基于低功耗传感器及物联网技术的乡土建筑环境实测方案研究＊

2022-02-16潘勇杰张彤

建筑技艺 2022年10期

潘勇杰张彤

随着全球能源危机及气候问题的加剧，低能耗、低碳排的被动式建筑环境调控手段成为建筑领域的关切问题。大量既有研究表明，乡土建筑作为地区性气候能量的构形，呈现出适应气候环境、响应地域资源等特质，能够在没有主动式环境调控设备介入的情况下，营造出满足人体基本舒适需求的室内环境。这种气候适应性的绿色营造模式是可持续建筑理念在乡土地域的生动写照。

伴随着研究内容的深入和研究手段的不断发展，乡土建筑气候适应性研究逐步呈现定性与定量研究相结合的模式。新技术、新方法的融入，使得低成本、高效率、长时段的乡土建筑环境实测成为可能。

1 研究背景

为了客观描述和评价物理环境，人类一直没有停下探索的脚步。在人类历史发展早期，由于科学技术水平的限制，人们主要靠眼睛观察天气演变，凭感官探知冷暖变化，从定性角度评价物理环境。工业革命以来科技迅猛发展，人类相继发明了气压计、温度计、湿度计、风速计等气象测量仪器，为定量观测物理环境提供了工具基础。

物理环境实测作为量化建筑环境性能的重要手段，早在20世纪末便被应用于乡土建筑气候适应性的相关研究中[1]。采集、分析乡土建筑在实际使用状态下的各环境性能参数数据，有助于厘清乡土建筑气候适应的调控成效和作用机制。徐虹等基于物理环境实测的方法，采集北方木结构厅堂在典型气象日的空气温度、相对湿度、空气流速、壁面温度等实测数据，以定量辨析气候响应设计策略[2]。姚刚等对徽州地区8个不同类型的乡土天井民居在冬夏两季的环境实测数据进行对比分析，探究天井民居的被动式环境调控机制[3]。

随着环境性能模拟工具的迭代，越来越多的研究者尝试从数值模拟的角度切入乡土建筑气候适应性的定量研究[4]。虽然当前的环境性能模拟软件已具备高效率、可视化等优势，但对于乡土建筑“非标准化”和“透气透光”的建构特征，模拟模型通常会对细部特征和构造层次进行简化或统一处理，造成模拟结果与实际情况的偏差，进而导致气候适应性分析的遗漏或误判。因此，在相关研究中可以基于控制变量的性能模拟，辅以环境实测数据进行比较，使实测为模拟提供数据依据，模拟为实测提供验证[5]。

既有建筑的物理环境实测方案通常采用精度高、体积大、侵入性强、测量参数单一的环境测量仪器（如黑球温度计、风速仪、照度计等），并佐以高强度的人工数据采集。近年来，随着技术发展，具备自记功能的高精度传感器层出不穷，可以在弱侵入的条件下自行记录测量数据，但仍需人工不定期导出数据，存在低效性等问题，且对于长时段、高频次的数据写入，其供电问题不容忽视[6]。现有乡土建筑遗存多为生活性民居，少数为与生产相关的粮仓、蚕室、砖窑等。对于尚在使用中的乡土建筑的物理环境实测，首先应确保低干预性；其次，地处偏远、生活方式简单、木结构防火性差等问题致使大量乡土建筑遗存不具备用电条件，为实测仪器的使用带来困难。针对以上乡土建筑环境实测面临的问题，本研究提出基于低功耗传感器和物联网技术的环境实测方案。

2 基于传感器和物联网技术的环境实测方案

2.1 环境实测参数

遮风避雨、防寒保暖这些原始而质朴的环境调控诉求一直贯穿于传统营造活动中，并逐步发展成关乎内部舒适性的环境性能，如热湿环境、自然通风、室内采光、建筑日照等（图1），与之对应的环境实测参数为温度、湿度、风速、照度、辐射量等。

（1）温度。建筑环境中用于描述温度要素的两个主要参数，分别为空气温度和壁面温度。通过对同一热流周期、不同位置的空气温度变化趋势展开对比分析，可以探究乡土建筑在空间布局上的气候梯度机制；而对不同朝向、材质的壁面温度进行统计分析，便于辨析乡土建筑在界面及构造层面的环境调控能力。

（2）湿度。空气中水蒸气的含量，可由相对湿度、空气含湿量等参数描述。干燥的室内空气在抑制疾病传播和改善居住者健康状况方面起到重要作用。室内湿度过高会加剧房屋主体的受潮、霉烂、坍塌等问题，不利于房屋使用的耐久性。

（3）风速。风通过被动式的对流换热和蒸发换热影响室内热舒适，同时通过空气置换改善室内空气品质。对于乡土建筑，室内风速越高，表征换气效率越高，被动式降温效果越好，但强烈的吹风感会给居住者带来不适。同时，冬夏两季不同的环境调控需求，也对应着不同的风速取值。

