基于Ladybug的山地聚落室內外熱環(huán)境研究

胡樓君 楊真靜 熊 珂

熱環(huán)境與人體熱舒適息息相關，極大地影響著人類的身心健康，受到學者們的廣泛關注[1-2]。早期人們主要進行室內外熱環(huán)境的實測研究[3-5]，后來隨著科學的進步與研究規(guī)模的擴大，許多研究者將軟件模擬的方式運用到熱環(huán)境研究中[6-7]。近年來，因為大量的實測研究都表明，在小尺度上（0.01～1km），室外的微氣候對室內熱環(huán)境會產生很大的影響[8]，因此一些研究者們不再滿足于對室內或室外熱環(huán)境的單獨模擬，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)系的方式模擬室內外熱環(huán)境。Sadeghipour Roudsari，Mostapha等人將能耗模擬軟件Energy Plus和風環(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，巧妙地將地形設置成實體空間，實現(xiàn)了平地形城市的室內外熱環(huán)境同時模擬[10]（圖 1）。

圖1 Gianpiero Evola的耦合模擬方案[16]

我國存在大量山地聚落以及諸如重慶、大連之類的山地城市，單純依靠長期實測數(shù)據(jù)來研究熱環(huán)境很費人力物力，所以實測結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)境建成多個方塊組成的粗尺度模型，對復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象，參考Gianpiero Evola的模擬方法，并進一步發(fā)掘Rhino-Ladybug建模靈活性在復雜形體熱環(huán)境模擬中的潛力，將曲面地形轉化為近似的平面化網格，將下墊面的曲線邊界轉化為近似的多段線，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，并以之進行室內外熱環(huán)境同時模擬，在不增加太多模型面的基礎上較大程度地提高模擬的準確性。在以實測數(shù)據(jù)驗證了模擬的可靠性后，依據(jù)模擬結果對該聚落的熱環(huán)境進行了簡單的評價，以此為未來的山地聚落的室內外熱環(huán)境研究提供參考。

1 研究對象及實測方案

1.1 聚落概況

研究對象選擇貴州黔中地區(qū)的高蕩村，它位于云貴高原東側梯級斜坡的中部，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，屬季風性氣候，年均氣溫15.3℃，年降雨量約1300mm。據(jù)國家氣象中心對1981年至2010年鎮(zhèn)寧地區(qū)氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計[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，位于東北側山體內凹處，以東西山峰為兩翼，北面山峰為靠背（圖2）。經過現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)聚落內部依據(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個區(qū)域（圖3），5個區(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

聚落內的建筑主要一種是傳統(tǒng)的石板房，其結構為木骨石墻，即內部為穿斗式木結構，外部為石材墻體，木結構和兩側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 聚落內典型建筑

1.3 實測方案

為給熱環(huán)境模擬提供驗證數(shù)據(jù)，對該聚落室內外熱環(huán)境進行實地測量（圖5）。測量的時間為2021年1月6日12：00到1月8日9：00，測試所用儀器參看表2，測試內容為：聚落的太陽輻射強度，5個區(qū)域典型位置室外風速、室外溫濕度、室外平均輻射溫度（由三球溫度計算而來）和相近建筑的室內溫濕度。

表2 測量儀器

圖5 測量現(xiàn)場

取測量期間中的一天（1月6日12：00—1月7日12：00）進行分析。實測結果顯示，5個測點的室外溫差很小，除特殊時間外基本差距在0.5℃以內，處于誤差范圍內，可認為是相同的；室外風速也很小，平均值約為0.2m/s，其數(shù)小時的波動幅度相對其值本身來說都非常大；室內空氣溫度有較大差距（圖6），推測是由建筑的位置、方向、形體以及構造的不同造成的；室外平均輻射有較大區(qū)別（圖7），可見周圍物體產生了不同的長波輻射溫度，不同的遮陽情況也導致了接受太陽輻射量的區(qū)別。

