建成環(huán)境性能的虛擬仿真實驗軟件開發(fā)
——傳熱系數(shù)及其影響因素

■ 葉 海 YE Hai 羅小華 LUO Xiaohua

0 引言

自2013年教育部重點建設(shè)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心以來，虛擬仿真實驗教學(xué)得到蓬勃發(fā)展，中心數(shù)量有了明顯增加。實驗教學(xué)中心早期以土木水利[1]、機械電子[2]等理工類為主，現(xiàn)在則覆蓋了建筑規(guī)劃[3,4]、經(jīng)濟管理[5]、化學(xué)化工[6]、分子生物[7]、臨床醫(yī)學(xué)[8]、心理學(xué)[9]等眾多學(xué)科門類。

網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的持續(xù)突破、移動終端的普及、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的改善，給各行各業(yè)都帶來了革命性的變化，在線教學(xué)（互聯(lián)網(wǎng)大學(xué)、網(wǎng)絡(luò)課堂、慕課等）異軍突起，“共享經(jīng)濟”成為了經(jīng)濟發(fā)展的熱點。部分有實力、有資源的高校和機構(gòu)從事供給側(cè)“內(nèi)容”的開發(fā)，使得共享優(yōu)質(zhì)教育資源成為可能。在此背景下，同濟大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心結(jié)合“雙一流”學(xué)科建設(shè)，持續(xù)進行了虛擬仿真實驗內(nèi)容的開發(fā)。

1 “傳熱系數(shù)”虛擬仿真實驗軟件簡介

本軟件由同濟大學(xué)國家級建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心組織開發(fā)，是建成環(huán)境性能虛擬仿真系列軟件之一[10]。該系列軟件針對的是同一類課程、同一批學(xué)生，因而在內(nèi)容選取、界面風(fēng)格、任務(wù)設(shè)置、操作習(xí)慣等方面保持了連續(xù)性和一致性。

本軟件為《建筑物理》課程中，與建筑熱工相關(guān)的實驗教學(xué)內(nèi)容。本著由淺入深、逐步開發(fā)的思路，選取建筑熱工中最為基本的概念“傳熱系數(shù)”為對象，將相關(guān)基礎(chǔ)知識、規(guī)范要求、實驗操作等內(nèi)容進行合理編排，設(shè)計虛擬仿真實驗場景，即采用三維虛擬仿真形式，通過在不同場景中交互操作，對傳熱系數(shù)的實驗步驟進行學(xué)習(xí)。同時，也可以改變圍護結(jié)構(gòu)的不同墻體材料組合，查看傳熱系數(shù)的變化和對應(yīng)的能耗變化，以此作為輔助手段來加強對傳熱系數(shù)及其影響因素的認識。

軟件選取了上海地區(qū)一典型居民住宅作為虛擬仿真對象（圖1），即以居室環(huán)境為主要場景，結(jié)合上海的氣象數(shù)據(jù)，對不同圍護結(jié)構(gòu)下的全年供熱空調(diào)能耗、外墻內(nèi)表面平均溫度、墻體熱流等分別進行計算，并通過直觀的圖形、動畫等方式進行展示對比。5個任務(wù)模塊顯示在主界面的底端，包括基礎(chǔ)知識查閱、傳熱系數(shù)測量、傳熱系數(shù)認知、傳熱系數(shù)感知和知識考查（牛刀小試）。每個任務(wù)操作后，會自動上傳提交成績，并由后臺匯總所有學(xué)生的成績（選取各次任務(wù)的歷史最好成績）。

1.1 基礎(chǔ)知識查閱

進入軟件后，主界面默認打開第一個任務(wù)，即基礎(chǔ)知識查閱（圖1）。本任務(wù)由主界面左側(cè)提供夏季圍護結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定傳熱、冬季圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傳熱、墻體內(nèi)部溫度分布和我國熱工分區(qū)4個子任務(wù)的學(xué)習(xí)；主界面右側(cè)可以查閱傳熱系數(shù)的定義單位與計算公式，以及涉及到傳熱系數(shù)的標準與規(guī)范。該部分內(nèi)容是對《建筑物理》教材中，相關(guān)內(nèi)容的回顧與總結(jié)，通過多媒體方式簡潔直觀地進行呈現(xiàn)，使學(xué)生在實驗之前，熟悉必要的基礎(chǔ)知識。

