半室外空間內(nèi)部水體對熱濕環(huán)境的影響及熱舒適性評價研究*

0 引言

體驗式商業(yè)強調(diào)從生活情境出發(fā)，塑造人們的感官體驗與心里認同感，更注重消費者的參與、體驗和感受。通過環(huán)境、建筑及城市風格的融合而營造出別致的休閑消費場所，激發(fā)起消費者的消費意識與消費行為。只有愛戲劇幻城配套項目的初衷是要打造一種具有主題性、文化性，與自然結(jié)合，在休閑購物的過程中真實融入到自然中的購物新體驗。將水引入、穿流而過，讓顧客感受水“能聽會看、有喜有悲”的靈性，但同時水的引入對顧客的熱舒適性感受提出了新的研究課題。水的蒸發(fā)一方面會引起環(huán)境濕度的變化，另一方面蒸發(fā)吸熱也會影響到環(huán)境溫度的變化。因此在進行建筑設計時合理考慮水面的蒸發(fā)散濕及其對環(huán)境的影響，對設計師合理營造舒適的建筑環(huán)境，為顧客提供全方位的舒適體驗至關重要。

Teodosiu等人建立了可模擬空氣濕度分布的物理模型，并通過數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)比較對該模型進行了驗證[1]。Limane等人用OpenFOAM對室內(nèi)游泳池與環(huán)境的傳熱傳質(zhì)進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)當人員活動區(qū)的風速降低時，較冷和較濕區(qū)域的范圍增大，當水面附近風速的豎直梯度較小時，溫度和濕度的水平分布較均勻[2]。Ciuman等人采用ANSYS CFX對室內(nèi)游泳池的熱濕環(huán)境進行了數(shù)值模擬，并用測試數(shù)據(jù)進行了對比驗證[3]。韓明新等人通過CFD模擬研究了某大型室內(nèi)水上樂園項目冬季空調(diào)工況室內(nèi)熱濕環(huán)境的情況[4]。李鑫針對室內(nèi)游泳池的通風除濕進行了研究分析，給出了常用設計條件下的一些游泳池通風空調(diào)設計數(shù)據(jù)，確定了游泳館建筑通風除濕的適用條件[5]。劉凱月等人用數(shù)值模擬的方法研究了4種常見氣流組織形式對中小型游泳館熱濕環(huán)境的影響[6]。國內(nèi)外眾多學者已經(jīng)對室內(nèi)游泳池或水上環(huán)境中水面對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響和評價開展了相關研究，但是對半室外環(huán)境中水體對熱濕環(huán)境的影響和評價的研究目前還比較少。半室外空間環(huán)境主要受室外自然條件的影響，所以對于半室外空間環(huán)境的模擬分析比采用機械通風的室內(nèi)環(huán)境的研究難度更大；半室外空間屬于室外空間，節(jié)能上不允許采用空調(diào)方式進行熱濕環(huán)境營造，所以對半室外空間的環(huán)境改善難度更大，只能通過加強通風等能耗較小的方式來進行改善。因此，本文建立一套研究半室外空間內(nèi)部水體對熱濕環(huán)境影響及舒適性評價的方法，并以實際工程為研究對象，采用該方法對半室外空間內(nèi)部河道水體對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響進行模擬分析，對環(huán)境的舒適性進行評價并給出改善建議。

1 工程介紹

只有愛戲劇幻城配套項目——月下愛河位于江蘇省鹽城市，項目建筑面積15 160 m2，建筑高度24 m，是一種全新的重體驗、輕售賣的“體驗式商業(yè)”模式建筑。建筑主要功能包括體驗式商業(yè)(室內(nèi))、鄰水休閑(半室外)空間及穿流的河道等。圖1為該項目的室內(nèi)外效果圖。

