应用虚拟现实可视化办公环境的温热环境智能控制和能源消耗的设计导则

作者 | Author：沈振江 SHEN Zhenjiang，滕潇 TENG Xiao，田村浩次 TAMURA Koji，张云天 ZHANG Yuntian

/ 日本金泽大学环境设计学院 School of environmental design,Kanazawa University,Japan

1 研究背景

近年来，城市化造成全球变暖和热岛现象等环境问题，已成为国际上所强调需要解决的问题[1][2][3]。在日本，这些问题归因于城市中的建筑物和车辆的人为热量排放、以及城市活动中一次能源消耗的二氧化碳排放；[4][5][6]一次能源消费中占比最大的项目是通过燃烧化石燃料发电[7][8]，导致日本人均二氧化碳排放量在主要国家中仅次于美国、韩国和俄罗斯。[9]

在建筑设计领域，最近的技术进步促使建筑设计能在虚拟空间中进行可视化[10][11]，并对施工分析和优化进行模拟，以提高工作效率。[12][13]UnityTechnology的 “Unity日本办公室项目”利用虚拟空间进行实际建筑设计的例子，实现了设计所需要的模拟和其他样品问题的解决方案。[14][15]此外，当应用于虚拟现实和增强现实时，它不仅可以将设计意图传达给设计师[16]，还可以传达给所有参与建筑项目的合作方[17][18]。不过，虽然BIM数据和组件数据可以通过这种方式进行可视化，但将室内环境及其数字信息进行可视化的例子很少，[19][20]其可视化的方法也还没有建立。[21][22]

Task和Ambience空调的能源效率可以通过能源消耗计算模拟和运行数据分析来确定。[23][24][25]然而，由于没有在设计阶段对这种空调设备的热负荷再次建立可视化的方法[26]，传统模拟软件没有假设新式空调的准则，[27]所以我们在设计阶段不可能预知节能效果。[28]因此，研究有必要制定设计指南，对节能空调的能源消耗进行说明[29][30]。这项研究的重点是Task-Ambience区，旨在通过比较各种温度和湿度模式与传统的温度和湿度设置，估计热负荷以建立设计指南，指导办公室空调安装的设计阶段。

2 研究方法

（1）对现有的空调设计准则进行整理，对现有关于办公人员舒适度的研究和文献进行调查，并根据这些研究组织必要的空调环境条件，获得空调环境条件创建组合；

（2）根据获得的空调环境条件创建组合，使用热负荷计算公式，估计热负荷；

（3）使用游戏引擎进行设计导则的可视化工具开发，创建目标空间的三维模型和构建虚拟空间；

（4）将步骤（2）中根据空调环境条件创建组合获得的热负荷以csv文件形式输出，并通过游戏引擎在步骤（3）的虚拟空间中创建一个程序来读取该csv文件；

（5）通过游戏引擎在步骤（3）的虚拟空间中基于步骤（1）创建环境条件的选项界面，基于步骤（4）创建热负荷可视化程序，明确不同环境条件下的Task总热负荷和Ambience总热负荷，将不使用Task-Ambience区的总热负荷与使用Task-Ambience区进行比较分析，测算节能效果；

（6）根据步骤（5）的可视化成果，提出温热环境智能控制和能源消耗的设计导则。

3 热舒适和热负荷与设计导则的必要性

对各部门一次能源消费的考察表明，商业和家庭部门的增长明显高于其他部门；对于办公建筑等非住宅建筑类型，日本已经制定了一次能源消耗标准，并在改造、新建和建设高能耗性能的建筑中执行。在这种情况下，2016年业务和其他部门的一次能源消费分类表明，四分之一的一次能源消费用于空调（冷却和加热的总和）；照明和电力是需要改进的第二大项目。