1.2 傳熱系數(shù)測量

“熱箱法測量構(gòu)件的總傳熱系數(shù)”是建筑熱工學(xué)的一項基本實驗，但限于硬件資源、實驗場地和課時等多方面的限制，很多學(xué)校都沒有開設(shè)。虛擬仿真實驗正好彌補了這一缺陷。傳熱系數(shù)測量任務(wù)提供了傳熱系數(shù)測量原理、測量規(guī)范和測量報告范本的知識查閱，使用者可查看測試設(shè)備的三維模型，了解測試設(shè)備的名稱及相關(guān)性能參數(shù)，提供測試設(shè)備的模擬連接和模擬試驗。

本任務(wù)下有“設(shè)備連線”和“測試”兩個子任務(wù)。對每一實驗設(shè)備可以雙擊鼠標旋轉(zhuǎn)查看三維模型及其相應(yīng)的名稱、功能的介紹。在操作邏輯上，要求必須完成設(shè)備連接后，才能開始測試?！霸O(shè)備連線”提供了演示模式（圖2），會逐步演示連接過程，并有語音和文字說明，學(xué)生可以先在此模式下進行學(xué)習(xí)。在操作模式下，可以點擊“原理圖示”查看線路連接的原理，點擊“步驟提示”查看每一步的操作說明。該過程有完成進度的提示，并可重置連線重新開始。連線完成后，“開始測試”按鈕自動出現(xiàn)，進入測試過程（圖3）。

測試過程中，每一步操作都有文字說明和圖片高亮閃爍提示，基本上只需點擊鼠標即可逐步完成。將設(shè)置的熱箱溫度、冷箱溫度，讀取和記錄數(shù)據(jù)，依次填入表格，然后計算出構(gòu)件的傳熱系數(shù)和圍護結(jié)構(gòu)的總傳熱系數(shù)（圖4）。

1.3 傳熱系數(shù)認知

本任務(wù)為傳熱系數(shù)的認知，以典型居民住宅環(huán)境的模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開發(fā)，主要目的是讓學(xué)生對傳熱系數(shù)的影響因素進行了解。以常見的幾種墻體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過滑塊調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)層和保溫層的厚度，可以在圖表區(qū)域直觀地看到傳熱系數(shù)的變化，從而對材料厚度與傳熱系數(shù)關(guān)系有一個基本的認識。

在界面右上方可以選擇墻體結(jié)構(gòu)的“材料組合”（圖5），為了讓傳熱系數(shù)有較大差別，提供了空心砌塊、空心砌塊+XPS、空心砌塊+珍珠巖3種材料，“材料組合”的下方，可以通過滑塊改變材料層的厚度，形成結(jié)構(gòu)層和保溫層厚度各不相同的21種組合。

主界面顯示的傳熱系數(shù)變化曲線，反映不同結(jié)構(gòu)層隨保溫層厚度變化的傳熱系數(shù)值。調(diào)節(jié)滑塊時，當(dāng)前組合的傳熱系數(shù)值在圖形中用五角星高亮顯示，在調(diào)節(jié)過程中，可以直觀感受到傳熱系數(shù)與材料厚度的關(guān)系。

1.4 傳熱系數(shù)感知

如何對墻體結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的變化進行感知，是虛擬仿真的一個難點。在基于當(dāng)前主流的計算機和手機終端的硬件條件下，本任務(wù)嘗試利用圖形和動畫來進行展示，并延續(xù)了前一“傳熱系數(shù)認知”任務(wù)的界面，墻體結(jié)構(gòu)的組合與調(diào)節(jié)方式也完全一致。所有感知的數(shù)據(jù)來源都是按照上海的氣象條件進行模擬計算得到的。

墻體的傳熱系數(shù)首先影響的是全年的建筑能耗。因此，軟件增加了全年供熱和空調(diào)能耗的對比（圖6）。為了與傳熱系數(shù)對應(yīng)，將傳熱系數(shù)的折線圖與能耗柱狀圖同時展示在圖中。在移動滑塊調(diào)節(jié)砌塊厚度或保溫層厚度時，用箭頭對當(dāng)前組合下的能耗進行指示。

圖1 軟件的主界面

圖2 測試過程自動演示

圖3 測試線路連接

圖4 測試記錄及計算

為了對傳熱系數(shù)變化引起的熱流大小進行虛擬感知，軟件還可以選擇熱流強度的展示（圖7）。通過動畫顯示穿越墻體的熱流狀態(tài)，用紅色粒子的密度和速度表示熱流的大小。