（4）照度。照度是室内光环境的主要描述参数。在电力能源和人工照明设备普及之前，乡土建筑主要通过自然采光满足室内光环境的基本需求，最直接的方式是将窗作为采光通道，而对于高空间、宽进深的房屋，则进化出天井、天门等采光方式。

（5）太阳辐射量。太阳辐射是乡土建筑最主要的能量来源，对建筑形式的影响体现在朝向、体形、材料、构造等诸多方面。太阳辐射量的参数主要有总辐射量、直接辐射量和散射辐射量。

1 乡土建筑环境调控诉求

2.2 传感器和物联网技术

传感器就像人体的感知器官，代替人类去感受外界信息，并转化成输出信号，按照测量目的可分为物理传感器（如温度传感器等）、化学传感器（如CO2传感器等）和生物传感器（如酶传感器等）。对于物理环境参数的感知监测主要使用各种物理传感器，如温湿度传感器、照度传感器、风速传感器、太阳辐射传感器等。传统的传感器供能方式有铅蓄电池、电路等，并随着传感技术的迭代逐渐趋向低功耗（工作电压小于3.6V，工作电流小于20mA，使用功率为mW级别或更小）和小型化[7]发展，这为用电困难的乡土建筑环境实测提供了新的解决方案。

传感器技术虽有诸多优势，但如果无法实现无线互联、联网传输，则难免会重新面临传统实测方案高侵入性的弊端。物联网无线通信技术的兴起，使得传感器网络摆脱了“有线”的束缚（RS232和RS485等传感器有线连接方式），常见的连接形式有蓝牙、ZigBee、WiFi等[8]。以数据联网传输为例，传感器发送数据信号，网关接收并将数据传输到云端，再根据设备ID将数据分发到对应的客户服务器。

2.3 环境实测方案搭建

本研究所提基于传感器和物联网技术的乡土建筑环境实测方案，由传感器模块、供电模块、联网模块和监测模块组成（图2）。传感器模块作为环境感知终端，以无线方式与联网模块进行数据传输；供电模块主要为传感器和联网模块提供电力支持；联网模块完成数据云端上传和存储后，经监测模块实现数据读取与处理。鉴于乡土建筑环境实测的用电问题，供电模块主要采用电压小、方便携带、可灵活移动的电源类型。同时，考虑到部分乡土建筑尚不覆盖无线网络，联网模块采用4G路由器搭建临时用网环境。

具体而言，传感器模块分为由普通干电池供电的蓝牙无线传感器，和由12V移动电源供电的WiFi及4G无线传感器两类，无线通信方式的不同是导致供电差异的主要因素，蓝牙信号传输的功率消耗远低于WiFi及4G信号，使用普通干电池即可满足长时间供电需求。联网模块的硬件设备主要为蓝牙网关和4G路由器，前者的作用为通过蓝牙通讯协议收集关联传感器的数据，后者则通过建立与蓝牙网关、WiFi传感器等设备的无线连接，将数据实时传输至云端存储。监测模块可以在云端平台可视化查看各测点、各类型传感器感知的环境数据，并进行数据分析及导出。

2 乡土建筑环境实测方案路线图

3 实测方案应用

3.1 案例介绍

本研究选择湖北省宣恩县的一栋土家族吊脚粮仓进行实测方案应用。在与自然环境漫长的磨合过程中，当地工匠通过吊脚楼建筑技术和被动式环境调控手段，解决了高温、高湿气候条件下的粮食贮藏问题。该粮仓建于1951年，建筑面积788m2，是当地历史最悠久、保存最完好的木质轿顶粮仓（图3）。仓库共分三组，每组四厫，厫仓四周均为过道，将木质仓壁与石砌外墙隔离开来。厫仓底部通过石柱和“地枕子”与地面脱开，可有效规避返潮和鼠害问题（图4）。如今，“古稀之年”的吊脚粮仓虽已不再使用，但它与四周不同年代的粮仓组成的仓储群一同见证了宣恩地区仓储文化的变迁。

3.2 方案布置

3.2.1 设备选用

为探究吊脚粮仓对湿热气候的调控效能，环境实测宜选择夏季高温时段，因此在2022年8月20日—8月22日期间，运用所提实测方案开展长时段连续环境数据采集，实测场景如图5所示。实测期间各传感器的记录间隔也因环境参数的时间敏感性而各有不同，如壁面温度每1h记录一次，具体设备参数及记录间隔见表1。

3.2.2 设备布置

乡土建筑的个体差异性决定了设备布置无法简单套用方案，需针对建筑特征和研究问题“量身定制”。土家族吊脚粮仓在平面布局上呈现单元特征，且垂直方向空间变化丰富，适合选取典型剖面来布置各类传感器。传感器位置依据《建筑热环境测试方法标准》（JGJ/T 347-2014）[9]等设置，并选取距地面1.1m处作为测量高度（部分低矮空间除外）。

