建成环境性能的虚拟仿真实验软件开发——传热系数及其影响因素

■ 叶 海 YE Hai 罗小华 LUO Xiaohua

0 引言

自2013年教育部重点建设国家级虚拟仿真实验教学中心以来，虚拟仿真实验教学得到蓬勃发展，中心数量有了明显增加。实验教学中心早期以土木水利[1]、机械电子[2]等理工类为主，现在则覆盖了建筑规划[3,4]、经济管理[5]、化学化工[6]、分子生物[7]、临床医学[8]、心理学[9]等众多学科门类。

网络传输速度的持续突破、移动终端的普及、互联网基础设施的改善，给各行各业都带来了革命性的变化，在线教学（互联网大学、网络课堂、慕课等）异军突起，“共享经济”成为了经济发展的热点。部分有实力、有资源的高校和机构从事供给侧“内容”的开发，使得共享优质教育资源成为可能。在此背景下，同济大学建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心结合“双一流”学科建设，持续进行了虚拟仿真实验内容的开发。

1 “传热系数”虚拟仿真实验软件简介

本软件由同济大学国家级建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心组织开发，是建成环境性能虚拟仿真系列软件之一[10]。该系列软件针对的是同一类课程、同一批学生，因而在内容选取、界面风格、任务设置、操作习惯等方面保持了连续性和一致性。

本软件为《建筑物理》课程中，与建筑热工相关的实验教学内容。本着由浅入深、逐步开发的思路，选取建筑热工中最为基本的概念“传热系数”为对象，将相关基础知识、规范要求、实验操作等内容进行合理编排，设计虚拟仿真实验场景，即采用三维虚拟仿真形式，通过在不同场景中交互操作，对传热系数的实验步骤进行学习。同时，也可以改变围护结构的不同墙体材料组合，查看传热系数的变化和对应的能耗变化，以此作为辅助手段来加强对传热系数及其影响因素的认识。

软件选取了上海地区一典型居民住宅作为虚拟仿真对象（图1），即以居室环境为主要场景，结合上海的气象数据，对不同围护结构下的全年供热空调能耗、外墙内表面平均温度、墙体热流等分别进行计算，并通过直观的图形、动画等方式进行展示对比。5个任务模块显示在主界面的底端，包括基础知识查阅、传热系数测量、传热系数认知、传热系数感知和知识考查（牛刀小试）。每个任务操作后，会自动上传提交成绩，并由后台汇总所有学生的成绩（选取各次任务的历史最好成绩）。

1.1 基础知识查阅

进入软件后，主界面默认打开第一个任务，即基础知识查阅（图1）。本任务由主界面左侧提供夏季围护结构不稳定传热、冬季围护结构稳定传热、墙体内部温度分布和我国热工分区4个子任务的学习；主界面右侧可以查阅传热系数的定义单位与计算公式，以及涉及到传热系数的标准与规范。该部分内容是对《建筑物理》教材中，相关内容的回顾与总结，通过多媒体方式简洁直观地进行呈现，使学生在实验之前，熟悉必要的基础知识。

1.2 传热系数测量

“热箱法测量构件的总传热系数”是建筑热工学的一项基本实验，但限于硬件资源、实验场地和课时等多方面的限制，很多学校都没有开设。虚拟仿真实验正好弥补了这一缺陷。传热系数测量任务提供了传热系数测量原理、测量规范和测量报告范本的知识查阅，使用者可查看测试设备的三维模型，了解测试设备的名称及相关性能参数，提供测试设备的模拟连接和模拟试验。

本任务下有“设备连线”和“测试”两个子任务。对每一实验设备可以双击鼠标旋转查看三维模型及其相应的名称、功能的介绍。在操作逻辑上，要求必须完成设备连接后，才能开始测试。“设备连线”提供了演示模式（图2），会逐步演示连接过程，并有语音和文字说明，学生可以先在此模式下进行学习。在操作模式下，可以点击“原理图示”查看线路连接的原理，点击“步骤提示”查看每一步的操作说明。该过程有完成进度的提示，并可重置连线重新开始。连线完成后，“开始测试”按钮自动出现，进入测试过程（图3）。

测试过程中，每一步操作都有文字说明和图片高亮闪烁提示，基本上只需点击鼠标即可逐步完成。将设置的热箱温度、冷箱温度，读取和记录数据，依次填入表格，然后计算出构件的传热系数和围护结构的总传热系数（图4）。

1.3 传热系数认知

本任务为传热系数的认知，以典型居民住宅环境的模拟数据为基础开发，主要目的是让学生对传热系数的影响因素进行了解。以常见的几种墙体结构为基础，通过滑块调节结构层和保温层的厚度，可以在图表区域直观地看到传热系数的变化，从而对材料厚度与传热系数关系有一个基本的认识。

在界面右上方可以选择墙体结构的“材料组合”（图5），为了让传热系数有较大差别，提供了空心砌块、空心砌块+XPS、空心砌块+珍珠岩3种材料，“材料组合”的下方，可以通过滑块改变材料层的厚度，形成结构层和保温层厚度各不相同的21种组合。