圖1 項目效果圖

圖2為項目1層平面圖，其中白色區(qū)域為室內(nèi)商業(yè)區(qū)，灰色區(qū)域為水面位置，黑色區(qū)域為岸邊區(qū)域。本次研究主要關注水面和河岸區(qū)域的舒適性，該區(qū)域?qū)儆诎腴_敞環(huán)境，不允許采用人工手段進行空氣調(diào)節(jié)。該半室外空間的特點是內(nèi)部有大面積的水面，其中水面的面積為2 127 m2，岸上走道的面積僅為1 271 m2。大面積的水體蒸發(fā)散濕到環(huán)境中會對環(huán)境的濕度產(chǎn)生影響，同時水體的蒸發(fā)又會從環(huán)境吸熱，從而對環(huán)境的溫度產(chǎn)生影響。此外，該半室外空間與室外環(huán)境有7個連通開口，其中頂部4個，側(cè)邊的北、東、西向各1個，室外空氣如何通過這些連通開口與該半室外空間進行氣流交換是一個比較復雜的問題。

圖2 項目1層平面圖

2 研究方法

2.1 研究方法及思路

通過上述分析，要分析該項目半室外環(huán)境中的水體對環(huán)境的影響及進行環(huán)境評價，需要解決以下問題：

1) 半室外空間的7個與室外連通開口的氣流流向及通風量的計算；

2) 半室外空間水體散濕量及蒸發(fā)吸熱量的確定。

為解決上述2個問題，本研究采用圖3所示的流程進行模擬計算分析。首先進行室外風環(huán)境模擬，得到半開敞空間與室外連通開口處的邊界條件。然后將該邊界條件代入到半室外空間的模型中，作為該環(huán)境CFD模擬的邊界條件。這樣就可以算出各個連通開口的氣流流向和風量。上面提到的第二個問題涉及到多參數(shù)的相互耦合作用。水體的散濕量主要受環(huán)境的風速、溫度和相對濕度影響。同時，散濕量又會影響水體的蒸發(fā)吸熱量，從而影響環(huán)境的溫度場和流場。本研究通過手動迭代的方法來確定水體散濕量和水體的蒸發(fā)吸熱量。首先，根據(jù)風環(huán)境模擬得到的邊界條件對半開敞空間氣流組織進行初步試算，得到半開敞空間內(nèi)平均風速v、溫度t和相對濕度φ。在Excel中編制了計算水體蒸發(fā)散濕量和水體蒸發(fā)吸熱量的計算表，將計算得到的相關參數(shù)輸入表格中即可得到水體蒸發(fā)散濕量和吸熱量。然后用計算得到的水體蒸發(fā)散濕量和吸熱量對CFD模擬的邊界條件進行修正并重新計算流場。根據(jù)本文第2.3.3節(jié)中介紹的水面散濕量和吸熱量的計算方法編制了Excel計算表，見表1。計算完成后將得到的相關參數(shù)輸入到Excel計算表重新計算水體蒸發(fā)散濕量和吸熱量，并與上一次的計算結(jié)果進行對比。如果2次計算結(jié)果之差大于5%，則利用本次計算結(jié)果重新計算流場并再次迭代；如果兩者之差小于等于5%，則完成模擬計算，得到最終的流場計算結(jié)果。將適應性平均熱感覺指數(shù)(aPMV)的udf程序?qū)氲紽luent軟件中，計算環(huán)境的aPMV并進行環(huán)境舒適性評價。

表1 水面散濕量和吸熱量Excel計算表

圖3 計算流程

2.2 CFD模擬及控制方程

本研究采用CFD模擬分析的方法對不同風向下半室外空間的室內(nèi)溫濕度環(huán)境進行模擬分析，并給出可行的環(huán)境優(yōu)化建議。圖4為用于半室外空間模擬的物理模型。

圖4 半室外空間物理模型

考慮到水面散濕對環(huán)境濕度的影響，本研究采用組分輸運方程對水體的散濕和環(huán)境的濕度分布進行模擬分析，控制方程如下：

(1)

式中τ為時間，s；ρ為濕空氣的密度，kg/m3，通過理想氣體狀態(tài)方程進行計算；Y為水蒸氣的質(zhì)量分數(shù)；v為空氣的速度矢量，m/s；J為由于水蒸氣在干空氣中的擴散引起的質(zhì)量通量，用式(2)計算。

(2)

