室內(nèi)水樂園環(huán)境熱舒適性研究

崔娜 陳欣 藺學(xué)峰

摘 要：文章介紹了人體對穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境反應(yīng)的描述方程，并針對室內(nèi)水樂園的特點，根據(jù)PMV-PPD模型從空氣溫度、相對濕度和空氣流速三個方面分析了不同工況下游客的熱舒適性，給出室內(nèi)水樂園環(huán)境熱舒適性的評價指標(biāo)。同時計算分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露情況，為今后室內(nèi)水樂園的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：熱舒適度;室內(nèi)水樂園;防結(jié)露

中圖分類號：TU111? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）03-0098-04

0引言

隨著人們生活水平的提高，越來越多的水樂園在建設(shè)和運營。水樂園是以戲水、休閑為主要目的而建造的娛樂性建筑，內(nèi)部有不同形狀的水池、漂流河和水上游樂設(shè)施等，包括室內(nèi)、室外和半室內(nèi)室外三種類型。其中室內(nèi)水樂園可以不受氣候條件的限制，滿足人們對全年享受水上娛樂活動的需求。室內(nèi)水樂園具有單層面積大、空間高、熱濕負(fù)荷大、熱擾環(huán)境復(fù)雜的特點，同時室內(nèi)人員停留時間較長，人員覆蓋年齡段廣，人群衣著較少，相對于其他建筑內(nèi)部環(huán)境舒適性的要求更高。目前我國尚未出臺關(guān)于室內(nèi)水樂園環(huán)境熱舒適性參數(shù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，單純按照游泳場所進(jìn)行設(shè)計存在一定的問題。本文針對室內(nèi)水樂園的特點，根據(jù)PMV-PPD模型，從空氣溫度、相對濕度和空氣流速三個方面進(jìn)行熱舒適性研究，并對水樂園圍護(hù)結(jié)構(gòu)防結(jié)露進(jìn)行計算分析，給出了室內(nèi)水樂園環(huán)境熱舒適性的評價指標(biāo)，為提高室內(nèi)水樂園環(huán)境熱舒適性和體驗感提供設(shè)計參考。

1 理論分析

人體的熱平衡可以用下式表示[1]：

M-W-C-R-E-S=0?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，M為人體新陳代謝率，決定于人體的活動量大小，W/m2;W為人體所做的機械功，W/m2;C為人體外表面向周圍環(huán)境通過對流形式散發(fā)的熱量，W/m2;R為人體外表面向周圍環(huán)境通過輻射形式散發(fā)的熱量，W/m2;E為汗液蒸發(fā)和呼出的水蒸氣所帶走的熱量，W/m2;S為人體蓄熱率，W/m2。

設(shè)計條件下，水樂園室內(nèi)為恒溫恒濕的穩(wěn)定環(huán)境，當(dāng)人員體溫恒定時，人體蓄熱率S=0。P.O.Fanger[1]提出的預(yù)計平均熱感覺指數(shù)（PMV）是表示人員處于熱平衡狀態(tài)時，在同一熱環(huán)境下絕大多數(shù)人的感覺，PMV模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。因為PMV指數(shù)不一定能夠代表所有個人的感覺，F(xiàn)anger又提出了預(yù)計不滿意者百分?jǐn)?shù)（PPD），表示處于熱環(huán)境中的人群對熱環(huán)境不滿意的預(yù)計投票平均值，PMV與PPD之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式見式（3）。

PMV=[0.303exp（-0.036M）+0.0275]×{M-W-3.05[5.733-0.007（M-W）-Pa]-0.42（M-W-58.2）-0.0173M（5.867-Pa）-0.0014M（34-ta）-3.96×10-8fcl[（tcl+273）4-（? ?+273）4]-fclhc（tcl-ta）}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，fcl為服裝的面積系數(shù)，m2·K/W;Pa為人體周圍水蒸氣分壓力，kPa;ta為人體周圍空氣溫度，℃;tcl為服裝外表面溫度，℃;? ?為平均輻射溫度，℃;hc為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

PPD=100-95exp[-（0.03353PMV4+0.2179PMV2）] （3）

可以看出PMV-PPD模型綜合了空氣溫度、相對濕度、空氣流速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率和服裝熱阻六個參數(shù)，其中前四個因素為環(huán)境變量，后兩個因素為個人變量。PMV指標(biāo)采用了7級分度[1]，見表1。

