余振飛

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 前言

綠色節(jié)能已然成為21世紀(jì)暖通行業(yè)的重要議題。隨著人們生活水平的提升，人們對建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境舒適性要求也隨之提高。建筑空調(diào)系統(tǒng)需在節(jié)能的基礎(chǔ)上滿足人們對室內(nèi)熱濕環(huán)境舒適性的要求[1]，利用空調(diào)系統(tǒng)對文物展廳進(jìn)行環(huán)境控制是改善文物保存環(huán)境和提高游客熱舒適性的重要有效途徑[2]。

大型公共建筑具有建筑規(guī)模大、耗資多、空間功能復(fù)雜和人員密集度大等特點，其室內(nèi)環(huán)境的健康和舒適性值得關(guān)注[3]。因此，本文針對北京市石景山區(qū)某大型文化中心的出土文物展廳，基于室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的分布式測量和CFD模擬，對室內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行分析。

2 工程概況

北京市石景山區(qū)某大型文化中心是市民重要文化活動場所，設(shè)有文化館、非遺中心、博物館、美術(shù)館等。本文選擇該文化中心博物館的出土文物展廳作為研究對象。展廳內(nèi)分設(shè)9個小區(qū)域，展柜設(shè)45個，布置有陶瓷、佛像、古磚、金屬器具、卷宗等出土文物。展廳內(nèi)采用中央空調(diào)降溫、除濕，提升室內(nèi)舒適度并為文物提供良好的館藏環(huán)境。

3 測試實驗及結(jié)果

為了分析文物展廳的室內(nèi)熱舒適性，首先通過現(xiàn)場測試獲取室內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)[4－5]，并對其進(jìn)行綜合分析。

3.1 測試條件

3.1.1 測試儀器

本次測試實驗采用的儀器(見圖1)包括:(1)手持式激光測距儀(?，敎y距儀AR-40)；(2)分體式數(shù)字溫濕度計(?，敎y試儀AS847)；(3)手持高精度高溫測溫槍(單點鐳射測量MT-4612)；(4)手持式熱敏式風(fēng)速儀(希瑪熱敏式AR866A)；(5)熱度指數(shù)計(AZ8758)。分別用于測定房間分隔區(qū)域尺寸、室內(nèi)溫度及相對濕度、展柜表面溫度、室內(nèi)風(fēng)速及室內(nèi)黑球溫度。

圖1 測試儀器

現(xiàn)場測定儀器及設(shè)備的主要性能參數(shù)如表1所示，各類設(shè)備均具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、攜帶方便及操作簡單等優(yōu)點。

表1 現(xiàn)場測定儀器及設(shè)備性能參數(shù)

3.1.2 測點布置

根據(jù)國家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)和《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)工程檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 260—2011)，熱環(huán)境測點布置原則如下:(1)采樣點的數(shù)量根據(jù)室內(nèi)面積大小和現(xiàn)場情況而確定，以期能正確反映室內(nèi)空氣水平。100 m2以上，在5個測點的基礎(chǔ)上，每增加20～50 m2酌情增加1～2個測點(均勻布置)。(2)測點布置在離地面以上0.7～1.8 m的同一高度，且應(yīng)離開外墻表面和冷熱源不小于0.5 m。(3)測點應(yīng)布置在人員停留時間長且具有代表性的地點。

根據(jù)房間布置情況，對文物展廳所分隔的9處區(qū)域均勻設(shè)置33個室內(nèi)測點，測點高度為1.5 m，如圖2所示。

圖2 測點布置

3.2 測試結(jié)果

本次實驗對出土文物展廳進(jìn)行了為期3 d的測試:(1)2021年7月2日，測試時間為下午3:00～4:00，室外環(huán)境溫濕度為29℃、55%；(2)2021年7月3日，測試時間為下午3:00～4:30，室外環(huán)境溫濕度為28℃、63%；(3)2021年7月6日，測試時間為上午9:00～11:30，室外環(huán)境溫濕度為30℃、49%。為分析測點位置的熱濕分布，將相同測點位置的3 d測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比曲線見圖3和圖4。

圖3 室內(nèi)溫度分布測試曲線

圖4 室內(nèi)相對濕度分布測試曲線

由圖3數(shù)據(jù)可以看出，雖然出土文物展廳墻面溫控器的溫度設(shè)定為26℃，但各個測點實測室內(nèi)溫度均在22.5℃以下，墻面溫控器溫度和室內(nèi)實際溫度產(chǎn)生了較大偏差。

該房間的室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，三次測試室內(nèi)溫度的最大日波動分別為0.4℃、0.9℃、0.6℃，未出現(xiàn)影響人員熱舒適大幅度的溫度波動，日波動在±1℃以內(nèi)；且3 d測點17、18、19位置的室內(nèi)溫度均為本日最高，原因為這3個測點區(qū)域內(nèi)未安裝空調(diào)送風(fēng)口，空調(diào)冷風(fēng)由鄰近設(shè)有送風(fēng)口的區(qū)域流入測點區(qū)域。

由圖4可知，各測點的相對濕度較為穩(wěn)定，3次測試的最大日波動分別為1.6%、3.4%和2.1%，未出現(xiàn)大幅度日波動；且從測點1至測點33所測的相對濕度整體呈下降趨勢。

此外，測試實驗對室內(nèi)風(fēng)速也進(jìn)行了測定，室內(nèi)各測點風(fēng)速較小，均小于0.2 m/s，參觀游客并不會產(chǎn)生不適的吹風(fēng)感，舒適度較好[5]。

