雙層膜結(jié)構(gòu)體育館夏季熱環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析

宋寅搏， 陰 悅， 閆勇升， 王曉情， 陳務(wù)軍， 任思杰

(1. 上海交通大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，上海 200240； 2. 上海海勃膜結(jié)構(gòu)有限公司， 上海 200240)

膜結(jié)構(gòu)屋蓋因透光性、輕質(zhì)性、高強(qiáng)度、造型可塑等優(yōu)點(diǎn)在大跨度空間建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛[1-4]，但作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，輕薄的膜材因低熱阻特性而表現(xiàn)出較差的儲(chǔ)熱隔熱能力，因此膜結(jié)構(gòu)建筑對(duì)外部環(huán)境變化非常敏感，難以維持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定[5-7].對(duì)于大跨度公共空間而言，維持一個(gè)良好的熱環(huán)境是實(shí)現(xiàn)建筑相關(guān)功能的基本要求[6-8]，這對(duì)膜結(jié)構(gòu)屋蓋的保溫隔熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求.

由于膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域缺乏保溫隔熱性能的相關(guān)規(guī)定，所以相關(guān)設(shè)計(jì)只能依據(jù)普通建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，在實(shí)際工程中采用膜結(jié)構(gòu)屋面的場(chǎng)館多為雙層膜封閉式建筑.文獻(xiàn)[9-10]對(duì)膜結(jié)構(gòu)體育館的傳熱分析表明雙層膜結(jié)構(gòu)建筑的熱損失比單層膜降低了11%～18%，具有更好的隔熱性能；然而Ghani等[11]對(duì)大跨度膜結(jié)構(gòu)體育館的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，采用雙層膜結(jié)構(gòu)屋面的封閉式建筑的熱環(huán)境依然無法滿足人體熱舒適性，應(yīng)當(dāng)在膜結(jié)構(gòu)中增加保溫隔熱設(shè)計(jì).普通建筑物的熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方式主要是通過鋪設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)極低的隔熱材料來最大程度降低傳熱速率[12-13].膜結(jié)構(gòu)建筑中同樣可以采用鋪設(shè)隔熱材料的方式來實(shí)現(xiàn)這一目的，實(shí)際工程中應(yīng)用較多的是以玄武巖為原料經(jīng)高溫熔融加工而成的巖棉板，可以起到很好的保溫、隔燃作用，其缺點(diǎn)是不透光，會(huì)嚴(yán)重影響膜結(jié)構(gòu)建筑的采光效果.

SiO2氣凝膠作為一種納米級(jí)多孔固態(tài)材料，具有輕質(zhì)、透光和高熱阻等優(yōu)點(diǎn)[14]，通常被用于航天探測(cè)領(lǐng)域，近年來也被制備為氣凝膠氈用于提高膜結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，同時(shí)可以滿足建筑物的透光性需求[2,15].安徽省舒城縣體育館即為一座典型的封閉式雙層膜結(jié)構(gòu)體育館，采用巖棉板與氣凝膠氈相結(jié)合的鋪設(shè)方法作為膜結(jié)構(gòu)屋面的保溫隔熱措施.本文選擇夏季晴朗無風(fēng)天氣對(duì)該體育館的整體熱環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了整體溫度場(chǎng)在水平和豎直方向的分布規(guī)律，研究了太陽輻射強(qiáng)度、體育館內(nèi)部高差和材料熱學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)體育館溫度場(chǎng)分布特征的影響；根據(jù)體育館幾何特征和材料物性建立了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整體溫度場(chǎng)變化的熱物理模型，基于該模型分析了不同保溫隔熱設(shè)計(jì)下的體育館溫度場(chǎng)，研究結(jié)果可以為雙層膜結(jié)構(gòu)建筑的熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