图6为最终设备布点情况及典型剖面1-1中各类传感器分布情况。其中，4G路由器可搭建临时的用网环境，被布置于粮仓的几何中心处；实测所选的蓝牙网关与子传感器的有效连接距离为10m，因此对于体形庞大的粮仓需布置两台蓝牙网关，以实现蓝牙信号全覆盖。在设备供电方面，由于木结构粮仓有很明确的防火需求，故现场蓝牙网关、4G路由器以及部分无线传感器均配备低电压锂电池供电，避免火灾隐患。

3.3 结果分析

3.3.1 实测数据分析

设备布置完成并启用后，各测点、各类型传感器便会按照设定的记录间隔向云端传输测量数据。根据传感器品牌，在相应的公有云平台上可以查看、分析以及导出所部属传感器的数据。随后使用Excel和Tableau等数据处理软件对数据进行更深入的分析与可视化。分析结果可以量化土家族吊脚粮仓在湿热气候条件下的环境调控效能，并有利于探究其气候适应性背后的作用机制。

根据实测时间段1-1剖面各测点的温度变化情况（图7），不同室内空间的温度随室外热环境波动明显，最高温度的波动具有1～2h的延迟。同时，室内空间按照热受体和热调控空间的主次关系，呈现明显的温度梯度特性，即厫仓作为热受体，而两侧过道、顶部区域作为热调控空间提供气候缓冲，由外至内的热流路径使厫仓内部获得稳定的热环境，并在高温时段保持与室外6～8℃的温度梯度差。

表1 设备参数及记录间隔

3 粮仓室外

4 粮仓室内

5 实测场景

6 设备布点及1-1 剖面传感器分布

根据实测时间段1-1剖面各测点的风速变化情况（图8），不同室内空间的风速受局部环境影响，各时段的平均值及波动幅度均有较大差异，但总体变化趋势基本一致，最大风速时段集中在中午，最小风速时段集中在清晨。结合剖面特征分析可知，土家族吊脚粮仓通过“气楼”及架空层，以及门窗洞口数量、大小、相对位置的设计，引导自然气流进入室内，由下而上经“气楼”排出，有利于两侧过道、顶部区域等热调控空间在高温时段的散热除湿。

3.3.2 方案应用效果

针对该实测方案的实际应用效果，从工作强度、数据精度两个方面作如下分析。

（1）工作强度。在传统乡土建筑环境实测方案中，实测人员需在设定时间前往测量点启用设备和记录数据，现场工作强度较大，并且多测点、多参数的环境实测往往需要投入更多的人力。相比较而言，在本实测方案的现场工作中，任务量集中于各类型设备的前期落置与后期回收。抵达实测地点后，两位实测人员在1h左右即完成了所有设备的布置与启用。实测的其他时间，各类型传感器获取数据后自动记录并传至云端，因此不必全天监守现场，仅需定期在线查看设备的数据采集状况，避免因为设备故障造成采集中断，极大减少了现场工作的强度。同时，在数据分析阶段，可以通过云平台直接导出带有时间标记的数据文件，减少了数据整理的工作量。

（2）数据精度。为了验证该实测方案所使用的低功耗传感器获取数据的精度，以温湿度数据为例进行检验。在粮仓中选择特定的测点位置，分别使用温湿度传感器和黑球温湿度计（衡欣AZ87786）记录数据。根据测点位置在8月20日晚8点至8月22日早8点期间两种仪器的温湿度数据统计结果（图9），可见两种仪器所获取的温湿度数据差异较小。对所获取的温度数据作进一步相关性分析，结果如图10所示，两组数据的R2值为0.994931，呈现出0.0001水平的显著性，可验证本实测方案在温湿度数据方面具有较高的精度。

（3）时点准确度。对比传统的人工测量方案，由于人为操作的原因，某一设定时间点不同测点位置的测量数据通常不具备相同的时间戳，无形中影响了测量数据的准确性。例如对于照度的测量，实测人员于8点整在测点A打开仪器并记录数据，当移动到测点B、C、D……时，时间已发生变化，室内照度也可能因为云层移动而发生改变。本实测方案在实际运行时可以按照设定时间点和时间间隔自动记录数据，规避了传统人工测量方案的时点准确度问题。

4 结语

本研究针对当前乡土建筑气候适应性和物理环境实测研究现状，提出了一套使用低功耗传感器和物联网技术进行环境数据自动化采集的乡土建筑环境实测方案，并成功应用于湖北宣恩土家族吊脚粮仓的实测调研中。该方案通过低电压移动电源供电即可实现相关传感器数据的自动采集和上传，最终在云平台上实现数据查看、分析以及导出。其低成本、高效率、低侵入性、高自动化等特点，可充分满足现场条件复杂的乡土建筑长时段连续环境实测需求。基于本方案模块化和可拓展性的特点，后期可根据研究需求进行改进和拓建，以满足不同类型、不同尺度的乡土建筑环境实测。