主界面显示的传热系数变化曲线，反映不同结构层随保温层厚度变化的传热系数值。调节滑块时，当前组合的传热系数值在图形中用五角星高亮显示，在调节过程中，可以直观感受到传热系数与材料厚度的关系。

1.4 传热系数感知

如何对墙体结构传热系数的变化进行感知，是虚拟仿真的一个难点。在基于当前主流的计算机和手机终端的硬件条件下，本任务尝试利用图形和动画来进行展示，并延续了前一“传热系数认知”任务的界面，墙体结构的组合与调节方式也完全一致。所有感知的数据来源都是按照上海的气象条件进行模拟计算得到的。

墙体的传热系数首先影响的是全年的建筑能耗。因此，软件增加了全年供热和空调能耗的对比（图6）。为了与传热系数对应，将传热系数的折线图与能耗柱状图同时展示在图中。在移动滑块调节砌块厚度或保温层厚度时，用箭头对当前组合下的能耗进行指示。

图1 软件的主界面

图2 测试过程自动演示

图3 测试线路连接

图4 测试记录及计算

为了对传热系数变化引起的热流大小进行虚拟感知，软件还可以选择热流强度的展示（图7）。通过动画显示穿越墙体的热流状态，用红色粒子的密度和速度表示热流的大小。

墙体传热系数还能影响外墙内表面的温度。该温度与室内人体的热舒适相关，但因热舒适（PMV）值的影响因素过于复杂，这里直接展示温度值（图8）。通过软件模拟，计算得到了各种传热系数对应的冬至日外墙内表面平均温度，调节砌块厚度或保温层厚度时，显示对应的温度图。

1.5 知识考查

知识考查是对学生学习情况的一种检验，也可以使老师了解学生对不同任务的完成情况。为了避免替考等作弊行为发生，教师可以在“任务管理”中设置摄像头的抓拍时间间隔。也可以设置各个任务的开放时间及在总成绩中的构成比例等。学生提交后，系统会自动统计汇总学生成绩。学生的整个操作过程还能够记录，教师可以通过回放模式重现各个学生的操作过程。

本任务提供了两种模式，即练习模式和测验模式。练习模式不限时间和次数，题型有选择题和思考题，题库可进行编辑扩充。练习模式下，所有题目均提供了参考答案。测验模式仅有选择题且只能进入1次，教师可以在管理平台上设置测验的日期和时长，学生通过学号登陆进入，屏幕上方显示测验的倒计时时间。时间结束后，强制保存并提交退出。

2 思考及讨论

虚拟仿真实验具有直观通用、使用灵活、易于维护和可扩展等优越性，可以有效弥补真实实验在设备维护、资源占用、成本、学生容量和效果评估等方面的不足。虚拟实验突破了传统实体实验在时间和空间上的限制，使学生的碎片时间得到了充分有效的利用。根据对抓拍的照片分析，大部分学生都是晚上在宿舍里完成实验的。

随着知识产权保护等问题的有效解决，虚拟仿真实验软件必将进入市场化销售或通过其他方式进行共享，这使得优质实验资源能够得到更为充分的推广利用，实验的成本也将大大降低。在虚拟仿真实验软件开发的过程中，以下几方面的问题需引起重视。

（1）内容设计上新颖、有趣、引人入胜。学生利用碎片化的时间进行学习，很容易被周围更有趣的事情吸引开，因此，不能照搬传统的实体实验，任务设计上要尽可能短小、有趣。

（2）虚拟仿真实验软件对硬件的要求不能过高。尽管智能可穿戴式设备（Wearable Devices）可能是今后虚拟现实的主流，但目前要想学生随时随地可以开始进入学习，对硬件的依赖必须最低，最好在一部智能手机上就能完成。可穿戴式设备也许沉浸感和场景感更强，但必然限制了学习的场所。

图5 影响因素认知界面

图6 全年供热空调能耗感知

图7 热流强度感知

图8 外墙内表面平均温度感知

（3）虚拟仿真实验的内容需要与时俱进，不能拘泥于传统意义上的实验内容。一些知识点可以经过合理设计，成为虚拟仿真实验。因此，虚拟现实的发展，将使不同教学内容的边界变得模糊。

3 结语

传热系数是建筑围护结构的一项重要热工性能指标，对建成环境的热舒适及建筑能耗都有着重大影响。传统的热箱实验是测试传热系数的基本方法，但实体实验容易受到时间、空间和条件的限制；而虚拟仿真实验可以大大节省学生与教师的实验时间，不仅缓解了课时不足的矛盾，拓展了实验内容，而且使学生加深了对概念的理解。虚拟仿真实验软件是专业教师同软件公司合作的成果，它打破了传统实验的限制，通过市场推广，可以使优质实验资源惠及更多的学子，这也是顺应互联网+教育的一种有益尝试。