1 熱環(huán)境監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

1.1 項(xiàng)目概況

舒城縣體育館位于安徽省六安市舒城縣(北緯31.5°，東經(jīng)116.9°)西南方向，場(chǎng)館容量為3 800座.場(chǎng)館整體為穹頂結(jié)構(gòu)，高度為33 m，跨度為121.2 m.上部屋面結(jié)構(gòu)為雙層四角錐體系的球形網(wǎng)殼，外層網(wǎng)殼為肋環(huán)型，內(nèi)層為施威德勒型，內(nèi)外層網(wǎng)殼之間夾層厚度為4 m，整體通過邊緣球鉸焊接等形式固定于混凝土主體之上，如圖1所示.網(wǎng)殼內(nèi)外側(cè)分別鋪設(shè)厚度為0.3和0.8 mm的聚四氟乙烯(PTFE)膜材，內(nèi)膜上鋪設(shè)氣凝膠氈和巖棉板以增強(qiáng)建筑保溫性能.中心區(qū)域氣凝膠氈面積為 2 081 m2，占比約28%，周圍環(huán)形巖棉板面積為 5 313 m2，占比約72%.下部混凝土結(jié)構(gòu)凈高14.0 m，上設(shè)東向、西向和北向的三層環(huán)形看臺(tái)，中心為圓形體育場(chǎng)地.二層看臺(tái)有8個(gè)出入口與外部環(huán)形連廊相連，連廊外立面為玻璃材質(zhì)的落地窗.

圖1 體育館結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of gymnasium

1.2 測(cè)試方案

監(jiān)測(cè)參數(shù)可以分為兩類：太陽輻射強(qiáng)度R(t)和環(huán)境溫度T(x,y,z,t)，其中t為時(shí)刻，x、y、z為空間的三維坐標(biāo).試驗(yàn)測(cè)量采用手持式太陽輻射強(qiáng)度計(jì)1個(gè)，采集范圍為1～3 999 W/m2，誤差為±10 W/m2，采集周期為5 min；無線測(cè)溫儀22個(gè)，采集范圍為 -40～120 ℃，誤差為±0.3 ℃，采集周期為1 min.監(jiān)測(cè)時(shí)段為2020年8月19日的 8:00—18:00，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)外界風(fēng)力為1～2級(jí)，風(fēng)速約為 2 m/s.

以體育館內(nèi)部高差和水平方位為主要考慮因素來確定無線測(cè)溫儀的布點(diǎn)位置，均勻布置了共計(jì)21個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)的位置及編號(hào)信息如圖2所示.其中，E、W、S、N和C分別代表方位東、西、南、北和中心點(diǎn)；下標(biāo)O代表外部膜面，I代表內(nèi)部膜面；數(shù)字1、2和3代表室內(nèi)的三層看臺(tái)位置.5個(gè)外膜組測(cè)點(diǎn)CO、EO、WO、SO、NO固定于外層PTFE膜上，夾層組測(cè)點(diǎn)CI放置于氣凝膠氈上方，4個(gè)內(nèi)膜組測(cè)點(diǎn)EI、WI、SI、NI固定于馬道上方的內(nèi)層PTFE膜附近，11個(gè)室內(nèi)組測(cè)點(diǎn)E1～E3、W1～W3、S1和S3、N1～N3放置于各層看臺(tái)處.

圖2 體育館溫度測(cè)點(diǎn)平面與立面布置Fig.2 Layout of temperature monitoring points

2 雙層PTFE膜結(jié)構(gòu)體育館熱環(huán)境

2.1 空間溫度場(chǎng)分布特性

分析9:00、12:00和15:00測(cè)試時(shí)段內(nèi)的溫度分布情況，根據(jù)測(cè)點(diǎn)空間位置采用三次函數(shù)插值構(gòu)建東西剖面和南北剖面的整體溫度場(chǎng)，如圖3所示.結(jié)果表明，隨著體育館高度由高至低變化，同一時(shí)刻溫度逐漸降低，呈現(xiàn)出明顯的豎向分層現(xiàn)象，高溫區(qū)主要位于夾層區(qū)域，即氣凝膠氈上方的空氣層，低溫區(qū)位于看臺(tái)位置，且三層看臺(tái)之間的溫差不顯著.不同時(shí)刻溫度由早至晚呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，高溫區(qū)由夾層區(qū)域逐漸向下擴(kuò)散，面積逐漸增加；高溫區(qū)位置隨太陽高度角變動(dòng)，即由東南向(9:00)逐漸過渡至西北向(15:00).此外，由于體育館所處的緯度位置和屋面中心透明氣凝膠的影響，東、西、北3個(gè)方向二層看臺(tái)的光照條件優(yōu)于其他看臺(tái)區(qū)域，且溫度略高于其他看臺(tái)區(qū)域.