2 熱舒適度分析

個人變量在設(shè)計中是不可控的，由于水樂園內(nèi)游客大部分皮膚裸露在外，常見的服裝為泳衣+泳褲，服裝熱阻取0.06 clo;游客常見的活動為坐姿或立姿，放松狀態(tài)，新陳代謝率取1.0 met（58.15 W/m2）。平均輻射溫度考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和周圍物體表面溫度對人體輻射散熱強度的影響，同時受到室內(nèi)外因素的影響，較為復(fù)雜，通常夏季工況時將平均輻射溫度近似等于室內(nèi)空氣溫度，冬季工況時考慮平均輻射溫度近似與室內(nèi)空氣溫度相差2℃。環(huán)境變量是設(shè)計中可以優(yōu)化控制的，下面需要研究空氣溫度、相對濕度和空氣流速對室內(nèi)熱舒適度的影響。

由于目前沒有室內(nèi)水樂園的相關(guān)規(guī)范，參照現(xiàn)有規(guī)范《體育建筑設(shè)計規(guī)范》JGJ31、《游泳場所衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB9667、《游泳池給水排水工程技術(shù)規(guī)程》CJJ122等對游泳場所設(shè)計參數(shù)的規(guī)定，確定三個環(huán)境變量的范圍：空氣溫度取26℃～32℃，相對濕度取60%～80%，空氣流速≤0.5 m/s。首先空氣流速設(shè)定為0.2m/s，根據(jù)PMV模型計算研究不同空氣溫度和相對濕度對室內(nèi)熱舒適度的影響。圖1顯示了夏季工況不同空氣溫度和相對濕度條件下的PMV和PPD值，可以看出，在服裝熱阻、人體新陳代謝率、空氣流速和平均輻射溫度一定的條件下，當(dāng)空氣溫度為29℃時PMV和PPD最小，即室內(nèi)熱舒適性最好;當(dāng)空氣溫度在26℃～29℃之間且相對濕度不變時，隨著溫度的升高，PMV和PPD越來越小，室內(nèi)熱舒適性升高;當(dāng)空氣溫度在29℃～32℃之間且相對濕度不變時，隨著溫度的升高，PMV和PPD越來越大，室內(nèi)熱舒適性降低。同時還發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境下，相對濕度越高人體熱感覺越大。從PMV和PPD變化幅度來看，當(dāng)相對濕度不變時，溫度每變化1℃，PMV變化0.6左右，PPD變化范圍在6%～30%;當(dāng)空氣溫度不變時，相對濕度每變化5%，PMV變化0.05左右，PPD變化范圍在1%～3%。很明顯，空氣溫度比相對濕度對室內(nèi)熱舒適度的影響程度更大。

圖2顯示了冬季工況不同空氣溫度和濕度條件下的PMV和PPD值，可以看出空氣溫度和相對濕度對室內(nèi)熱舒適性的影響與夏季工況規(guī)律基本相同。不同的是，冬季工況下，空氣溫度為30℃時PMV和PPD最小，即室內(nèi)熱舒適性最好;在相同的室內(nèi)空氣溫度和濕度條件下，夏季工況的PMV和PPD值比冬季工況的PMV和PPD值小，即冬季工況時室內(nèi)熱舒適環(huán)境的要求更高。

根據(jù)以上分析，將空氣溫度設(shè)定為29℃，相對濕度設(shè)定為70%，研究空氣流速對室內(nèi)熱舒適的影響，由圖3可以看出，隨著空氣流速的增大，PMV和PPD值變大，PMV變化0.3左右，PPD變化范圍在4%～10%，空氣流速對室內(nèi)熱舒適的影響也較大。

3 過渡季熱舒適度分析

過渡季可以采用自然通風(fēng)，在非空調(diào)采暖的環(huán)境下，室內(nèi)的空氣溫度、相對濕度和空氣流速等都會隨著室外參數(shù)的變化而不斷變化，會對人體的熱舒適度產(chǎn)生影響。熱濕環(huán)境評價時可采用APMV（預(yù)計適應(yīng)性平均熱感覺指標(biāo)）[2]，其表達(dá)式如下：

APMV=PMV/（1+λ·PMV）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中λ為自適應(yīng)系數(shù)，與氣候條件、人體適應(yīng)能力等因素有關(guān)，當(dāng)PMV≥0時，λ取0.21，當(dāng)PMV<0時，λ取-0.5。根據(jù)上文PMV計算結(jié)果來計算水樂園內(nèi)游客的APMV，結(jié)果如圖4，可以看出在相同溫濕度條件下，APMV值低于PMV值，即人們在非空調(diào)采暖環(huán)境下對熱舒適度的要求比在空調(diào)采暖環(huán)境下低。在實際建筑環(huán)境中，人體可以通過體溫調(diào)節(jié)功能、心理作用和行為調(diào)節(jié)來使自身達(dá)到舒適狀態(tài)。