式中D為水蒸氣在干空氣中的質(zhì)量擴散系數(shù)；μt為湍流黏度；Sct為湍流施密特數(shù)；α為湍流熱擴散率。

式(2)中等號右側(cè)第一項為由于水蒸氣濃度梯度引起的質(zhì)量通量，第二項為由于溫度梯度引起的質(zhì)量通量。

溫度場通過能量守恒方程進行求解，在其中添加了由于擴散通量引起的焓傳遞項，即：

(3)

式中Sh為由于擴散通量引起的能量變化；hi為組分i的比焓；Ji為單位時間進入到空間的水蒸氣量。

2.3 邊界條件

2.3.1室外氣象參數(shù)

圖5給出了項目所在地的月平均溫度，可以看出7月和8月是全年中的最熱月份。圖6給出了項目所在地的逐時含濕量變化曲線，可以看出7月和8月的室外含濕量也比較大。因此本研究針對最不利的7月和8月進行重點分析。

圖5 項目所在地月平均溫度

圖6 項目所在地逐時含濕量變化曲線

2018年和2019年各月最多風向及頻率的統(tǒng)計結(jié)果顯示，全年最多風向為東向，其中又以東東南向居多，其余風向比例較小且平均，最多風向中沒有西向。圖7為項目所在地累年7月和8月的風向頻率和平均分布圖，數(shù)據(jù)來自于甲方提供的鹽城市大豐區(qū)氣象資料。可以看出：當?shù)?月和8月頻率最高的風向為東東南、東、東南、東東北、東北、北東北和北；7月和8月平均風速的最大值為3.6 m/s，最小值為1.5 m/s。本研究對東風和北風2種工況下半室外空間的溫濕度環(huán)境進行模擬分析。

圖7 項目所在地累年7月、8月的風向頻率和平均風速

2.3.2開口邊界條件

對項目進行風環(huán)境模擬，獲得項目與室外連通開口的風壓邊界條件。當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)結(jié)果顯示，7月和8月的高頻風向為東東南、東、東南、東東北、東北、北東北和北，平均風速在1.5～3.6 m/s的范圍內(nèi)。因此模擬東風和北風2種工況下，室外風速分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m/s時的風環(huán)境。目的是研究連通開口的風壓受室外風速的影響關系，并作為半開敞室外環(huán)境模擬的邊界條件來完成室內(nèi)環(huán)境的模擬分析。

圖8為計算得到的北風和東風工況下半開敞空間與室外連通開口的表面風壓。

圖8 連通開口表面風壓

室外環(huán)境溫度和相對濕度按照鹽城市夏季通風計算參數(shù)確定，溫度為29.8 ℃，相對濕度為73%。

2.3.3水面蒸發(fā)散濕量及吸熱量計算

水面的蒸發(fā)散濕量通常根據(jù)蒸發(fā)率計算，蒸發(fā)率通常用水面單位面積的質(zhì)量流量來表示。文獻中的大量相關研究成果可以用于計算水面的蒸發(fā)散濕量[7-9]。本研究按照《體育建筑空調(diào)設計》中的方法計算水面散濕量[10]，計算公式如下：

Ww=0.007 5(0.017 8+0.015 2va)(pw-pi)Fw

(4)

圖9為用該方法計算得到的水面散濕量及與文獻[11]中的測試數(shù)據(jù)的對比。從對比結(jié)果可以看出：該方法計算得到的水面散濕量與測試數(shù)據(jù)吻合較好，尤其是在風速較高時；在低風速下(v=0.24 m/s)，計算得到的水面散濕量略高于測試數(shù)據(jù)。

圖9 計算得到的水面散濕量與文獻[11]中測試數(shù)據(jù)的對比

水面蒸發(fā)吸熱量Q用下式計算：

(5)

式中γ為半開敞空間內(nèi)空氣在對應溫度下的汽化熱，28 ℃飽和空氣的汽化熱為2 434 kJ/kg。

2.4 工況設計

鹽城市處于北亞熱帶向南暖溫帶過渡區(qū)，季風氣候明顯，兼有海洋性氣候特征，是典型的夏熱冬冷地區(qū)。本研究分別對無風的最不利工況、夏季主導的東風和北風不同風速下的工況進行了模擬分析，工況描述見表2。