对于一次能源的控制不仅使建筑更加节能，也能确保人在建筑空间中的舒适度。根据日本生产力中心的数据，2016年日本的小时劳动生产率是美国水平的三分之二，这在1970年以来七个主要工业化国家中是最低的。另一个现实情况是由于劳动力的减少而导致生产下降。考虑到日本目前GDP的维持，人均工作效率需要增加，2060年时折合大约将是目前人均的2.8倍，这意味着需要建立一个最大限度发挥绩效的工作场所。此外，随着2008年制定ZEB（净零能耗建筑）设计指南，2009年制定政府设施中引入Cool Biz/Warm Biz空调系统的指南，政府开始促进建筑环境设备的超节能并确保室内环境的舒适度。在此背景下，包括针对旨在改善个人工作空间舒适度的Task-Ambience空调等关于节能空调的研究已经在办公大楼空调系统中进行。然而，这种节能空调的评估和规划方法还没有在空调系统安装指南或ZEB（第一次出现专有名词，需标记全称，下同）设计指南中确立。因此，研究有必要组织关于节能空调的信息，并编制新的设计指南。

图1.2016 年业务和其他部门的一次能源消费分类

(1) Task-Ambience空气调节

Task-Ambience空调系统（以下简称TAC系统）是一个空调系统，其中，环境条件通过将空间划分为居住者附近（Task区）和其周围（Ambience区）来规划。系统通过设置环境条件（温度、湿度和风速），避免在居住者花费较少时间的Ambience区过度使用空调，而在他们花费较多时间的Task区提高智力生产力，TAC系统可以在Ambience区节能性和Task区舒适性之间保持平衡。这种TAC系统的一个典型例子是地板吹制式空调。相对整个区域都有空调来说，办公室内通过在办公桌附近地板上安装出风口的方法，更容易在办公环境周围创造一个有效环境。此外，允许每个人控制气流，通过方便的操作提高个人舒适度。

各项已有研究表明，安装Task-Ambience空调可放松环境设置的节能效果。然而，这些节能效果仅是在示范和运行阶段验证得到的，在设计阶段并没有显示出节能效果。同时，日本政府2009年7月发布的《政府设施中的冷/暖空调系统指南》关于传统空调和冷/暖空调系统中的热环境要素之间的关系阐述中，结果表明只解决热环境指标中的一个元素，很难确保办公区的热环境与传统环境相同。

至于考虑舒适性的空调控制研究，现有研究表明，当太阳辐射影响较大时，空调控制考虑从传统的、以温度为中心的控制，转到以PMV为中心、舒适性评价方法为主的控制；当太阳辐射的影响很大时，空调控制可以改善舒适度。然而，在设计阶段往往由于对吹风温度和气流速度的调整判断失误，失去周边和内部空调功率之间的平衡。因此，研究有必要在设计阶段下了解空调的热负荷。

(2) 居住者的热舒适度及其评价方法

热环境的六个要素。根据环境部的《大气环境报告》，定义热环境的要素是：①代谢率；②穿衣量：穿衣量是指衣服的热阻，以clo为单位表示；③空气温度（气温）；④热辐射（平均辐射温度）；⑤气流（风）；⑥湿度。

舒适度评估方法。在本研究中，办公人员的舒适度评估采用“预测平均票数（PMV）”指数，以设定适当的温度和湿度水平。PMV是Fanger设计的一个热指数，它以七点温度/冷度等级来表达人类在特定热环境下的舒适度。它以人体感觉舒适时的热平衡方程为基础，利用2-2-1所述的影响人体热舒适度的六个变量（代谢率、穿衣量、空气温度、辐射温度、相对湿度和空气流量），以及热环境离舒适条件远近，通过舒适度方程计算并得到相应指标。

