某博物館穹拱式展廳有害氣體擴散通風及熱舒適度模擬研究

[摘 要]現代博物館建筑設計十分重視空氣環境質量的控制，空氣中的有害污染物會給文物的安全保藏帶來十分嚴重的不利影響，國家有關博物館設計規范中，對空氣污染物有明確的限定標準，而自然通風以其在節能減排方面的巨大優勢，仍被廣泛用于現代建筑設計中。結合國內某博物館的大型展廳通風技術改造，利用數值模型模擬技術，對改造設計進行指導，并預測改造后的通風效果。模擬結果顯示，利用當地的地理環境，充分利用自然通風，可以有效改善展廳的通風效果，展廳內人員活動的主要空間，污染物濃度減低的同時，熱舒適度也獲得改善。

[關鍵詞]環境控制；自然通風；熱舒適度

一、前言

在現代博物館設計和建設中，建筑師不只是要考慮如何設計、創造一個良好的室內參觀和工作環境，也要對相關室內空間空氣質量控制提供有效的解決辦法，因為博物館空氣質量的優劣，直接關系到文物的安全保藏。室內環境控制主要通過通風、污染源控制和凈化處理三種手段實現。

由于通風控制具有節能、便于操作等優勢，在大力倡導節能減排的時代背景下，現代建筑的環境控制設計中，通風控制仍占有不可替代的重要位置。特別是自然通風，在計算機模擬技術、計算流體力學、數值數學等現代科技手段的支撐下正煥發出新的活力，自然通風在綠色建筑設計中被大量采用，設計合理的自然通風比機械式通風的環境控制效果更具有優越性。

通風模擬計算，通過物理的基本定律，利用流體力學和計算機相關理論和技術，對環境的熱交換、介質流動等過程進行模擬預測，從而為環境分析及控制技術改造提供輔助評價和指導方案。

結合國內某博物館的大型室內展廳環境控制技術升級改造計劃，簡要介紹通風模擬計算相關技術，提出改造方案，并對方案的效果進行分析。

二、現場環境

該博物館位于海濱沙灘之上，與海岸線的直線距離不足500米，高溫季節長，光照充足。所要進行環境控制改造的展廳是該館最大的主體建筑，展廳全長88米，寬40米，地面距弧形穹頂的最高處為25米，整個的室內空間體積達4萬立方米，屬于超大建筑空間。該展廳分為上下兩個功能區，下層功能區是一個巨大的水池，幾何尺寸約40米*20米，深12米，上層為觀眾參觀通道和工作平臺。展廳能夠和外界進行空氣交換的地方是位于上層功能區參觀通道和工作通道的四扇們，尺寸為1.5米*2米。其余部分，為全部密封的空間，最上層的弧形穹頂覆蓋有大面積的采光玻璃，由于室內配備的空調和通風系統不足，特別是夏季，由于光照的作用，展廳內潮熱嚴重，光照加熱后的穹頂與室內水池相對的低溫區域，極易形成逆向溫差，富含養分的水體及現場文物發掘作業面淤泥中釋放出來的有害氣體（硫化氫、氨、氮氧化物、硫化物等），會積聚在展廳的底層，很難擴散稀釋，給人員健康和文物的安全保藏帶來隱患風險。

三、物理模型網格的建立與劃分

空間網格的建立與劃分是數值模擬計算的重要準備工作，數值模擬的準備性取決于網格的質量，網格的數量又會影響數值計算的工作效率，所以在網格數量劃分和質量之間要相互協調、合理分布。對于該案例來說，具有空間大、幾何形狀較復雜的特點，可以適當采用比較稀疏的網格；而另一方面，該室內空間氣流流動性較差，特別是梯度大的污染源、門、墻等處，在這些區域又要適當增加網格的密度。因為邊界層（網格靠近墻面處）對計算壁面剪切力和熱傳導系數具有重要意義，所以在此處的網格劃分時，將網格厚度設為1mm。

（一）通風模擬計算的理論基礎

模擬計算的主要理論來源于計算流體力學，計算所用的基本控制方程有能量守恒方程、動量守恒方程、質量守恒方程。在具體的計算中，可以運用如下三個湍流模型：雷諾時均法、大渦模擬、直接數值模擬技術。