膜結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部的溫度分布取決于空間、時(shí)間、天氣條件和季節(jié)等，本文主要研究體育館在夏季晴朗天氣條件下1 d中的溫度場(chǎng)變化，以太陽輻射強(qiáng)度、體育館內(nèi)部高差和材料熱學(xué)性質(zhì)等為主要考慮因素，對(duì)膜結(jié)構(gòu)體育館的熱環(huán)境進(jìn)行分析.

圖3 體育館剖面溫度場(chǎng)變化Fig.3 Temperature fields on different sections

2.2 太陽輻射強(qiáng)度的影響

太陽輻射強(qiáng)度的測(cè)定受天氣狀況的影響，如云層的遮擋會(huì)顯著降低輻射強(qiáng)度值，所以測(cè)定值只能體現(xiàn)體育館附近小范圍區(qū)域的天氣變化情況.體育館各層不同時(shí)段太陽輻射強(qiáng)度及平均溫度變化如圖4所示，其中，Tmax為溫度峰值.太陽輻射強(qiáng)度在1 d中整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在12:00附近達(dá)到峰值 1 350 W/m2；8:00—13:00時(shí)段的太陽輻射強(qiáng)度整體高于13:00—18:00時(shí)段，8:00—13:00 時(shí)段天氣晴朗，輻射強(qiáng)度監(jiān)測(cè)值較為穩(wěn)定，13:00—18:00 時(shí)段為多云天氣，監(jiān)測(cè)值波動(dòng)程度較大，17:30后太陽輻射強(qiáng)度值降至150 W/m2以下.太陽輻射強(qiáng)度值在短時(shí)段內(nèi)的變化可以體現(xiàn)測(cè)試當(dāng)天每一時(shí)刻的天氣情況，如11:15時(shí)體育館上空出現(xiàn)大面積云層遮擋太陽照射，記錄到太陽輻射強(qiáng)度值出現(xiàn)較大降幅；隨云層移動(dòng)，太陽輻射強(qiáng)度值逐漸增加至無云層遮擋的水平.根據(jù)無線測(cè)溫儀記錄的各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，各層平均溫度隨太陽輻射強(qiáng)度均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，8:00—13:00為升溫時(shí)段，13:00—18:00為降溫時(shí)段.

圖4 體育館各層平均溫度隨太陽輻射強(qiáng)度變化圖Fig.4 Variation of temperature on different floors with solar radiation index

表1 屋面結(jié)構(gòu)中主要材料性質(zhì)Tab.1 Material properties of roof

圖5 體育館各向測(cè)點(diǎn)位置及溫度變化Fig.5 Variation of temperature of monitoring points in each direction

2.3 體育館內(nèi)部高差對(duì)豎向各層溫度分布規(guī)律的影響

外膜、內(nèi)膜、三層、二層和一層看臺(tái)處在1 d內(nèi)的平均溫度分別為42.3、35.4、33.1、33.0和31.9 ℃，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì).外膜和內(nèi)膜兩者之間的溫差最大，達(dá)到6.9 ℃，高差為5.5 m；各層看臺(tái)之間溫度差異性較小，一層、三層看臺(tái)間溫差僅有1.2 ℃，高差為13 m，說明內(nèi)部高差對(duì)豎向各層溫度分布規(guī)律影響較小，且雙層PTFE-氣凝膠屋面結(jié)構(gòu)在阻止高溫區(qū)向室內(nèi)擴(kuò)散方面發(fā)揮了重要作用.

2.4 材料熱學(xué)性質(zhì)的影響

屋面結(jié)構(gòu)中主要材料性質(zhì)如表1所示，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)低于空氣，可極大降低其兩側(cè)熱量的傳遞效率.在圖4中，氣凝膠兩側(cè)的外膜、內(nèi)膜溫度峰值分別為49.4和38.3 ℃，相差11.1 ℃；氣凝膠上方的外膜和夾層受到太陽輻射強(qiáng)度影響的波動(dòng)程度較大，而下方的內(nèi)膜和三層看臺(tái)溫度無明顯波動(dòng)；由外向內(nèi)，熱能的傳遞出現(xiàn)明顯的時(shí)滯效應(yīng)和峰值遞減現(xiàn)象.