表2 研究工況

2.5 環(huán)境評價方法

本文所研究的半室外環(huán)境為非人工冷熱源熱濕環(huán)境，根據(jù)GB/T 50785—2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》中的規(guī)定，對于非人工冷熱源熱濕環(huán)境采用計算法評價時，使用aPMV作為評價依據(jù)。表3給出了非人工冷熱源熱濕環(huán)境的評價等級。aPMV計算公式如下：

表3 非人工冷熱源熱濕環(huán)境評價等級

(6)

式中PMV為預計平均熱感覺指數(shù)；λ為自適應系數(shù)，本研究案例為夏熱冬冷地區(qū)夏季工況，因此λ取0.21。

本研究將自定義程序udf編譯到Fluent中對環(huán)境的aPMV進行計算求解。由于研究的是夏季工況，假設著裝為短袖、短褲，服裝熱阻為0.35 clo，人員按照站立、偶爾走動考慮，代謝率設為1.7 met。

3 結(jié)果與討論

3.1 速度場

圖10給出了東風和北風工況下室內(nèi)的流線圖，結(jié)果表明東風和北風工況下都是從東側(cè)、西側(cè)和北側(cè)的連通開口進風，從頂部的連通開口排風。東風工況下從東側(cè)連通口進入的氣流主要從與之最近的頂部開口1和頂部開口2排出，北風工況下從北側(cè)連通開口進入的氣流也主要從頂部開口1和頂部開口2排出。表4給出了模擬得到的各工況下各室外連通開口的進出風量，其中正值表示氣流從室外流入室內(nèi)，負值表示氣流從室內(nèi)流向室外。7種工況下室內(nèi)的通風換氣次數(shù)為2.7～17.0 h-1，其中無風工況和北風1.5 m/s工況下的通風換氣次數(shù)最小，東風3.5 m/s工況下的通風換氣次數(shù)最大。

圖10 室內(nèi)流線圖

表4 模擬得到的各工況下各連通開口進出風量情況

對不同室外風速、風向下半室外空間內(nèi)的速度場進行了對比分析。圖11給出了不同工況下室內(nèi)環(huán)境中高風速區(qū)(風速高于0.5 m/s)的情況，無風工況下室內(nèi)幾乎沒有高風速區(qū)，未在圖中顯示?？梢钥闯觯S著室外風速的增大，室內(nèi)高風速區(qū)的范圍略有增大，東風工況下比北風工況下室內(nèi)高風速區(qū)范圍更大。

圖11 室內(nèi)環(huán)境中風速高于0.5 m/s的區(qū)域

圖12給出了不同工況下室內(nèi)高風速區(qū)和低風速區(qū)的占比。可以看出：隨著室外風速的增大，高風速區(qū)的占比略有增大，但是即使在室外風速達到3.5 m/s的工況下，室內(nèi)高風速區(qū)的占比也低于30%，大部分區(qū)域的風速在0.2～0.5 m/s之間；由于室內(nèi)外沒有形成較強的熱壓作用(室內(nèi)外溫度幾乎相同)，所以4個頂部通風口沒能形成較強的豎向拔風作用，導致在無風工況下室內(nèi)74%的區(qū)域風速均低于0.2 m/s。

圖12 不同工況下室內(nèi)高風速區(qū)和低風速區(qū)占比

3.2 溫度場

不同工況下人員活動高度的室內(nèi)溫度分布見圖13?？梢钥闯觯菏覂?nèi)溫度分布較均勻，大部分區(qū)域的溫度與室外空氣溫度相同，約為29.8 ℃；由于水面蒸發(fā)吸熱的作用，水面上方區(qū)域的溫度會略低，由于岸上人員的散熱，岸上通風不好的角落區(qū)域的溫度會略高，最高溫度不超過32 ℃。無風工況下，由于室內(nèi)風速小，水面的蒸發(fā)量小，水面蒸發(fā)吸熱量也小，室內(nèi)水面上方的溫度略高于有風工況。

