潘勇杰 張彤

隨著全球能源危機及氣候問題的加劇，低能耗、低碳排的被動式建筑環(huán)境調(diào)控手段成為建筑領域的關切問題。大量既有研究表明，鄉(xiāng)土建筑作為地區(qū)性氣候能量的構形，呈現(xiàn)出適應氣候環(huán)境、響應地域資源等特質，能夠在沒有主動式環(huán)境調(diào)控設備介入的情況下，營造出滿足人體基本舒適需求的室內(nèi)環(huán)境。這種氣候適應性的綠色營造模式是可持續(xù)建筑理念在鄉(xiāng)土地域的生動寫照。

伴隨著研究內(nèi)容的深入和研究手段的不斷發(fā)展，鄉(xiāng)土建筑氣候適應性研究逐步呈現(xiàn)定性與定量研究相結合的模式。新技術、新方法的融入，使得低成本、高效率、長時段的鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測成為可能。

1 研究背景

為了客觀描述和評價物理環(huán)境，人類一直沒有停下探索的腳步。在人類歷史發(fā)展早期，由于科學技術水平的限制，人們主要靠眼睛觀察天氣演變，憑感官探知冷暖變化，從定性角度評價物理環(huán)境。工業(yè)革命以來科技迅猛發(fā)展，人類相繼發(fā)明了氣壓計、溫度計、濕度計、風速計等氣象測量儀器，為定量觀測物理環(huán)境提供了工具基礎。

物理環(huán)境實測作為量化建筑環(huán)境性能的重要手段，早在20世紀末便被應用于鄉(xiāng)土建筑氣候適應性的相關研究中[1]。采集、分析鄉(xiāng)土建筑在實際使用狀態(tài)下的各環(huán)境性能參數(shù)數(shù)據(jù)，有助于厘清鄉(xiāng)土建筑氣候適應的調(diào)控成效和作用機制。徐虹等基于物理環(huán)境實測的方法，采集北方木結構廳堂在典型氣象日的空氣溫度、相對濕度、空氣流速、壁面溫度等實測數(shù)據(jù)，以定量辨析氣候響應設計策略[2]。姚剛等對徽州地區(qū)8個不同類型的鄉(xiāng)土天井民居在冬夏兩季的環(huán)境實測數(shù)據(jù)進行對比分析，探究天井民居的被動式環(huán)境調(diào)控機制[3]。

隨著環(huán)境性能模擬工具的迭代，越來越多的研究者嘗試從數(shù)值模擬的角度切入鄉(xiāng)土建筑氣候適應性的定量研究[4]。雖然當前的環(huán)境性能模擬軟件已具備高效率、可視化等優(yōu)勢，但對于鄉(xiāng)土建筑“非標準化”和“透氣透光”的建構特征，模擬模型通常會對細部特征和構造層次進行簡化或統(tǒng)一處理，造成模擬結果與實際情況的偏差，進而導致氣候適應性分析的遺漏或誤判。因此，在相關研究中可以基于控制變量的性能模擬，輔以環(huán)境實測數(shù)據(jù)進行比較，使實測為模擬提供數(shù)據(jù)依據(jù)，模擬為實測提供驗證[5]。

既有建筑的物理環(huán)境實測方案通常采用精度高、體積大、侵入性強、測量參數(shù)單一的環(huán)境測量儀器（如黑球溫度計、風速儀、照度計等），并佐以高強度的人工數(shù)據(jù)采集。近年來，隨著技術發(fā)展，具備自記功能的高精度傳感器層出不窮，可以在弱侵入的條件下自行記錄測量數(shù)據(jù)，但仍需人工不定期導出數(shù)據(jù)，存在低效性等問題，且對于長時段、高頻次的數(shù)據(jù)寫入，其供電問題不容忽視[6]?，F(xiàn)有鄉(xiāng)土建筑遺存多為生活性民居，少數(shù)為與生產(chǎn)相關的糧倉、蠶室、磚窯等。對于尚在使用中的鄉(xiāng)土建筑的物理環(huán)境實測，首先應確保低干預性；其次，地處偏遠、生活方式簡單、木結構防火性差等問題致使大量鄉(xiāng)土建筑遺存不具備用電條件，為實測儀器的使用帶來困難。針對以上鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測面臨的問題，本研究提出基于低功耗傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術的環(huán)境實測方案。

2 基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術的環(huán)境實測方案

2.1 環(huán)境實測參數(shù)

遮風避雨、防寒保暖這些原始而質樸的環(huán)境調(diào)控訴求一直貫穿于傳統(tǒng)營造活動中，并逐步發(fā)展成關乎內(nèi)部舒適性的環(huán)境性能，如熱濕環(huán)境、自然通風、室內(nèi)采光、建筑日照等（圖1），與之對應的環(huán)境實測參數(shù)為溫度、濕度、風速、照度、輻射量等。