選取升溫時(shí)段的9:00、12:00和降溫時(shí)段的15:00、18:00時(shí)刻，對(duì)各向測(cè)點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行測(cè)定，如圖5所示.分析得出水平向各測(cè)點(diǎn)的溫度分布差異性較小，豎直向溫度分布規(guī)律與各層平均溫度保持一致，以外膜組測(cè)點(diǎn)的溫度變化范圍最廣.9:00時(shí)太陽高度角較小，屋面的東側(cè)和南側(cè)光照條件較好，EO和SO測(cè)點(diǎn)溫度略高于WO和NO測(cè)點(diǎn)；同時(shí)，15:00時(shí)屋面的西側(cè)和北側(cè)光照條件較好，WO和NO測(cè)點(diǎn)溫度略高于EO和SO測(cè)點(diǎn).12:00時(shí)太陽高度角較大，屋面的各向光照條件相近，此時(shí)豎向各測(cè)點(diǎn)之間的溫差主要由層間材料的熱學(xué)性質(zhì)決定，各方向上以氣凝膠氈兩側(cè)的外膜組和內(nèi)膜組測(cè)點(diǎn)溫差最大，平均約為11.4 ℃.

綜合以上分析，體育館整體溫度在1 d中的變化趨勢(shì)由太陽輻射強(qiáng)度控制；某時(shí)刻下體育館的水平方向溫度差異性主要受太陽高度角的影響，豎直方向溫度差異性主要取決于各層間的材料熱學(xué)性質(zhì)；1 d中豎向各層的平均溫度差最大值(5.4 ℃)、峰值溫度差最大值(11.1 ℃)以及各向測(cè)點(diǎn)的某時(shí)刻溫差最大值(11.8 ℃)均位于氣凝膠氈兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)組，因此推測(cè)出氣凝膠材料的鋪設(shè)是雙層PTFE屋面有效發(fā)揮阻熱作用的主要原因.

3 數(shù)值分析

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，在雙層膜結(jié)構(gòu)建筑中，材料熱學(xué)性質(zhì)是影響溫度場(chǎng)分布的重要因素之一.為進(jìn)一步探究氣凝膠對(duì)雙層膜結(jié)構(gòu)體育館保溫隔熱性能的影響，以其鋪設(shè)情況為變量建立不同的工況進(jìn)行對(duì)比分析.采用數(shù)值分析方法，基于實(shí)測(cè)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、建筑結(jié)構(gòu)特征和實(shí)際材料物性參數(shù)，建立能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)膜結(jié)構(gòu)體育館溫度場(chǎng)的多場(chǎng)數(shù)值熱物理模型.在此模型的基礎(chǔ)上建立不同工況，研究體育館溫度場(chǎng)的差異性.

3.1 模型假設(shè)

熱能傳遞主要包括熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)3種形式.結(jié)構(gòu)中不同部分熱能的主要傳遞方式與外界氣象環(huán)境、體育館結(jié)構(gòu)特征和各材料層的鋪設(shè)和接觸情況相關(guān)，其模型假設(shè)條件如圖6所示.

圖6 結(jié)構(gòu)中不同部分的熱能傳遞方式Fig.6 Heat transfer modes of different parts of the structure

(1) 熱輻射：太陽輻射是引起體育館溫度變化的根本原因，模型中以實(shí)測(cè)太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線R(t)作為熱源Q，體育館內(nèi)部空間接收的輻射熱能受太陽高度角、材料不透明度和氣凝膠鋪設(shè)面積等因素控制.

(2) 熱對(duì)流：考慮屋面夾層和室內(nèi)空氣兩部分的空氣對(duì)流換熱，屋面受輻射升溫后的部分熱能通過對(duì)流傳熱的方式向室內(nèi)傳遞，主要由空氣的相對(duì)濕度和流速等因素控制.

(3) 熱傳導(dǎo)：考慮膜材、巖棉和氣凝膠等固體材料內(nèi)部的傳導(dǎo)換熱，主要由材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率等因素控制，傳導(dǎo)換熱方式引起的溫度變化對(duì)體育館整體溫度場(chǎng)影響極小.

3.2 熱物理模型

利用COMSOL Multiphysics有限元軟件進(jìn)行體育館溫度場(chǎng)的計(jì)算和分析，按照有限元分析步驟進(jìn)行幾何模型建立、材料參數(shù)輸入和網(wǎng)格劃分等前處理，以及邊界條件和求解步長等求解器的設(shè)置.