4 模擬計算與評價

4.1 CFD模擬原理

基于實測數(shù)據(jù)，對該文物展廳進(jìn)行CFD模擬分析。首先做兩個基本假設(shè):(1)函數(shù)值在任一控制容積內(nèi)均勻分布；(2)函數(shù)值在任一控制容積的任一界面上均勻分布。本文模擬過程所用的湍流模型為RNG k-ε模型。在進(jìn)行湍流模型計算時，內(nèi)、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用傳熱系數(shù)作為邊界條件，送風(fēng)口采用溫度和風(fēng)速作為邊界條件，回風(fēng)口采用定壓邊界條件。

CFD模擬的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，無論是質(zhì)交換、動量交換還是熱交換，也不論是層流還是紊流，均可以采用通用形式進(jìn)行表征，其一般形式:

式中，φ為通用變量；Γφ與Sφ為與φ相對應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項。

4.2 熱濕環(huán)境評價指標(biāo)模擬計算

熱舒適度是指人們對客觀環(huán)境從生理與心理方面所感受到的滿意程度而進(jìn)行的綜合評價[7－8]。目前對熱舒適的評價主要從溫度波動、溫度分布均勻度、豎直空氣溫差、吹風(fēng)感指數(shù)及PMV等方面考慮[9]。其中，PMV指標(biāo)為綜合考慮了空氣溫度、空氣濕度、環(huán)境風(fēng)速、輻射溫度、服裝熱阻及人體代謝率等6種因素的全面性熱舒適評價指標(biāo)[8]；PPD為房間內(nèi)人群對于該房間熱濕環(huán)境下的預(yù)計投票中不滿意人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的百分比。PPD可以預(yù)測在該出土文物展廳內(nèi)感覺過熱、過冷的百分?jǐn)?shù)，來作為關(guān)于熱不適的參考信息。

在模擬研究中，先通過CFD法求解室內(nèi)溫度場和速度場分布，再根據(jù)PMV和PPD計算公式獲取室內(nèi)PMV和PPD分布，進(jìn)而依據(jù)PMV和PPD值進(jìn)行評價，最后給出評價結(jié)果[11－12]。

4.3 結(jié)果分析

(1)文物展廳溫度場分析

由圖5可知，文物展廳內(nèi)人行高度處各測點位置的空氣溫度與實測結(jié)果接近，驗證了CFD模型的模擬精度。然而，模擬結(jié)果也顯示，室內(nèi)絕大部分空間的空氣溫度均低于24.5℃，這顯然無法滿足北京市規(guī)定的公共建筑空調(diào)溫度不低于26℃的要求，出現(xiàn)了能源浪費(fèi)。

圖5 人行高度處溫度場分布

(2)室內(nèi)PMV與PPD達(dá)標(biāo)比例統(tǒng)計

采用綠建斯維爾軟件對該出土文物展廳的PMV和PPD分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，該出土文物展廳的PMV值大部分分布于－0.5～1.0之間，即人員體感在微涼到微暖之間，整體舒適度良好。

圖6 人行高度處PMV分布

圖7 人行高度處PDD分布

PMV指標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有進(jìn)行量化評價，為評價室內(nèi)的舒適度水平，《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》給出了PPD評價標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 PPD評價標(biāo)準(zhǔn)

基于圖7模擬結(jié)果和表2評價標(biāo)準(zhǔn)，計算可知該出土文物展廳的PPD達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)標(biāo)面積比例，如表3所示。

表3 建筑主要房間PPD達(dá)到Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)的面積統(tǒng)計

根據(jù)表3，該出土文物展廳PPD達(dá)到《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》整體評價Ⅱ級的面積比例為98.02%，室內(nèi)人員對熱舒適的滿意度比例達(dá)到較高水平。

5 結(jié)論

隨著人民生活水平的提高，人們對室內(nèi)熱濕環(huán)境的舒適性要求也越來越高，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)既要滿足舒適性，也要采取適當(dāng)?shù)拇胧┕?jié)約能源。

博物館作為一個城市、乃至一個國家承載著豐富的國家歷史和文化內(nèi)涵的重要公共建筑，做好相應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境控制工作，對文物保護(hù)、游客學(xué)習(xí)歷史都至關(guān)重要。

(1)展廳內(nèi)環(huán)境溫度略低，不滿足人體舒適度的要求。特別是夏季，人們從高溫環(huán)境下瞬間進(jìn)入溫度太低的展廳會造成游客體感不適。此外，室內(nèi)相對濕度的波動幅度相對較大，不同時間段最大波動幅度大于15%，甚至?xí)霈F(xiàn)相對濕度高于65%的情況，這些都會給文物帶來蟲、霉、銹蝕等潛在危機(jī)，不利于文物的儲存。

(2)文物展廳雖然反映室內(nèi)舒適度的PMV和PPD指標(biāo)均處于較優(yōu)，且PPD指標(biāo)達(dá)到評價標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級的面積為98.02%，但室內(nèi)溫度場分布在22℃～25℃之間，明顯不符合“夏季室內(nèi)溫度應(yīng)不低于26℃”的北京市節(jié)能溫度標(biāo)準(zhǔn)要求，產(chǎn)生了較大的能源浪費(fèi)。依據(jù)上述結(jié)論，該出土文物展廳的運(yùn)維單位正在擬定空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的整改方案。

在今后的工程實踐中，需從設(shè)計、施工、調(diào)試、運(yùn)維等多個方面入手，在關(guān)注舒適度的同時，提升空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性能，實現(xiàn)舒適度和節(jié)能性能的雙優(yōu)化，努力為用戶提供一個高效、綠色、便利、舒適的人性化建筑空間環(huán)境，并將空調(diào)系統(tǒng)打造為兼顧游客人體舒適度要求、文物保護(hù)儲存要求和低碳節(jié)能運(yùn)維的高精度智慧空調(diào)系統(tǒng)。