圖13 不同工況下室內(nèi)溫度分布圖

3.3 濕度場

半開敞空間環(huán)境內(nèi)的水面會進行水分蒸發(fā)，蒸發(fā)到空氣中的水蒸氣會影響室內(nèi)的濕度環(huán)境。圖14給出了不同工況下室內(nèi)人員活動區(qū)的相對濕度分布情況?？梢钥闯觯菏覂?nèi)相對濕度分布較均勻；通風較好區(qū)域的相對濕度與室外空氣的相對濕度相同，通風較差區(qū)域的相對濕度略有升高，室內(nèi)平均相對濕度約為75%，比室外略高；最差濕度環(huán)境出現(xiàn)在北風1.5 m/s工況。

圖14 不同工況下室內(nèi)相對濕度分布圖

3.4 室內(nèi)環(huán)境舒適性評價

圖15給出了各工況下室內(nèi)舒適性的模擬結(jié)果。結(jié)果顯示水面上的舒適性要好于岸上。水面上的aPMV大多在0.5～1.0的范圍內(nèi)，熱濕環(huán)境舒適性等級可達Ⅱ級；岸上的大部分位置aPMV都高于1.0，熱濕環(huán)境舒適性等級為Ⅲ級。舒適性較差的區(qū)域多出現(xiàn)在岸上的一些角落。無風工況時室內(nèi)的舒適性明顯比有風工況時差；隨著室外風速的增加，室內(nèi)的舒適性略有改善，但是改善效果不明顯。因此，為了避免夏季室外極端條件下岸上區(qū)域出現(xiàn)環(huán)境舒適性特別差的情況，應對岸上局部角落區(qū)域采用有效措施進行改善。

圖15 室內(nèi)舒適性模擬結(jié)果

3.5 設計優(yōu)化建議

基于環(huán)境低風速區(qū)占比較高的情況，可以通過在岸上舒適性較差的區(qū)域設置局部通風設施(例如風扇等)來加強氣流的流動，通過速度補償來改善岸邊局部小環(huán)境的舒適性。Limane等人用三維OpenFOAM對室內(nèi)游泳池環(huán)境的熱舒適性進行了模擬評價，指出吹風條件可以大大改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和舒適性[12]。上述研究發(fā)現(xiàn)該項目通風設計工況下室內(nèi)溫度范圍為29～31 ℃，室內(nèi)大部分區(qū)域的相對濕度約為75%。對這種溫度和濕度環(huán)境下不同風速的aPMV進行了計算，圖16給出了風速對環(huán)境舒適性的影響。環(huán)境的aPMV隨著環(huán)境風速的增大而降低。風速達到0.6 m/s時，環(huán)境的aPMV低于1.0，達到Ⅱ級舒適性要求。在局部加風扇加強氣流流動，使局部區(qū)域的氣流流速達到0.6 m/s是比較容易實現(xiàn)的。

圖16 風速對環(huán)境舒適性的影響曲線

4 結(jié)論

1) 本研究通過室外風環(huán)境模擬為半室外空間的CFD模擬提供邊界條件，通過手動迭代的方法解決了水體蒸發(fā)散濕、吸熱與環(huán)境氣流組織相互耦合的問題。這種方法可以運用到實際工程中，研究半室外環(huán)境水體對環(huán)境的影響及對環(huán)境舒適性進行評價。

2) 所研究的7種工況下室內(nèi)的高風速區(qū)(風速高于0.5 m/s)占比均較低，低于30%。內(nèi)部溫度分布較均勻，由于水面蒸發(fā)吸熱的作用，水面上方溫度較低，岸上通風不好的角落區(qū)域溫度較高。通風較好區(qū)域的相對濕度與室外空氣的相對濕度基本相同，通風較差區(qū)域的相對濕度偏大，室內(nèi)平均相對濕度約為75%，比室外略高。

3) 該半室外空間在夏季通風設計條件下部分區(qū)域可達到Ⅱ級舒適性要求，但是在河岸的角落出現(xiàn)熱舒適性較差(僅達Ⅲ級舒適性)的區(qū)域。對此，建議在熱舒適性較差的區(qū)域增設局部通風設施(例如風扇等)來增強該區(qū)域的氣流流動，從而實現(xiàn)改善局部熱舒適性的目標，同時研究發(fā)現(xiàn)將河岸角落區(qū)域的氣流流速增強到0.6 m/s以上時，熱舒適性指標就可以達到Ⅱ級要求。