墻體傳熱系數(shù)還能影響外墻內(nèi)表面的溫度。該溫度與室內(nèi)人體的熱舒適相關(guān)，但因熱舒適（PMV）值的影響因素過于復(fù)雜，這里直接展示溫度值（圖8）。通過軟件模擬，計算得到了各種傳熱系數(shù)對應(yīng)的冬至日外墻內(nèi)表面平均溫度，調(diào)節(jié)砌塊厚度或保溫層厚度時，顯示對應(yīng)的溫度圖。

1.5 知識考查

知識考查是對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一種檢驗，也可以使老師了解學(xué)生對不同任務(wù)的完成情況。為了避免替考等作弊行為發(fā)生，教師可以在“任務(wù)管理”中設(shè)置攝像頭的抓拍時間間隔。也可以設(shè)置各個任務(wù)的開放時間及在總成績中的構(gòu)成比例等。學(xué)生提交后，系統(tǒng)會自動統(tǒng)計匯總學(xué)生成績。學(xué)生的整個操作過程還能夠記錄，教師可以通過回放模式重現(xiàn)各個學(xué)生的操作過程。

本任務(wù)提供了兩種模式，即練習(xí)模式和測驗?zāi)Ｊ?。練?xí)模式不限時間和次數(shù)，題型有選擇題和思考題，題庫可進行編輯擴充。練習(xí)模式下，所有題目均提供了參考答案。測驗?zāi)Ｊ絻H有選擇題且只能進入1次，教師可以在管理平臺上設(shè)置測驗的日期和時長，學(xué)生通過學(xué)號登陸進入，屏幕上方顯示測驗的倒計時時間。時間結(jié)束后，強制保存并提交退出。

2 思考及討論

虛擬仿真實驗具有直觀通用、使用靈活、易于維護和可擴展等優(yōu)越性，可以有效彌補真實實驗在設(shè)備維護、資源占用、成本、學(xué)生容量和效果評估等方面的不足。虛擬實驗突破了傳統(tǒng)實體實驗在時間和空間上的限制，使學(xué)生的碎片時間得到了充分有效的利用。根據(jù)對抓拍的照片分析，大部分學(xué)生都是晚上在宿舍里完成實驗的。

隨著知識產(chǎn)權(quán)保護等問題的有效解決，虛擬仿真實驗軟件必將進入市場化銷售或通過其他方式進行共享，這使得優(yōu)質(zhì)實驗資源能夠得到更為充分的推廣利用，實驗的成本也將大大降低。在虛擬仿真實驗軟件開發(fā)的過程中，以下幾方面的問題需引起重視。

（1）內(nèi)容設(shè)計上新穎、有趣、引人入勝。學(xué)生利用碎片化的時間進行學(xué)習(xí)，很容易被周圍更有趣的事情吸引開，因此，不能照搬傳統(tǒng)的實體實驗，任務(wù)設(shè)計上要盡可能短小、有趣。

（2）虛擬仿真實驗軟件對硬件的要求不能過高。盡管智能可穿戴式設(shè)備（Wearable Devices）可能是今后虛擬現(xiàn)實的主流，但目前要想學(xué)生隨時隨地可以開始進入學(xué)習(xí)，對硬件的依賴必須最低，最好在一部智能手機上就能完成?？纱┐魇皆O(shè)備也許沉浸感和場景感更強，但必然限制了學(xué)習(xí)的場所。

圖5 影響因素認知界面

圖6 全年供熱空調(diào)能耗感知

圖7 熱流強度感知

圖8 外墻內(nèi)表面平均溫度感知

（3）虛擬仿真實驗的內(nèi)容需要與時俱進，不能拘泥于傳統(tǒng)意義上的實驗內(nèi)容。一些知識點可以經(jīng)過合理設(shè)計，成為虛擬仿真實驗。因此，虛擬現(xiàn)實的發(fā)展，將使不同教學(xué)內(nèi)容的邊界變得模糊。

3 結(jié)語

傳熱系數(shù)是建筑圍護結(jié)構(gòu)的一項重要熱工性能指標，對建成環(huán)境的熱舒適及建筑能耗都有著重大影響。傳統(tǒng)的熱箱實驗是測試傳熱系數(shù)的基本方法，但實體實驗容易受到時間、空間和條件的限制；而虛擬仿真實驗可以大大節(jié)省學(xué)生與教師的實驗時間，不僅緩解了課時不足的矛盾，拓展了實驗內(nèi)容，而且使學(xué)生加深了對概念的理解。虛擬仿真實驗軟件是專業(yè)教師同軟件公司合作的成果，它打破了傳統(tǒng)實驗的限制，通過市場推廣，可以使優(yōu)質(zhì)實驗資源惠及更多的學(xué)子，這也是順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)+教育的一種有益嘗試。