圖6 室內空氣溫度

圖7 室外平均輻射溫度

因此在之后地熱環(huán)境模擬中，對過小的風速不進行CFD模擬運算，直接設定為一般均值；室外空氣溫度差異較小，加上軟件限制，故假設室外各點空氣溫度相同。

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證的室外對照參數(shù)。室內氣溫也有較大差距，可以作為之后熱環(huán)境模擬驗證的室內對照參數(shù)。

2 模擬方案及驗證

依托Ladybug平臺建立聚落能量模型，以實測氣象數(shù)據(jù)為邊界條件進行冬季熱環(huán)境模擬，之后將模擬結果與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了模擬的有效性。

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，并結合現(xiàn)場調研以及網絡照片，來建立聚落幾何模型。首先從高程圖建立曲面地形，并結合照片對地形進行微調修正。在以多段線劃分地形后對其進行網格化處理，將外部山體設為粗網格，近聚落山體設為中粗網格，聚落內地面設為細網格（圖8）。之后結合衛(wèi)星地圖與實地調研所得信息，對建筑進行了外圍護結構和窗戶的簡化建模，并對實測建筑進行了內墻建模以備模擬驗證。

圖8 三維模擬模型

2.2 參數(shù)設置

模擬需要設置的參數(shù)分為時間參數(shù)、氣象參數(shù)、建筑構造熱工參數(shù)、地面構造熱工參數(shù)、建筑項目參數(shù)和模擬設置參數(shù)6種。

模擬的時間設為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，并將實測的1月6日至1月8日的5個室外測點的空氣溫度、空氣濕度、太陽輻射強度替換其中原始值。因為實際測量室內外風速很小，所以將室內風速設置為0.1m/s，室外風速設置為0.2m/s。另外，為獲得較為真實的起始氣象狀態(tài)，以氣象網站上獲取的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。

對于建筑構造熱工參數(shù)，honeybee中可以詳細設定各項材料屬性、層次、厚度。材料屬性按照標準材料屬性表設置，材料層次及厚度按照實測值設置（表3）。因聚落內建筑圍護結構大體類似，因此對于其他未實測建筑，按照實測建筑值進行統(tǒng)一設定，以便之后對該聚落熱環(huán)境進行規(guī)律性評價。

表3 建筑構造材料參數(shù)

對于地面構造熱工參數(shù)，honeybee開發(fā)者設計了“create ep ground”電池，可以將zone定義為“地面”，并對其內部和上表面材質進行設置。植被的設置以energy plus自帶的綠化屋頂為基礎，并改變其參數(shù)使其更接近真實植被的情況（表4）。根據(jù)實際情況，將聚落內部地面設置為稀疏植被、裸露土面、石板地面3種，將聚落外圍一圈山體表面設置成密集植被，而對更外圍的山體不設置為熱環(huán)境zone，而是設置為context（環(huán)境物體）（圖8），從而僅計算其對太陽輻射的遮擋作用。對于建筑項目參數(shù)，honeybee中以program進行設定，program中可以對設備、人員活動、通風、空氣滲透率等進行詳細設定。本模擬中對實測建筑按照實際了解的情況進行program參數(shù)設置，對其他未實測建筑按照一般常見值進行設置。

表4 植被參數(shù)

模擬設置參數(shù)中，將“模擬時間步長”設置為每小時6次，將“太陽輻射分布計算方式”設置為“完全室內室外反射”模式以獲得較為準確的太陽輻射分布狀況，將“陰影計算方式”設置為“像素計數(shù)”（Pixel Counting）以避免energy plus的“非凸形體”錯誤。

2.3 電池組流程

Grasshopper中每個電池代表一個功能塊，電池左側為輸入端口，右側為輸出端口，連線表示將前一個電池輸出端口的數(shù)據(jù)導入到后一個電池的輸入端口中。多個電池連接形成能執(zhí)行既定邏輯運算的系統(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)設置，到模擬運行，到輸出空氣溫度、空氣濕度、平均輻射溫度，再到最后計算PMV、UTCI的流程。

圖9 電池組流程圖

2.4 結果驗證

為了驗證模擬的有效性，并對比建內墻（簡稱為“X方案”）與不建內墻（簡稱為“Y方案”）兩種模擬的結果差距，現(xiàn)對A、B區(qū)域實測建筑及其半徑40m范圍進行熱環(huán)境模擬，并對比方案X與Y的模擬結果以及實測數(shù)據(jù)。模擬以實測的室外氣溫、濕度、太陽輻射強度為邊界條件，以模擬得出的室內氣溫與室外平均輻射溫度為驗證指標。