依據(jù)體育館的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，忽略細(xì)長表面或多余的小邊等次要幾何特征，取其主要的近似幾何進(jìn)行分析建模并輸入材料和環(huán)境參數(shù).其中，屋面的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼安裝于雙層膜結(jié)構(gòu)之間，由金屬材料良導(dǎo)熱性形成的熱橋效應(yīng)只會(huì)影響夾層空氣內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，而對(duì)外界環(huán)境向室內(nèi)空間的熱量傳遞貢獻(xiàn)不大，因此在幾何模型建立時(shí)忽略屋面鋼結(jié)構(gòu)部分，注重體育館整體幾何特征的還原，所建立的幾何模型如圖7(a)所示，網(wǎng)格劃分模塊中選擇創(chuàng)建默認(rèn)的由物理場(chǎng)控制的四面體網(wǎng)格，使用較細(xì)化的網(wǎng)格以保證不影響薄區(qū)域和短邊的正確解析.本模型共計(jì)得到 44 113 個(gè)域單元，最大單元尺寸為 6.34 m，最小單元尺寸為0.46 m.網(wǎng)格劃分情況如圖7(b)所示.

體育館溫度場(chǎng)隨太陽輻射強(qiáng)度和外界空氣溫度發(fā)生周期性變化，屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程.根據(jù)材料的實(shí)際工作場(chǎng)景，施加熱物理模型中各部分的邊界條件及初始條件，如定義玻璃幕墻邊界條件為環(huán)境溫度Tamb=30.5+5.5cos[3π(t′-12.8)/24]，t′為時(shí)間變量，定義模型所有外表面邊界條件為外界自然對(duì)流引起的流入/流出熱通量.在模型中進(jìn)行瞬態(tài)求解器設(shè)置，進(jìn)行每一個(gè)時(shí)間步(0.1 h)下受到相應(yīng)太陽輻射強(qiáng)度值的瞬態(tài)傳熱求解，利用多個(gè)時(shí)間步8:00—18:00下的瞬態(tài)解對(duì)比體現(xiàn)溫度場(chǎng)的變化.通過構(gòu)建整體溫度場(chǎng)定義邊界溫度值(見圖3)，取8:00時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，設(shè)結(jié)構(gòu)各部分初始溫度值為環(huán)境溫度Tt0=Tamb=293 K.

圖7 模型幾何特征及網(wǎng)格劃分Fig.7 Geometric features and mesh dividing of numerical model

3.3 結(jié)果及有效性驗(yàn)證

計(jì)算得到體育館東西向剖面的溫度場(chǎng)如圖8(a)所示，結(jié)果表明，整體溫度變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)一致，12:00時(shí)太陽高度角較大，氣凝膠氈外側(cè)溫度顯著高于內(nèi)側(cè).外膜、內(nèi)膜與看臺(tái)處(3層看臺(tái)的平均標(biāo)高層)的溫度模擬結(jié)果如圖8(b)所示，模型中以實(shí)測(cè)值R(t)作為太陽輻射強(qiáng)度值進(jìn)行每一個(gè)時(shí)間步下的瞬態(tài)求解，無法準(zhǔn)確表征云層厚度變化引起短時(shí)段內(nèi)的外膜溫度驟降現(xiàn)象.此外，3處位置的溫度變化趨勢(shì)基本一致，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比如表2所示，外膜模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度在 8:00—18:00時(shí)段誤差平均值為1.5 ℃，相對(duì)誤差平均值為3.9%；內(nèi)膜誤差平均值為1.1 ℃，相對(duì)誤差平均值為2.9%；看臺(tái)誤差平均值為0.5 ℃，相對(duì)誤差平均值為0.4%.各位置相對(duì)誤差整體小于5%，說明熱物理模型可以有效反映體育館1 d中的溫度場(chǎng)變化.

圖8 溫度場(chǎng)模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of simulated and measured results of temperature field

表2 各組測(cè)點(diǎn)溫度誤差分析Tab.2 Error analysis of monitoring data

4 不同保溫隔熱設(shè)計(jì)對(duì)熱環(huán)境的影響

體育館屋面部分阻熱材料的鋪設(shè)情況為72%巖棉和28%氣凝膠即原始工況，以下對(duì)另外3種工況下的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行對(duì)比研究.

工況1：0%巖棉和0%氣凝膠，僅雙層膜間夾層空氣隔熱.

工況2：72%巖棉和0%氣凝膠，僅雙層膜間環(huán)形區(qū)域輔設(shè)巖棉隔熱.

