基于Ladybug的山地聚落室内外热环境研究

胡楼君 杨真静 熊 珂

热环境与人体热舒适息息相关，极大地影响着人类的身心健康，受到学者们的广泛关注[1-2]。早期人们主要进行室内外热环境的实测研究[3-5]，后来随着科学的进步与研究规模的扩大，许多研究者将软件模拟的方式运用到热环境研究中[6-7]。近年来，因为大量的实测研究都表明，在小尺度上（0.01～1km），室外的微气候对室内热环境会产生很大的影响[8]，因此一些研究者们不再满足于对室内或室外热环境的单独模拟，而尝试将城市微气候模型与建筑能耗模型相耦合起来，以相互联系的方式模拟室内外热环境。Sadeghipour Roudsari，Mostapha等人将能耗模拟软件Energy Plus和风环境模拟软件OpenFoam整合入Rhino的可视化编程插件Grasshopper中，开发出了Ladybug工具集[9]。Gianpiero Evola利用ladybug工具，巧妙地将地形设置成实体空间，实现了平地形城市的室内外热环境同时模拟[10]（图 1）。

图1 Gianpiero Evola的耦合模拟方案[16]

我国存在大量山地聚落以及诸如重庆、大连之类的山地城市，单纯依靠长期实测数据来研究热环境很费人力物力，所以实测结合模拟的方式极为必要。Envi-met等主流室外热环境模拟软件将室外环境建成多个方块组成的粗尺度模型，对复杂地形的模拟精度难以提升。因此本文选取贵州山地聚落高荡村为研究对象，参考Gianpiero Evola的模拟方法，并进一步发掘Rhino-Ladybug建模灵活性在复杂形体热环境模拟中的潜力，将曲面地形转化为近似的平面化网格，将下垫面的曲线边界转化为近似的多段线，建立了近似曲面地形与曲线分界线下垫面的山地聚落能量模型，并以之进行室内外热环境同时模拟，在不增加太多模型面的基础上较大程度地提高模拟的准确性。在以实测数据验证了模拟的可靠性后，依据模拟结果对该聚落的热环境进行了简单的评价，以此为未来的山地聚落的室内外热环境研究提供参考。

1 研究对象及实测方案

1.1 聚落概况

研究对象选择贵州黔中地区的高荡村，它位于云贵高原东侧梯级斜坡的中部，是世界上最为典型的喀斯特地貌集中区[11]，这种地貌区多山地，土质单薄，石材丰富，这也是该山地聚落使用石材建造房屋的原因。高荡村所在的镇宁县处于温带，属季风性气候，年均气温15.3℃，年降雨量约1300mm。据国家气象中心对1981年至2010年镇宁地区气候数据统计[12]，镇宁7月、8月平均气温较高，其中月平均最高气温出现在8月；12月、1月平均气温较低，其中月平均最低气温出现在1月。从累年各月平均气温上看，镇宁地区夏季气温在22 ℃左右，冬季气温在6℃左右。

高荡村离县城1 3.5 k m，海拔约为1186.2m[13]。村寨被喀斯特峰林环绕，面朝西南，位于东北侧山体内凹处，以东西山峰为两翼，北面山峰为靠背（图2）。经过现场调研，发现聚落内部依据建成年代、下垫面状况、地形、建筑朝向、建筑间距的不同，呈现出规律性的分布。依据以上属性的不同，将聚落大体分为5个区域（图3），5个区域的属性参看表 1。

表1 聚落分区属性

图2 高荡村照片

图3 聚落分区

1.2 典型建筑

聚落内的建筑主要一种是传统的石板房，其结构为木骨石墙，即内部为穿斗式木结构，外部为石材墙体，木结构和两侧的石砌山墙共同承重（图4）。其屋顶为厚度约2mm的石板铺成的双坡屋顶。

图4 聚落内典型建筑

1.3 实测方案

为给热环境模拟提供验证数据，对该聚落室内外热环境进行实地测量（图5）。测量的时间为2021年1月6日12：00到1月8日9：00，测试所用仪器参看表2，测试内容为：聚落的太阳辐射强度，5个区域典型位置室外风速、室外温湿度、室外平均辐射温度（由三球温度计算而来）和相近建筑的室内温湿度。

表2 测量仪器

图5 测量现场

取测量期间中的一天（1月6日12：00—1月7日12：00）进行分析。实测结果显示，5个测点的室外温差很小，除特殊时间外基本差距在0.5℃以内，处于误差范围内，可认为是相同的；室外风速也很小，平均值约为0.2m/s，其数小时的波动幅度相对其值本身来说都非常大；室内空气温度有较大差距（图6），推测是由建筑的位置、方向、形体以及构造的不同造成的；室外平均辐射有较大区别（图7），可见周围物体产生了不同的长波辐射温度，不同的遮阳情况也导致了接受太阳辐射量的区别。