模擬結果與實測結果的曲線如圖10、圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，X方案的室內氣溫結果與實測值曲線大體相符，Y方案室內氣溫結果比實測值要低約0.5℃。而室外平均輻射溫度方面，兩種模擬的結果基本一樣，都與實測值的變化曲線在大趨勢相似，在小的時間尺度區(qū)別較大。為進一步分析模擬的誤差，計算X方案結果與實測值的均方根誤差（RMBE）。經計算，室內氣溫的X方案的室內氣溫與實測值的RMBE為0.221，誤差較小。而對于室外平均輻射溫度，X方案結果與實測數(shù)據(jù)的RMBE為0.645 ，誤差稍大一些。

圖10 A區(qū)實測與模擬方案比較

圖11 B區(qū)實測與模擬方案比較

對比結果表明，該熱環(huán)境模擬得出的室內氣溫狀況較為準確，得出的室外長波輻射溫度在小時間尺度上差距較大，但在大的趨勢上較為符合真實情況，能夠用于中長時間段的室外熱環(huán)境的研究。另外，不建內墻的模擬會得到偏低一點的室內氣溫，而室外平均輻射溫度基本相同。建內墻的模擬能得到更接近真實情況的結果。

3 基于模擬的聚落夏季熱環(huán)境評價

高蕩村作為一個歷史文化旅游景區(qū)，在寒冷的冬季并沒有太多游客前往，但是在夏季時往往有許多人前往此處游玩。因此，針對夏季室內外熱環(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PMV和多個室外測點的UTCI的單位時間平均值，進而結合兩種指標對應的熱感覺（表5）分析其熱環(huán)境狀況。

表5 PMV與UTCI評價指標

圖12 模擬區(qū)域

模擬得出的分區(qū)域熱環(huán)境結果及分析評價參看表 6，經分析可知，該聚落內的室內熱環(huán)境受到多方面因素的影響：①對于室外熱環(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涼爽；另外，山體也有較大影響，南向山坡上比平地更炎熱，南側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對于室內熱環(huán)境，密集排布、相互連接的石板房內更為涼爽，而排布稀疏又沒有任何山體遮擋的石板房內往往更熱。另外，建筑室內熱環(huán)境并不一定完全與室外熱環(huán)境正相關，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，廣場的存在有助于建筑側向散熱，故而室內更涼爽。

表6 模擬結果及分析評價

4 討論

4.1 聚落熱環(huán)境改善

夏季熱環(huán)境模擬的結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、減少石板地面接受到的太陽輻射。對于建筑室內較熱的區(qū)域，除了多種樹外，可以考慮在建筑一側加建小型石墻構筑物作為廂房或者店面，以加強石板房的聚集降溫效應。另外在聚落內規(guī)劃新建石板房時，可以考慮以密集排布建筑環(huán)繞集中廣場的策略，從而獲得較好的室內外熱環(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方案只對一個建筑進行了內墻建模，而室外測點受到多個建筑外表面的熱輻射，因此可以推測以Y方案模擬輸出的室外平均輻射溫度與實際情況有一定誤差；其次，因軟件限制未進行CFD模擬獲取更準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致的溫濕度變化，所以夏季實際熱環(huán)境應更涼爽一些。

結語

本文在以實測數(shù)據(jù)驗證了有效性的基礎上，模擬并分析評價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、室內熱環(huán)境較好的結論，并提出了增加植被，加建小型構筑物的改善方式，對于山地聚落的熱環(huán)境改善具有實踐指導意義。模擬和研究過程將室內和室外的熱環(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果，未來的研究可以進一步發(fā)掘Ladybug的靈活性，考慮對所有建筑進行室內墻體的建模、利用butterfly進行CFD模擬以獲得更準確的室外熱環(huán)境參數(shù)、通過調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[10]；

文中其余圖表均為作者自攝自繪。