工況3：0%巖棉和100%氣凝膠，雙層膜間區(qū)域全部鋪設(shè)氣凝膠隔熱.

4.1 工況1對(duì)熱環(huán)境的影響

工況1的體育館溫度場(chǎng)如圖9(a)所示，與原始工況對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，以氣凝膠和巖棉鋪設(shè)位置為主的溫度分界線消失，出現(xiàn)明顯的水平溫度分界線.在圖9(b)中，原始工況外膜處平均溫度同比升高 0.4 ℃，內(nèi)膜處降低 4.2 ℃，看臺(tái)處降低 0.5 ℃，表明氣凝膠和巖棉材料的鋪設(shè)可有效降低體育館室內(nèi)溫度.

圖9 工況1溫度場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.9 Simulation results of temperature field in the first design scenario

4.2 工況2對(duì)熱環(huán)境的影響

工況2的體育館溫度場(chǎng)如圖10(a)所示，與原始工況對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，以氣凝膠鋪設(shè)位置為主的溫度分界線消失.在圖10(b)中，原始工況外膜處平均溫度同比升高0.3 ℃，內(nèi)膜處降低3.7 ℃，看臺(tái)處降低0.3 ℃.結(jié)合工況1溫度場(chǎng)，巖棉材料阻熱作用影響范圍限于其豎直投影區(qū)域，外膜處熱量會(huì)透過屋面中心區(qū)域向下傳遞.

圖10 工況2溫度場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of temperature field in the second design scenario

4.3 工況3對(duì)熱環(huán)境的影響

工況3的體育館溫度場(chǎng)如圖11(a)所示，相比于原始工況，看臺(tái)處溫度顯著提高.圖11(b)表明原始工況外膜處平均溫度同比降低0.1 ℃，內(nèi)膜處降低1.0 ℃，看臺(tái)處降低0.7 ℃.結(jié)合工況1和工況2溫度場(chǎng)對(duì)比，鋪設(shè)的氣凝膠材料會(huì)與巖棉共同作用，在屋面部分形成一個(gè)連續(xù)的阻熱邊界，將熱能隔絕于邊界外.但氣凝膠的全面積鋪設(shè)會(huì)增加屋面的透光性，從而使看臺(tái)處受到較多的太陽輻射，同時(shí)降低體育館整體的散熱速率，提高看臺(tái)處溫度.

3種工況下各層在測(cè)試時(shí)段內(nèi)的平均溫度對(duì)比如表3所示.結(jié)果表明，原始工況的鋪設(shè)方案可以有效降低室內(nèi)看臺(tái)處溫度，從而達(dá)到最好的保溫隔熱效果.

表3 不同工況下各層平均溫度對(duì)比Tab.3 Average temperature differences of each floor in different design scenarios ℃

圖11 工況3溫度場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.11 Simulation results of temperature field in the third design scenario

5 結(jié)論

利用21個(gè)均勻排布的溫度測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了封閉式雙層膜結(jié)構(gòu)體育館在夏季1 d中的溫度場(chǎng)變化，建立了可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)體育館溫度場(chǎng)變化的熱物理模型.在此基礎(chǔ)上以屋面保溫層鋪設(shè)情況為變量建立3種工況，探討了體育館不同的保溫隔熱設(shè)計(jì)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，分析與模擬對(duì)比得到如下結(jié)論：

(1) 體育館溫度場(chǎng)差異性在水平方向較小，豎直方向較大；水平向溫度差異性主要由太陽高度角控制，豎直向溫度隨高度的降低而減小，溫度降幅由材料熱學(xué)性質(zhì)控制，受高差影響相對(duì)較小.

(2) 氣凝膠保溫層的鋪設(shè)可以明顯降低室內(nèi)平均溫度，內(nèi)膜處平均溫度同比降低3.7 ℃，看臺(tái)處降低0.3 ℃.隔熱效果在上部屋面體現(xiàn)較為明顯，下部看臺(tái)溫度場(chǎng)主要受屋面透光性的影響，看臺(tái)接收的太陽輻射量隨屋面透光性的增加而增大，從而使得溫度提高.

(3) 72%巖棉和28%氣凝膠的鋪設(shè)方案在滿足場(chǎng)館自然透光性前提下，可以起到最好的保溫隔熱效果，室內(nèi)外平均溫差為9.6 ℃.