向、建筑間距的不同，呈現(xiàn)出規(guī)律性的分布。依據(jù)以上屬性的不同，將聚落大體分為5個(gè)區(qū)域（圖3），5個(gè)區(qū)域的屬性參看表 1。

表1 聚落分區(qū)屬性

圖2 高蕩村照片

圖3 聚落分區(qū)

1.2 典型建筑

聚落內(nèi)的建筑主要一種是傳統(tǒng)的石板房，其結(jié)構(gòu)為木骨石墻，即內(nèi)部為穿斗式木結(jié)構(gòu)，外部為石材墻體，木結(jié)構(gòu)和兩側(cè)的石砌山墻共同承重（圖4）。其屋頂為厚度約2mm的石板鋪成的雙坡屋頂。

圖4 聚落內(nèi)典型建筑

1.3 實(shí)測(cè)方案

為給熱環(huán)境模擬提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)該聚落室內(nèi)外熱環(huán)境進(jìn)行實(shí)地測(cè)量（圖5）。測(cè)量的時(shí)間為2021年1月6日12：00到1月8日9：00，測(cè)試所用儀器參看表2，測(cè)試內(nèi)容為：聚落的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，5個(gè)區(qū)域典型位置室外風(fēng)速、室外溫濕度、室外平均輻射溫度（由三球溫度計(jì)算而來）和相近建筑的室內(nèi)溫濕度。

表2 測(cè)量?jī)x器

圖5 測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

取測(cè)量期間中的一天（1月6日12：00—1月7日12：00）進(jìn)行分析。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的室外溫差很小，除特殊時(shí)間外基本差距在0.5℃以內(nèi)，處于誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為是相同的；室外風(fēng)速也很小，平均值約為0.2m/s，其數(shù)小時(shí)的波動(dòng)幅度相對(duì)其值本身來說都非常大；室內(nèi)空氣溫度有較大差距（圖6），推測(cè)是由建筑的位置、方向、形體以及構(gòu)造的不同造成的；室外平均輻射有較大區(qū)別（圖7），可見周圍物體產(chǎn)生了不同的長(zhǎng)波輻射溫度，不同的遮陽(yáng)情況也導(dǎo)致了接受太陽(yáng)輻射量的區(qū)別。

圖6 室內(nèi)空氣溫度

圖7 室外平均輻射溫度

因此在之后地?zé)岘h(huán)境模擬中，對(duì)過小的風(fēng)速不進(jìn)行CFD模擬運(yùn)算，直接設(shè)定為一般均值；室外空氣溫度差異較小，加上軟件限制，故假設(shè)室外各點(diǎn)空氣溫度相同。

平均輻射溫度是室外熱環(huán)境主要區(qū)別所在，可以作為之后模擬驗(yàn)證的室外對(duì)照參數(shù)。室內(nèi)氣溫也有較大差距，可以作為之后熱環(huán)境模擬驗(yàn)證的室內(nèi)對(duì)照參數(shù)。

2 模擬方案及驗(yàn)證

依托Ladybug平臺(tái)建立聚落能量模型，以實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)為邊界條件進(jìn)行冬季熱環(huán)境模擬，之后將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模擬的有效性。

2.1 模型建立

從基于北斗衛(wèi)星的天地圖系統(tǒng)中獲取高程圖、衛(wèi)星地圖，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及網(wǎng)絡(luò)照片，來建立聚落幾何模型。首先從高程圖建立曲面地形，并結(jié)合照片對(duì)地形進(jìn)行微調(diào)修正。在以多段線劃分地形后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將外部山體設(shè)為粗網(wǎng)格，近聚落山體設(shè)為中粗網(wǎng)格，聚落內(nèi)地面設(shè)為細(xì)網(wǎng)格（圖8）。之后結(jié)合衛(wèi)星地圖與實(shí)地調(diào)研所得信息，對(duì)建筑進(jìn)行了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和窗戶的簡(jiǎn)化建模，并對(duì)實(shí)測(cè)建筑進(jìn)行了內(nèi)墻建模以備模擬驗(yàn)證。