表1.舒适度评价方法与评价指标表

(3) 计算空调的室内热负荷

热负荷是指维持室内温度和湿度恒定所需的热量，热负荷的大小决定了所需空调设备的性能。在本研究中，由于研究重点是室内设计，所以热负荷估算主要集中在室内负荷和通风引起的室外空气负荷。室外空气负荷属于空调负荷范畴，但在“空调手册”中是作为热负荷计算的一部分。热负荷计算需要进行最大热负荷计算以确定空调系统的容量，并进行年度热负荷计算以预测和评估能源节约。在这项研究中，最大热负荷计算被用来估计热负荷，以衡量Task/Ambience区域的大致热负荷。在现实中，热负荷被假定为非稳态，即随时间变化；但在本研究中，热负荷被假定为稳态，通过使用Excel手工计算估算得到，并没有使用模拟软件等。本研究涉及下表中带“○”的项目。

表2.热负荷分类及内容汇总表

房间负荷（室内产生的热量）大致可分为三类：

①室外表面负荷：室外表面负荷包括窗玻璃的穿流和太阳热负荷，建筑部件如外墙、屋顶和天花板的热负荷，以及墙体的透湿性。为计算这些因素，对不同的部件和位置要处理不同的数值，如部件的热透射率和屏蔽系数、标准太阳热增益率、有效温差等，因此，本研究没有处理这些问题；

②室内负荷：室内负荷包括由于人体、照明和设备产生的热负荷；

③室外空气负荷：室外空气负荷是一个通用术语，指的是引入与房间有温差的 “室外空气 ”而产生的热负荷。这里假定它是通风引起的总负荷。通风引起的室外空气负荷的公式如下：

关于公式中内部和外部的比焓差，一般来说，空调负荷（包括室外空气负荷）的计算涉及使用湿空气图来设定空调性能。然而，本研究为了数据更加准确，将使用下面①-④给出的实际公式来计算所需数值。

①确定饱和水蒸气压力[Pa]的方法：根据温度确定饱和水蒸气压力的常用方法是韦克斯勒公式；

t：干球温度[℃]，T：绝对温度[K]，Ps：饱和水蒸气压力[Pa]，P：水蒸气分压[Pa]，Φ：相对湿度[%]，x：绝对湿度[kg/kg（DA）]，Patm：大气压力[Pa]，h：比热焓[kJ/kg（DA）]。

与液态水接触时（高于0.01°C）：

②确定水蒸气分压[Pa]的方法：水蒸气分压可以简单地通过上面确定的饱和水蒸气压力除以相对湿度来计算；P：水蒸气分压[Pa]；φ：相对湿度[%]；P=Ps×φ/100

③确定绝对湿度[kg/kg’]的方法：绝对湿度可以通过水蒸气分压来计算；

P：水蒸气分压[Pa]；x：绝对湿度[kg/kg’]；Patm：大气压力[Pa]；x=0.622×P/(Patm-P)

④确定焓[kJ/kg’]的方法：比焓可以从温度和绝对湿度计算出来。

t：干球温度[℃]；x：绝对湿度[kg/kg’]；h：比焓[kJ/kg’]；h=1.006t+(1.86t+2501)x

4 使用游戏引擎进行设计导则的可视化工具开发

(1) 创建目标空间的三维模型和构建虚拟空间

这项研究使用了Trimble公司的3D建模软件“Sketch Up Make 2017”和Unity Technologies公司的游戏引擎软件“Unity”来构建虚拟空间，并将数据可视化。Sketch Up被用来创建虚拟空间的三维模型，利用其导出3D模型为dae文件的功能，将3D模型作为新的资产Assets导入Unity。在下一节中，本节构建的虚拟空间将被用来设计一个系统，利用第3章提到的公式将热负荷数据可视化。

(2) 用游戏引擎实现热负荷的可视化

创建一个程序来读取csv文件，第3章中公式计算的热负荷数据被保存在Unity的csv文件中，并设计一个系统将数据在虚拟空间的平面上可视化。必要的脚本和数据文件被添加到Unity项目中的Assets文件夹。第一步是在Assets文件夹中创建一个Resources文件夹，并添加存储热负荷数据的数据库.csv文件。DataInformation脚本由两个主要功能组成。函数CsvReader()读取csv文件的数据信息，并将其以字符串类型的数组存储在变量Database中。函数Init()将存储在变量Database中的数据信息存储在一个定义的变量中，以便于其他脚本的处理。