（1）溫度。建筑環(huán)境中用于描述溫度要素的兩個主要參數(shù)，分別為空氣溫度和壁面溫度。通過對同一熱流周期、不同位置的空氣溫度變化趨勢展開對比分析，可以探究鄉(xiāng)土建筑在空間布局上的氣候梯度機制；而對不同朝向、材質的壁面溫度進行統(tǒng)計分析，便于辨析鄉(xiāng)土建筑在界面及構造層面的環(huán)境調(diào)控能力。

（2）濕度?？諝庵兴魵獾暮?，可由相對濕度、空氣含濕量等參數(shù)描述。干燥的室內(nèi)空氣在抑制疾病傳播和改善居住者健康狀況方面起到重要作用。室內(nèi)濕度過高會加劇房屋主體的受潮、霉爛、坍塌等問題，不利于房屋使用的耐久性。

（3）風速。風通過被動式的對流換熱和蒸發(fā)換熱影響室內(nèi)熱舒適，同時通過空氣置換改善室內(nèi)空氣品質。對于鄉(xiāng)土建筑，室內(nèi)風速越高，表征換氣效率越高，被動式降溫效果越好，但強烈的吹風感會給居住者帶來不適。同時，冬夏兩季不同的環(huán)境調(diào)控需求，也對應著不同的風速取值。

（4）照度。照度是室內(nèi)光環(huán)境的主要描述參數(shù)。在電力能源和人工照明設備普及之前，鄉(xiāng)土建筑主要通過自然采光滿足室內(nèi)光環(huán)境的基本需求，最直接的方式是將窗作為采光通道，而對于高空間、寬進深的房屋，則進化出天井、天門等采光方式。

（5）太陽輻射量。太陽輻射是鄉(xiāng)土建筑最主要的能量來源，對建筑形式的影響體現(xiàn)在朝向、體形、材料、構造等諸多方面。太陽輻射量的參數(shù)主要有總輻射量、直接輻射量和散射輻射量。

1 鄉(xiāng)土建筑環(huán)境調(diào)控訴求

2.2 傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術

傳感器就像人體的感知器官，代替人類去感受外界信息，并轉化成輸出信號，按照測量目的可分為物理傳感器（如溫度傳感器等）、化學傳感器（如CO2傳感器等）和生物傳感器（如酶傳感器等）。對于物理環(huán)境參數(shù)的感知監(jiān)測主要使用各種物理傳感器，如溫濕度傳感器、照度傳感器、風速傳感器、太陽輻射傳感器等。傳統(tǒng)的傳感器供能方式有鉛蓄電池、電路等，并隨著傳感技術的迭代逐漸趨向低功耗（工作電壓小于3.6V，工作電流小于20mA，使用功率為mW級別或更?。┖托⌒突痆7]發(fā)展，這為用電困難的鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測提供了新的解決方案。

傳感器技術雖有諸多優(yōu)勢，但如果無法實現(xiàn)無線互聯(lián)、聯(lián)網(wǎng)傳輸，則難免會重新面臨傳統(tǒng)實測方案高侵入性的弊端。物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術的興起，使得傳感器網(wǎng)絡擺脫了“有線”的束縛（RS232和RS485等傳感器有線連接方式），常見的連接形式有藍牙、ZigBee、WiFi等[8]。以數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸為例，傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)信號，網(wǎng)關接收并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍俑鶕?jù)設備ID將數(shù)據(jù)分發(fā)到對應的客戶服務器。

2.3 環(huán)境實測方案搭建

本研究所提基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術的鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測方案，由傳感器模塊、供電模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊和監(jiān)測模塊組成（圖2）。傳感器模塊作為環(huán)境感知終端，以無線方式與聯(lián)網(wǎng)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸；供電模塊主要為傳感器和聯(lián)網(wǎng)模塊提供電力支持；聯(lián)網(wǎng)模塊完成數(shù)據(jù)云端上傳和存儲后，經(jīng)監(jiān)測模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與處理。鑒于鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測的用電問題，供電模塊主要采用電壓小、方便攜帶、可靈活移動的電源類型。同時，考慮到部分鄉(xiāng)土建筑尚不覆蓋無線網(wǎng)絡，聯(lián)網(wǎng)模塊采用4G路由器搭建臨時用網(wǎng)環(huán)境。