圖8 三維模擬模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

模擬需要設(shè)置的參數(shù)分為時(shí)間參數(shù)、氣象參數(shù)、建筑構(gòu)造熱工參數(shù)、地面構(gòu)造熱工參數(shù)、建筑項(xiàng)目參數(shù)和模擬設(shè)置參數(shù)6種。

模擬的時(shí)間設(shè)為1月6日12：00到1月7日12：00。模擬的氣象信息以安順地區(qū)的2002年epw文件為基礎(chǔ)，并將實(shí)測(cè)的1月6日至1月8日的5個(gè)室外測(cè)點(diǎn)的空氣溫度、空氣濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度替換其中原始值。因?yàn)閷?shí)際測(cè)量室內(nèi)外風(fēng)速很小，所以將室內(nèi)風(fēng)速設(shè)置為0.1m/s，室外風(fēng)速設(shè)置為0.2m/s。另外，為獲得較為真實(shí)的起始?xì)庀鬆顟B(tài)，以氣象網(wǎng)站上獲取的1月1日至1月5日安順地區(qū)氣象信息替換epw中的原始值。

對(duì)于建筑構(gòu)造熱工參數(shù)，honeybee中可以詳細(xì)設(shè)定各項(xiàng)材料屬性、層次、厚度。材料屬性按照標(biāo)準(zhǔn)材料屬性表設(shè)置，材料層次及厚度按照實(shí)測(cè)值設(shè)置（表3）。因聚落內(nèi)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)大體類似，因此對(duì)于其他未實(shí)測(cè)建筑，按照實(shí)測(cè)建筑值進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，以便之后對(duì)該聚落熱環(huán)境進(jìn)行規(guī)律性評(píng)價(jià)。

表3 建筑構(gòu)造材料參數(shù)

對(duì)于地面構(gòu)造熱工參數(shù)，honeybee開發(fā)者設(shè)計(jì)了“create ep ground”電池，可以將zone定義為“地面”，并對(duì)其內(nèi)部和上表面材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置。植被的設(shè)置以energy plus自帶的綠化屋頂為基礎(chǔ)，并改變其參數(shù)使其更接近真實(shí)植被的情況（表4）。根據(jù)實(shí)際情況，將聚落內(nèi)部地面設(shè)置為稀疏植被、裸露土面、石板地面3種，將聚落外圍一圈山體表面設(shè)置成密集植被，而對(duì)更外圍的山體不設(shè)置為熱環(huán)境zone，而是設(shè)置為context（環(huán)境物體）（圖8），從而僅計(jì)算其對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋作用。對(duì)于建筑項(xiàng)目參數(shù)，honeybee中以program進(jìn)行設(shè)定，program中可以對(duì)設(shè)備、人員活動(dòng)、通風(fēng)、空氣滲透率等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定。本模擬中對(duì)實(shí)測(cè)建筑按照實(shí)際了解的情況進(jìn)行program參數(shù)設(shè)置，對(duì)其他未實(shí)測(cè)建筑按照一般常見值進(jìn)行設(shè)置。

表4 植被參數(shù)

模擬設(shè)置參數(shù)中，將“模擬時(shí)間步長(zhǎng)”設(shè)置為每小時(shí)6次，將“太陽(yáng)輻射分布計(jì)算方式”設(shè)置為“完全室內(nèi)室外反射”模式以獲得較為準(zhǔn)確的太陽(yáng)輻射分布狀況，將“陰影計(jì)算方式”設(shè)置為“像素計(jì)數(shù)”（Pixel Counting）以避免energy plus的“非凸形體”錯(cuò)誤。

2.3 電池組流程

Grasshopper中每個(gè)電池代表一個(gè)功能塊，電池左側(cè)為輸入端口，右側(cè)為輸出端口，連線表示將前一個(gè)電池輸出端口的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到后一個(gè)電池的輸入端口中。多個(gè)電池連接形成能執(zhí)行既定邏輯運(yùn)算的系統(tǒng)，稱為電池組。該熱環(huán)境模擬的電池組流程如圖9，從左往右即從建模到參數(shù)設(shè)置，到模擬運(yùn)行，到輸出空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度，再到最后計(jì)算PMV、UTCI的流程。