(3) 创建环境条件的选项界面

创建一个环境条件的选项界面，以便为办公人员设置温度和湿度条件。首先，一个Canvas被添加到层次结构中，以创建一个DropDown，它是显示在PC屏幕上的用户界面（操作屏幕或方法，UI）的一个对象，具有点击后显示选项的功能。父对象用于添加类似DropDown的用户界面；如图所示，为DropDown设置了六个Task温度和湿度条件，以便显示所选条件；这些条件与第3章中规定的条件相同。如图2所示，DropDown被放置在座位附近。四个环境温度和湿度条件也被设定为与第三章中的设定相同。在接下来的章节中，创建了一个程序，通过在这个屏幕上选择环境条件，从上一节中读取和存储的csv文件中读取与所选条件相对应的数据，并显示在一个单独的热负荷显示屏幕上。

(4) 创建热负荷可视化界面

创建界面来显示虚拟空间平面上的热负荷。热负荷显示界面由三个显示面板组成：一个显示Task总热负荷的面板，一个显示Ambience总热负荷的面板和一个显示总热负荷的面板。首先，创建一个显示Task总热负荷的面板，以红色显示Task区的所需面积，同时也显示座椅中心的Task总热负荷。这块显示板被复制以配合座位的数量，并被定位为配合每个座位的位置。Ambience总热负荷显示面板的位置也适合虚拟空间的地板面积，并显示与上一节中选择的环境条件相对应的Ambience总热负荷。然后，在显示总热负荷的面板中，显示总Task总热负荷、Ambience总热负荷和总热负荷相加。在下一节中，选择上一节中创建的环境条件后，在这个热负荷可视化界面上创建一个程序显示它们。

(5) 创建一个热负荷可视化程序

在上一节创建的热负荷可视化界面的基础上，创建一个程序以显示热负荷。首先，将父对象TextBackGround添加到Text组件中，并将TaskHeatLoad.cs脚本附加到它。在脚本上，变量TheatLoadText被做成[SerializeField]，这样文本组件就可以被存储在Unity检查器上。在函数Start（）中，DataInformation脚本的DataInformation类被存储在变量dataInfo中，csv 数据被读取并存储在该变量中。在函数Task Change Value（）中，当第2 节中创建的DropDown被选中时，csv数据中存储的Task总热负荷被转换为文本类型并分配给变量TheatLoadText。然后，一个显示总Task热负荷的文本组件被附加到检查器上。最后，附上相应的DropDown。如果这是为八个座位做的，当系统运行和选择环境条件时，总Task热负荷将分别显示在虚拟空间的平面上。

Ambience总热负荷显示程序的创建方式与Task总热负荷显示相同。首先，将父元素TextBackGround添加到Text组件中，并将AmbientHeatLoad.cs脚本附加到其中。在脚本上，变量AHeatLoadText被做成[SerializeField]，这样文本组件就可以被存储在Unity检查器上。在函数Start（）中，DataInformation脚本的DataInformation类被存储在变量dataInfo中，csv 数据被读取并存储在该变量中。在函数AmbientChangeValue（）中，当第2节中创建的DropDown被选中时，csv数据中存储的Task总热负荷被转换为文本类型，并分配给变量HeatLoadText。然后，一个显示总Task热负荷的文本组件被附加到检查器上。最后，附上相应的DropDown。现在，当系统运行并选择环境条件时，总的Task热负荷会分别显示在虚拟空间的平面上。