具體而言，傳感器模塊分為由普通干電池供電的藍牙無線傳感器，和由12V移動電源供電的WiFi及4G無線傳感器兩類，無線通信方式的不同是導致供電差異的主要因素，藍牙信號傳輸?shù)墓β氏倪h低于WiFi及4G信號，使用普通干電池即可滿足長時間供電需求。聯(lián)網(wǎng)模塊的硬件設備主要為藍牙網(wǎng)關和4G路由器，前者的作用為通過藍牙通訊協(xié)議收集關聯(lián)傳感器的數(shù)據(jù)，后者則通過建立與藍牙網(wǎng)關、WiFi傳感器等設備的無線連接，將數(shù)據(jù)實時傳輸至云端存儲。監(jiān)測模塊可以在云端平臺可視化查看各測點、各類型傳感器感知的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析及導出。

2 鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測方案路線圖

3 實測方案應用

3.1 案例介紹

本研究選擇湖北省宣恩縣的一棟土家族吊腳糧倉進行實測方案應用。在與自然環(huán)境漫長的磨合過程中，當?shù)毓そ惩ㄟ^吊腳樓建筑技術和被動式環(huán)境調(diào)控手段，解決了高溫、高濕氣候條件下的糧食貯藏問題。該糧倉建于1951年，建筑面積788m2，是當?shù)貧v史最悠久、保存最完好的木質轎頂糧倉（圖3）。倉庫共分三組，每組四厫，厫倉四周均為過道，將木質倉壁與石砌外墻隔離開來。厫倉底部通過石柱和“地枕子”與地面脫開，可有效規(guī)避返潮和鼠害問題（圖4）。如今，“古稀之年”的吊腳糧倉雖已不再使用，但它與四周不同年代的糧倉組成的倉儲群一同見證了宣恩地區(qū)倉儲文化的變遷。

3.2 方案布置

3.2.1 設備選用

為探究吊腳糧倉對濕熱氣候的調(diào)控效能，環(huán)境實測宜選擇夏季高溫時段，因此在2022年8月20日—8月22日期間，運用所提實測方案開展長時段連續(xù)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，實測場景如圖5所示。實測期間各傳感器的記錄間隔也因環(huán)境參數(shù)的時間敏感性而各有不同，如壁面溫度每1h記錄一次，具體設備參數(shù)及記錄間隔見表1。

3.2.2 設備布置

鄉(xiāng)土建筑的個體差異性決定了設備布置無法簡單套用方案，需針對建筑特征和研究問題“量身定制”。土家族吊腳糧倉在平面布局上呈現(xiàn)單元特征，且垂直方向空間變化豐富，適合選取典型剖面來布置各類傳感器。傳感器位置依據(jù)《建筑熱環(huán)境測試方法標準》（JGJ/T 347-2014）[9]等設置，并選取距地面1.1m處作為測量高度（部分低矮空間除外）。

圖6為最終設備布點情況及典型剖面1-1中各類傳感器分布情況。其中，4G路由器可搭建臨時的用網(wǎng)環(huán)境，被布置于糧倉的幾何中心處；實測所選的藍牙網(wǎng)關與子傳感器的有效連接距離為10m，因此對于體形龐大的糧倉需布置兩臺藍牙網(wǎng)關，以實現(xiàn)藍牙信號全覆蓋。在設備供電方面，由于木結構糧倉有很明確的防火需求，故現(xiàn)場藍牙網(wǎng)關、4G路由器以及部分無線傳感器均配備低電壓鋰電池供電，避免火災隱患。

3.3 結果分析

3.3.1 實測數(shù)據(jù)分析

設備布置完成并啟用后，各測點、各類型傳感器便會按照設定的記錄間隔向云端傳輸測量數(shù)據(jù)。根據(jù)傳感器品牌，在相應的公有云平臺上可以查看、分析以及導出所部屬傳感器的數(shù)據(jù)。隨后使用Excel和Tableau等數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行更深入的分析與可視化。分析結果可以量化土家族吊腳糧倉在濕熱氣候條件下的環(huán)境調(diào)控效能，并有利于探究其氣候適應性背后的作用機制。

根據(jù)實測時間段1-1剖面各測點的溫度變化情況（圖7），不同室內(nèi)空間的溫度隨室外熱環(huán)境波動明顯，最高溫度的波動具有1～2h的延遲。同時，室內(nèi)空間按照熱受體和熱調(diào)控空間的主次關系，呈現(xiàn)明顯的溫度梯度特性，即厫倉作為熱受體，而兩側過道、頂部區(qū)域作為熱調(diào)控空間提供氣候緩沖，由外至內(nèi)的熱流路徑使厫倉內(nèi)部獲得穩(wěn)定的熱環(huán)境，并在高溫時段保持與室外6～8℃的溫度梯度差。

表1 設備參數(shù)及記錄間隔

3 糧倉室外

4 糧倉室內(nèi)