4 熱舒適評價

利用建筑環(huán)境中心熱舒適計算工具[3]給出了室內(nèi)水樂園空氣溫度為29℃，相對濕度為70%，空氣流速為0.2 m/s，人員服裝熱阻為0.06 clo，新陳代謝率為1.0 met條件下的熱舒適區(qū)間，以ASHRAE Standard 55-2017為標(biāo)準(zhǔn)，陰影區(qū)域為PMV不超過±0.5，結(jié)果見圖5和圖6。

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[4]，熱舒適等級劃分為兩級，不用熱舒適度等級對應(yīng)的PMV和PPD值見表2。針對以上計算結(jié)果得出，對于室內(nèi)水樂園來說，夏季工況熱舒適度等級為Ⅰ級空氣溫度要求在28℃～30℃，空氣流速≤0.3 m/s;冬季工況熱舒適度等級為Ⅰ級空氣溫度要求在29℃～30℃，空氣流速≤0.2 m/s。

室內(nèi)水樂園熱舒適度參數(shù)中，空氣溫度和流速作為主要因素，相對濕度的影響不顯著。文獻(xiàn)[5]中指出空氣相對濕度在40%～80%范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度處于舒適溫度附近時，相對濕度對人體熱感覺幾乎沒有影響。因為水樂園室內(nèi)相對濕度整體偏高，室內(nèi)水樂園空氣溫度為29℃，相對濕度為70%時，室內(nèi)空氣含濕量為17.95 g/kg，比普通的民用建筑高很多，設(shè)計時除了需要保證人體皮膚表面蒸發(fā)散熱平衡外，還要避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露和霉菌生長，影響游客體驗。

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡公式，室內(nèi)外傳熱量等于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)空氣之間的傳熱量：

K（ti-tw）=hi（ti-twi）?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? &nbsp; ? ? （5）

式中，K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/ m2·K ;ti為室內(nèi)空氣溫度，℃;tw為室外空氣溫度，℃;hi為內(nèi)表面換熱系數(shù)，取8.7 W/m2·K;twi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃。

為防止出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度要比室內(nèi)空氣露點溫度高1℃～2℃，設(shè)計時建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要滿足要求。選取全國五個典型城市計算防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)露的傳熱系數(shù)，其中哈爾濱屬于嚴(yán)寒地區(qū)，北京屬于寒冷低區(qū)，杭州屬于夏熱冬冷地區(qū)，廣州屬于夏熱冬暖地區(qū)，昆明屬于溫和地區(qū)，計算結(jié)果見表3。根據(jù)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[6]，外墻、屋頂?shù)臒峁?shù)可以滿足防結(jié)露的要求，外窗的熱工參數(shù)無法滿足。一般為保證水樂園內(nèi)部良好的采光和建筑外形要求，室內(nèi)水樂園通常有大面積的屋頂天窗或玻璃幕墻，需要采取主動式或被動式防結(jié)露措施。

6結(jié)語

（1）本文根據(jù)水樂園內(nèi)游客的實際狀態(tài)，計算得出游客在冬季工況時對室內(nèi)熱舒適環(huán)境的要求比夏季工況更高，夏季工況熱舒適度等級為Ⅰ級空氣溫度要求在28℃～30℃，空氣流速≤0.3 m/s;冬季工況熱舒適度等級為Ⅰ級空氣溫度要求在29℃～30℃，空氣流速≤0.2 m/s。

（2）計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響人員舒適性的因素中，空氣溫度和空氣流速比相對濕度影響程度更大，空氣相對濕度設(shè)計時除了考慮熱舒適性外還需要考慮防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露，與建筑專業(yè)配合設(shè)計合理的熱工參數(shù)，采取主動式或被動式的防結(jié)露措施。

（3）對于大型室內(nèi)水樂園，在滿足人體熱舒適度要求時，設(shè)計中如何優(yōu)先采用新技術(shù)、新設(shè)備來實現(xiàn)低碳建筑需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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Study on Thermal Comfort of Indoor Water Park Environment

CUI Na，CHEN Xin，LIN Xuefeng

（China Jingye Engineering Co.， Ltd.， Beijing? 100088）

Abstract： This paper introduces the equation of human body's response to steady-state thermal environment. According to the characteristics of indoor water park， the thermal comfort of tourists under different working conditions is analyzed from three aspects of air temperature， relative humidity and air velocity by PMV-PPD model. The evaluation index of thermal comfort of indoor water park environment is given. At the same time， the condensation on the internal surface of building envelope is calculated and analyzed. This paper provides reference for indoor water park design in the future.

Keywords： thermal comfort;indoor water park;anti-condensation

收稿日期：2022-01-27

作者簡介：崔娜（1989—），女，山東德州人，碩士研究生，工程師，研究方向：室內(nèi)水樂園熱濕環(huán)境。