本节最后创建一个程序来显示所有总热负荷的总和。首先，必要的文本组件被添加到层次结构中：在SumHeatLoad.cs脚本中，变量被制成[SerializeField]，这样文本组件就可以被存储在检查器上，调整及选择相应的文本组件。在函数SumChangeValue()中，字符串类型的数据从附加在TaskTexts上的文本组件中获得，转换为数字类型并加在一起。同时，Ambience总热负荷的字符串类型数据也被获取并转换为数字类型。所有转换为数字型的热负荷数据然后加在一起，显示在总热负荷的文本部分。该程序允许通过设置虚拟空间中Task区和Ambience区的温度和湿度条件来检查室外总热负荷的数值。图3显示的是执行本节中创建的总热负荷显示程序的界面，并设置了Task温湿度条件和环境温湿度条件。

图2.环境条件的选项界面

图3.热负荷可视化界面

如果再从环境条件选择界面切换到上图中的热负荷可视化界面，就会显示各自的Task总热负荷、Ambience总热负荷及其总数，参照图4中的Task和Ambience环境条件选择，对应热负荷如图所示。

5 案例研究-设计阶段分析TASK-AMBIENCE区的节能效果

(1) 案例研究设置

这项研究为估计Task/Ambience区域的热负荷，并在游戏引擎中将其可视化，以金泽大学自然科学2号楼的规划和设计工作室（不是办公室）为目标，建立一个csv文件的数据库。房间大小被假定为与一个小型办公室差不多，面积为73.5平方米（长7000毫米，宽10500毫米）。所需的通风和人员也将相应设置。出席人数定为8人。外部空气温度设定为30℃，湿度为70%。

(2) Task区和Ambience区的设计导则

第三章确定的总热负荷计算方法被用来计算Task-Ambience区域的总热负荷。首先，获得室外空气条件的绝对温度、饱和水蒸气压力、水蒸气分压、绝对湿度和比焓，这是计算Task区和Ambience区的总热负荷所必需的。根据第四章可视化工具开发流程，创建案例工作室的虚拟空间，并在虚拟空间中计算Ambience-Task区相应环境的总热负荷。最终形成以下Task区和Ambience区的温热环境智能控制和能源消耗设计导则。

表3.环境条件值的设定

表4.Ambience区的总热负荷

表5.Task区的总热负荷

(3) Task区和Ambience区的设计导则使用与否的能源消耗比较Task区和Ambience区的设计导则使用能耗表的与未使用设计导则的能耗差显示，在个人工作场所温度（Task温度）和湿度相同的情况下，使用Task区和Ambience区设计导则的能源消耗比不使用的能源消耗平均减少了约8%；同时该结果显示空调的温度与湿度设定值与室温湿度差别越大，使用Task区和Ambience区的设计导则的能源节省量越高。

表6.不使用Task区和Ambience区设计导则的能源消耗

图4.环境条件选择界面

图5.选择环境条件后的热负荷可视化界面

表7.使用Task区和Ambience区设计导则的能源消耗

表8.使用Task区和Ambience区设计导则与不使用的能源消耗差

6 结论

本研究针对Task-Ambience空调的节能效果以及室内环境及其数字信息进行可视化的需求，在组织关于节能空调的信息后，最终选择通过Task-Ambience空调来进行办公环境控制。研究首先使用游戏引擎Unity进行可视化工具开发，该可视化工具可以根据预设的环境条件，依照室外空气负荷的计算公式计算出Task-Ambience区的总热负荷并显示在可视化界面上由此作为Task-Ambience空调的能源消耗量；依靠此可视化工具，本研究对案例工作室进行研究，并最终整合出Task区和Ambience区的温热环境智能控制和能源消耗设计导则。计算表明使用该设计导则比不使用的能源消耗平均减少了约8%，使用Task-Ambience空调和能源消耗设计导则能够有效减少办公室的空调能源消耗。

图6.Ambience 温度28℃湿度40%对应的环境条件选择界面和热负荷可视化界面

图7.Ambience 温度28℃湿度50%对应的环境条件选择界面和热负荷可视化界面

图8.Ambience 温度28℃湿度60%对应的环境条件选择界面和热负荷可视化界面

图9.Ambience 温度28℃湿度70%对应的环境条件选择界面和热负荷可视化界面