圖9 電池組流程圖

2.4 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬的有效性，并對(duì)比建內(nèi)墻（簡(jiǎn)稱為“X方案”）與不建內(nèi)墻（簡(jiǎn)稱為“Y方案”）兩種模擬的結(jié)果差距，現(xiàn)對(duì)A、B區(qū)域?qū)崪y(cè)建筑及其半徑40m范圍進(jìn)行熱環(huán)境模擬，并對(duì)比方案X與Y的模擬結(jié)果以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。模擬以實(shí)測(cè)的室外氣溫、濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為邊界條件，以模擬得出的室內(nèi)氣溫與室外平均輻射溫度為驗(yàn)證指標(biāo)。

模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的曲線如圖10、圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，X方案的室內(nèi)氣溫結(jié)果與實(shí)測(cè)值曲線大體相符，Y方案室內(nèi)氣溫結(jié)果比實(shí)測(cè)值要低約0.5℃。而室外平均輻射溫度方面，兩種模擬的結(jié)果基本一樣，都與實(shí)測(cè)值的變化曲線在大趨勢(shì)相似，在小的時(shí)間尺度區(qū)別較大。為進(jìn)一步分析模擬的誤差，計(jì)算X方案結(jié)果與實(shí)測(cè)值的均方根誤差（RMBE）。經(jīng)計(jì)算，室內(nèi)氣溫的X方案的室內(nèi)氣溫與實(shí)測(cè)值的RMBE為0.221，誤差較小。而對(duì)于室外平均輻射溫度，X方案結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的RMBE為0.645 ，誤差稍大一些。

圖10 A區(qū)實(shí)測(cè)與模擬方案比較

圖11 B區(qū)實(shí)測(cè)與模擬方案比較

對(duì)比結(jié)果表明，該熱環(huán)境模擬得出的室內(nèi)氣溫狀況較為準(zhǔn)確，得出的室外長(zhǎng)波輻射溫度在小時(shí)間尺度上差距較大，但在大的趨勢(shì)上較為符合真實(shí)情況，能夠用于中長(zhǎng)時(shí)間段的室外熱環(huán)境的研究。另外，不建內(nèi)墻的模擬會(huì)得到偏低一點(diǎn)的室內(nèi)氣溫，而室外平均輻射溫度基本相同。建內(nèi)墻的模擬能得到更接近真實(shí)情況的結(jié)果。

3 基于模擬的聚落夏季熱環(huán)境評(píng)價(jià)

高蕩村作為一個(gè)歷史文化旅游景區(qū)，在寒冷的冬季并沒有太多游客前往，但是在夏季時(shí)往往有許多人前往此處游玩。因此，針對(duì)夏季室內(nèi)外熱環(huán)境，以安順地區(qū)典型氣象年的epw文件為氣候背景，在5個(gè)區(qū)域中各劃出半徑40m的圓形區(qū)域作為研究范圍（圖12），進(jìn)行8月共31天的12：00～14：00的熱環(huán)境模擬，并輸出各區(qū)域的建筑室內(nèi)PMV和多個(gè)室外測(cè)點(diǎn)的UTCI的單位時(shí)間平均值，進(jìn)而結(jié)合兩種指標(biāo)對(duì)應(yīng)的熱感覺（表5）分析其熱環(huán)境狀況。