5 實測場景

6 設備布點及1-1 剖面?zhèn)鞲衅鞣植?/p>

根據(jù)實測時間段1-1剖面各測點的風速變化情況（圖8），不同室內(nèi)空間的風速受局部環(huán)境影響，各時段的平均值及波動幅度均有較大差異，但總體變化趨勢基本一致，最大風速時段集中在中午，最小風速時段集中在清晨。結合剖面特征分析可知，土家族吊腳糧倉通過“氣樓”及架空層，以及門窗洞口數(shù)量、大小、相對位置的設計，引導自然氣流進入室內(nèi)，由下而上經(jīng)“氣樓”排出，有利于兩側過道、頂部區(qū)域等熱調(diào)控空間在高溫時段的散熱除濕。

3.3.2 方案應用效果

針對該實測方案的實際應用效果，從工作強度、數(shù)據(jù)精度兩個方面作如下分析。

（1）工作強度。在傳統(tǒng)鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測方案中，實測人員需在設定時間前往測量點啟用設備和記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)場工作強度較大，并且多測點、多參數(shù)的環(huán)境實測往往需要投入更多的人力。相比較而言，在本實測方案的現(xiàn)場工作中，任務量集中于各類型設備的前期落置與后期回收。抵達實測地點后，兩位實測人員在1h左右即完成了所有設備的布置與啟用。實測的其他時間，各類型傳感器獲取數(shù)據(jù)后自動記錄并傳至云端，因此不必全天監(jiān)守現(xiàn)場，僅需定期在線查看設備的數(shù)據(jù)采集狀況，避免因為設備故障造成采集中斷，極大減少了現(xiàn)場工作的強度。同時，在數(shù)據(jù)分析階段，可以通過云平臺直接導出帶有時間標記的數(shù)據(jù)文件，減少了數(shù)據(jù)整理的工作量。

（2）數(shù)據(jù)精度。為了驗證該實測方案所使用的低功耗傳感器獲取數(shù)據(jù)的精度，以溫濕度數(shù)據(jù)為例進行檢驗。在糧倉中選擇特定的測點位置，分別使用溫濕度傳感器和黑球溫濕度計（衡欣AZ87786）記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)測點位置在8月20日晚8點至8月22日早8點期間兩種儀器的溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果（圖9），可見兩種儀器所獲取的溫濕度數(shù)據(jù)差異較小。對所獲取的溫度數(shù)據(jù)作進一步相關性分析，結果如圖10所示，兩組數(shù)據(jù)的R2值為0.994931，呈現(xiàn)出0.0001水平的顯著性，可驗證本實測方案在溫濕度數(shù)據(jù)方面具有較高的精度。

（3）時點準確度。對比傳統(tǒng)的人工測量方案，由于人為操作的原因，某一設定時間點不同測點位置的測量數(shù)據(jù)通常不具備相同的時間戳，無形中影響了測量數(shù)據(jù)的準確性。例如對于照度的測量，實測人員于8點整在測點A打開儀器并記錄數(shù)據(jù)，當移動到測點B、C、D……時，時間已發(fā)生變化，室內(nèi)照度也可能因為云層移動而發(fā)生改變。本實測方案在實際運行時可以按照設定時間點和時間間隔自動記錄數(shù)據(jù)，規(guī)避了傳統(tǒng)人工測量方案的時點準確度問題。

4 結語

本研究針對當前鄉(xiāng)土建筑氣候適應性和物理環(huán)境實測研究現(xiàn)狀，提出了一套使用低功耗傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術進行環(huán)境數(shù)據(jù)自動化采集的鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測方案，并成功應用于湖北宣恩土家族吊腳糧倉的實測調(diào)研中。該方案通過低電壓移動電源供電即可實現(xiàn)相關傳感器數(shù)據(jù)的自動采集和上傳，最終在云平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)查看、分析以及導出。其低成本、高效率、低侵入性、高自動化等特點，可充分滿足現(xiàn)場條件復雜的鄉(xiāng)土建筑長時段連續(xù)環(huán)境實測需求?；诒痉桨改K化和可拓展性的特點，后期可根據(jù)研究需求進行改進和拓建，以滿足不同類型、不同尺度的鄉(xiāng)土建筑環(huán)境實測。

7 1-1 剖面各溫濕度測點溫度數(shù)據(jù)分析

8 1-1 剖面各風速測點風速數(shù)據(jù)統(tǒng)計

9 驗證測點位置溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

10 驗證測點位置溫度相關性分析

圖片來源

1來源于文獻[10]

2,6-10作者自繪

3,4東南大學建筑學院李海清老師提供

5作者自攝

表格來源

1作者自繪