图6 室内空气温度

图7 室外平均辐射温度

因此在之后地热环境模拟中，对过小的风速不进行CFD模拟运算，直接设定为一般均值；室外空气温度差异较小，加上软件限制，故假设室外各点空气温度相同。

平均辐射温度是室外热环境主要区别所在，可以作为之后模拟验证的室外对照参数。室内气温也有较大差距，可以作为之后热环境模拟验证的室内对照参数。

2 模拟方案及验证

依托Ladybug平台建立聚落能量模型，以实测气象数据为边界条件进行冬季热环境模拟，之后将模拟结果与实测数据对比，验证了模拟的有效性。

2.1 模型建立

从基于北斗卫星的天地图系统中获取高程图、卫星地图，并结合现场调研以及网络照片，来建立聚落几何模型。首先从高程图建立曲面地形，并结合照片对地形进行微调修正。在以多段线划分地形后对其进行网格化处理，将外部山体设为粗网格，近聚落山体设为中粗网格，聚落内地面设为细网格（图8）。之后结合卫星地图与实地调研所得信息，对建筑进行了外围护结构和窗户的简化建模，并对实测建筑进行了内墙建模以备模拟验证。

图8 三维模拟模型

2.2 参数设置

模拟需要设置的参数分为时间参数、气象参数、建筑构造热工参数、地面构造热工参数、建筑项目参数和模拟设置参数6种。

模拟的时间设为1月6日12：00到1月7日12：00。模拟的气象信息以安顺地区的2002年epw文件为基础，并将实测的1月6日至1月8日的5个室外测点的空气温度、空气湿度、太阳辐射强度替换其中原始值。因为实际测量室内外风速很小，所以将室内风速设置为0.1m/s，室外风速设置为0.2m/s。另外，为获得较为真实的起始气象状态，以气象网站上获取的1月1日至1月5日安顺地区气象信息替换epw中的原始值。

对于建筑构造热工参数，honeybee中可以详细设定各项材料属性、层次、厚度。材料属性按照标准材料属性表设置，材料层次及厚度按照实测值设置（表3）。因聚落内建筑围护结构大体类似，因此对于其他未实测建筑，按照实测建筑值进行统一设定，以便之后对该聚落热环境进行规律性评价。

表3 建筑构造材料参数

对于地面构造热工参数，honeybee开发者设计了“create ep ground”电池，可以将zone定义为“地面”，并对其内部和上表面材质进行设置。植被的设置以energy plus自带的绿化屋顶为基础，并改变其参数使其更接近真实植被的情况（表4）。根据实际情况，将聚落内部地面设置为稀疏植被、裸露土面、石板地面3种，将聚落外围一圈山体表面设置成密集植被，而对更外围的山体不设置为热环境zone，而是设置为context（环境物体）（图8），从而仅计算其对太阳辐射的遮挡作用。对于建筑项目参数，honeybee中以program进行设定，program中可以对设备、人员活动、通风、空气渗透率等进行详细设定。本模拟中对实测建筑按照实际了解的情况进行program参数设置，对其他未实测建筑按照一般常见值进行设置。

表4 植被参数

模拟设置参数中，将“模拟时间步长”设置为每小时6次，将“太阳辐射分布计算方式”设置为“完全室内室外反射”模式以获得较为准确的太阳辐射分布状况，将“阴影计算方式”设置为“像素计数”（Pixel Counting）以避免energy plus的“非凸形体”错误。

2.3 电池组流程

Grasshopper中每个电池代表一个功能块，电池左侧为输入端口，右侧为输出端口，连线表示将前一个电池输出端口的数据导入到后一个电池的输入端口中。多个电池连接形成能执行既定逻辑运算的系统，称为电池组。该热环境模拟的电池组流程如图9，从左往右即从建模到参数设置，到模拟运行，到输出空气温度、空气湿度、平均辐射温度，再到最后计算PMV、UTCI的流程。

图9 电池组流程图

2.4 结果验证

为了验证模拟的有效性，并对比建内墙（简称为“X方案”）与不建内墙（简称为“Y方案”）两种模拟的结果差距，现对A、B区域实测建筑及其半径40m范围进行热环境模拟，并对比方案X与Y的模拟结果以及实测数据。模拟以实测的室外气温、湿度、太阳辐射强度为边界条件，以模拟得出的室内气温与室外平均辐射温度为验证指标。