表5 PMV與UTCI評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖12 模擬區(qū)域

模擬得出的分區(qū)域熱環(huán)境結(jié)果及分析評(píng)價(jià)參看表 6，經(jīng)分析可知，該聚落內(nèi)的室內(nèi)熱環(huán)境受到多方面因素的影響：①對(duì)于室外熱環(huán)境，影響最為顯著的是建筑疏密度，越空曠的地方往往越炎熱，建筑越密集和離建筑越近的地方越?jīng)鏊涣硗?，山體也有較大影響，南向山坡上比平地更炎熱，南側(cè)靠山體的地方往往更涼爽；石板地面區(qū)域與植被區(qū)域的熱環(huán)境也有一定區(qū)別，石板地面區(qū)域往往較為炎熱，而植被具有降溫作用，故而植被及附近區(qū)域大多更涼爽。②對(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境，密集排布、相互連接的石板房?jī)?nèi)更為涼爽，而排布稀疏又沒有任何山體遮擋的石板房?jī)?nèi)往往更熱。另外，建筑室內(nèi)熱環(huán)境并不一定完全與室外熱環(huán)境正相關(guān)，B與C區(qū)室外都有大片炎熱空地，但是B區(qū)是密集建筑環(huán)繞開闊廣場(chǎng)，廣場(chǎng)的存在有助于建筑側(cè)向散熱，故而室內(nèi)更涼爽。

表6 模擬結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

4 討論

4.1 聚落熱環(huán)境改善

夏季熱環(huán)境模擬的結(jié)果表明在夏季該聚落部分區(qū)域室外較熱，需要通過一定方式來改善?？梢栽诳諘绲貛г龇N植被，一方面植物蒸騰作用有助于降溫，另一方面高大的植被可以增加遮陽(yáng)、減少石板地面接受到的太陽(yáng)輻射。對(duì)于建筑室內(nèi)較熱的區(qū)域，除了多種樹外，可以考慮在建筑一側(cè)加建小型石墻構(gòu)筑物作為廂房或者店面，以加強(qiáng)石板房的聚集降溫效應(yīng)。另外在聚落內(nèi)規(guī)劃新建石板房時(shí)，可以考慮以密集排布建筑環(huán)繞集中廣場(chǎng)的策略，從而獲得較好的室內(nèi)外熱環(huán)境狀況。

4.2 模擬研究中存在的局限性

在冬夏兩季模擬對(duì)比中X、Y方案的室外平均輻射溫度大致一樣，但考慮到X方案只對(duì)一個(gè)建筑進(jìn)行了內(nèi)墻建模，而室外測(cè)點(diǎn)受到多個(gè)建筑外表面的熱輻射，因此可以推測(cè)以Y方案模擬輸出的室外平均輻射溫度與實(shí)際情況有一定誤差；其次，因軟件限制未進(jìn)行CFD模擬獲取更準(zhǔn)確的室外溫度和濕度，所以室外UTCI的值還存在一些誤差。Energy plus熱環(huán)境模擬中，植被僅考慮了熱工屬性，而未考慮其蒸騰作用導(dǎo)致的溫濕度變化，所以夏季實(shí)際熱環(huán)境應(yīng)更涼爽一些。

結(jié)語(yǔ)

本文在以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有效性的基礎(chǔ)上，模擬并分析評(píng)價(jià)了石板房聚落高蕩村的夏季熱環(huán)境，得出其室外熱環(huán)境需要改善、室內(nèi)熱環(huán)境較好的結(jié)論，并提出了增加植被，加建小型構(gòu)筑物的改善方式，對(duì)于山地聚落的熱環(huán)境改善具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。模擬和研究過程將室內(nèi)和室外的熱環(huán)境統(tǒng)一考慮，并于最后將UTCI、PMV統(tǒng)一表現(xiàn)在熱環(huán)境平面圖上，體現(xiàn)了較好的準(zhǔn)確性、可操作性和拓展性，為更深入的山地聚落甚至是山地城市的熱環(huán)境研究提供了參考。為了得到更精確有效的結(jié)果，未來的研究可以進(jìn)一步發(fā)掘Ladybug的靈活性，考慮對(duì)所有建筑進(jìn)行室內(nèi)墻體的建模、利用butterfly進(jìn)行CFD模擬以獲得更準(zhǔn)確的室外熱環(huán)境參數(shù)、通過調(diào)用外部插件將植物的蒸騰作用添加到熱環(huán)境模擬中來。

資料來源：

圖1：參考文獻(xiàn)[10]；

文中其余圖表均為作者自攝自繪。