模拟结果与实测结果的曲线如图10、图11所示。可以发现，X方案的室内气温结果与实测值曲线大体相符，Y方案室内气温结果比实测值要低约0.5℃。而室外平均辐射温度方面，两种模拟的结果基本一样，都与实测值的变化曲线在大趋势相似，在小的时间尺度区别较大。为进一步分析模拟的误差，计算X方案结果与实测值的均方根误差（RMBE）。经计算，室内气温的X方案的室内气温与实测值的RMBE为0.221，误差较小。而对于室外平均辐射温度，X方案结果与实测数据的RMBE为0.645 ，误差稍大一些。

图10 A区实测与模拟方案比较

图11 B区实测与模拟方案比较

对比结果表明，该热环境模拟得出的室内气温状况较为准确，得出的室外长波辐射温度在小时间尺度上差距较大，但在大的趋势上较为符合真实情况，能够用于中长时间段的室外热环境的研究。另外，不建内墙的模拟会得到偏低一点的室内气温，而室外平均辐射温度基本相同。建内墙的模拟能得到更接近真实情况的结果。

3 基于模拟的聚落夏季热环境评价

高荡村作为一个历史文化旅游景区，在寒冷的冬季并没有太多游客前往，但是在夏季时往往有许多人前往此处游玩。因此，针对夏季室内外热环境，以安顺地区典型气象年的epw文件为气候背景，在5个区域中各划出半径40m的圆形区域作为研究范围（图12），进行8月共31天的12：00～14：00的热环境模拟，并输出各区域的建筑室内PMV和多个室外测点的UTCI的单位时间平均值，进而结合两种指标对应的热感觉（表5）分析其热环境状况。

表5 PMV与UTCI评价指标

图12 模拟区域

模拟得出的分区域热环境结果及分析评价参看表 6，经分析可知，该聚落内的室内热环境受到多方面因素的影响：①对于室外热环境，影响最为显著的是建筑疏密度，越空旷的地方往往越炎热，建筑越密集和离建筑越近的地方越凉爽；另外，山体也有较大影响，南向山坡上比平地更炎热，南侧靠山体的地方往往更凉爽；石板地面区域与植被区域的热环境也有一定区别，石板地面区域往往较为炎热，而植被具有降温作用，故而植被及附近区域大多更凉爽。②对于室内热环境，密集排布、相互连接的石板房内更为凉爽，而排布稀疏又没有任何山体遮挡的石板房内往往更热。另外，建筑室内热环境并不一定完全与室外热环境正相关，B与C区室外都有大片炎热空地，但是B区是密集建筑环绕开阔广场，广场的存在有助于建筑侧向散热，故而室内更凉爽。

表6 模拟结果及分析评价

4 讨论

4.1 聚落热环境改善

夏季热环境模拟的结果表明在夏季该聚落部分区域室外较热，需要通过一定方式来改善。可以在空旷地带增种植被，一方面植物蒸腾作用有助于降温，另一方面高大的植被可以增加遮阳、减少石板地面接受到的太阳辐射。对于建筑室内较热的区域，除了多种树外，可以考虑在建筑一侧加建小型石墙构筑物作为厢房或者店面，以加强石板房的聚集降温效应。另外在聚落内规划新建石板房时，可以考虑以密集排布建筑环绕集中广场的策略，从而获得较好的室内外热环境状况。

4.2 模拟研究中存在的局限性

在冬夏两季模拟对比中X、Y方案的室外平均辐射温度大致一样，但考虑到X方案只对一个建筑进行了内墙建模，而室外测点受到多个建筑外表面的热辐射，因此可以推测以Y方案模拟输出的室外平均辐射温度与实际情况有一定误差；其次，因软件限制未进行CFD模拟获取更准确的室外温度和湿度，所以室外UTCI的值还存在一些误差。Energy plus热环境模拟中，植被仅考虑了热工属性，而未考虑其蒸腾作用导致的温湿度变化，所以夏季实际热环境应更凉爽一些。

结语

本文在以实测数据验证了有效性的基础上，模拟并分析评价了石板房聚落高荡村的夏季热环境，得出其室外热环境需要改善、室内热环境较好的结论，并提出了增加植被，加建小型构筑物的改善方式，对于山地聚落的热环境改善具有实践指导意义。模拟和研究过程将室内和室外的热环境统一考虑，并于最后将UTCI、PMV统一表现在热环境平面图上，体现了较好的准确性、可操作性和拓展性，为更深入的山地聚落甚至是山地城市的热环境研究提供了参考。为了得到更精确有效的结果，未来的研究可以进一步发掘Ladybug的灵活性，考虑对所有建筑进行室内墙体的建模、利用butterfly进行CFD模拟以获得更准确的室外热环境参数、通过调用外部插件将植物的蒸腾作用添加到热环境模拟中来。

资料来源：

图1：参考文献[10]；

文中其余图表均为作者自摄自绘。