本研究采用的是雷諾時均法，這也是目前在工程中應用比較廣泛的計算方法，它對模擬的具體場景要求較高，需要給出比較具體的場景信息獲得相應的湍流模型，優點是計算量較小。控制方程組包括：連續性方程、動能方程、能量方程（方程式略）

（二）數值模擬分析

X=16是具有特征性的代表性截面，Z=1m、Z=-4m截面是在pmv分析中使用的，其高度距離行人行走平面1米

四、展廳基本條件設置

在進行模擬計算前，要對模擬計算的大氣環境進行設定，根據這些事先設定好的基本參數進行穩態模擬計算，作為標準值，再此基礎上，再輸入動態的數值指標，完成一系列的模擬運算，得出模擬結果并加以分析。

內部濕度70%；屋頂曲面WALL，溫度T=38℃；室內底面（水體表面）WALL，溫度T=20℃；墻體、玻璃等，設定為絕熱；四扇門設為唯一通風口；回流溫度設為T=25℃

五、展廳模擬結果及分析

通過對模擬結果的分析，可以發現展廳門口附近區域有一定的氣流流動，而其它區域流動性很差。展廳的溫度為層狀分布，上部溫度高，下部溫度低，呈典型的逆溫特征。在X=16截面上，PMV指標均超過1以上，PPD均在40%以上，整個展廳的熱環境較差，熱舒適度不佳。特別是參觀平臺和工作平臺，PMV指標均和PPD極不理想，觀眾及工作人員處于比較惡劣的熱環境之中。對上述結果總結，得到如下幾個特征性結論：

1.根據速度填色圖，可以發現門附近處的速度較大，而且它區域的速度接近0，現實整個室內空間的氣流流動狀態較差。

2.由于室內垂直空間尺度較大，熱力自然對流作用明顯，沿著屋頂壁面處有向頂部流動的氣流，并可觀察到有明顯的熱邊界層。

3.門后的溫度低于門內溫度，熱空氣由門的上部流出，而門下部有冷空氣流入室內。

六、展廳自然通風的數值模擬

在設計大型室內空間的建筑中，出于節能減排的角度，自然通風往往是首先考慮的技術手段。因為采用空調系統對大型室內空間進行人工環境干預，其能耗是巨大的，如果能夠合理利用自然通風等手段，將大大降低空調系統的能耗，節省開支。

根據流體力學原理，高開口的自然通風口設置，更有助于氣流的流動，可以帶走室內大量的高溫氣體，同時又不會給空調系統帶來過多的額外能耗損失。

該博物館坐落于距海邊不足300米處，可以利用海風對室內環境進行改善控制，由于博物館主體建筑在已經完成，各個功能區已經固定下來（文物區位于展廳的最底層），人員和觀眾活動區也位于展廳的中、下部空間，設置高開口的通風控制方式，對改善室內空氣質量和環境舒適度影響不大。經過多方權衡論證，選定了在展廳較低的位置開口建立自然通風數值模型進行模擬。

（一）自然通風基本條件設置

通風口設置在展廳前后兩端的墻體上，海風速度v=3m/s，溫度t=26℃，濕度RH=80%。

（二）自然通風模擬結果及分析

由模型多截面風速圖可以看出，在x=0.1m處，大值區在海風入口處；在x=16m、x=35m處，觀眾所在的通道依然可以保持較大的風速，而中間的大值區呈不斷升高的趨勢直到屋頂；在x=87m處，大值區在出口處。自然通風狀態下，觀眾通道、實驗工作平臺的空氣交換獲得了較大的改善，PMV在±1之間，PPD<15%，符合相關通風設計規范的規定值；而在觀眾通道下方的發掘工作區，空氣流動改善稍有提高；展廳頂部，氣流的速度呈不斷衰變減小的趨勢，在實驗工作平臺處開始下行，并最終下沉至通風出口；在通風的入口和出口處，各產生一個氣旋。

七、結語

該模擬研究，利用數值模擬模型，通過對室內的溫度場、空氣流場、污染物濃度場、PMV-PPD的分析，為展廳的通風改造提供輔助依據，獲得如下結論：

1.展廳在改造之前，室內溫度呈逆向的層狀分布，整個室內空間氣流流動較差，不利于污染氣體的擴散和排出。

2.原展廳通風通道（門）不利于空氣交換，熱量郁積嚴重，特別是觀眾通道和發掘工作區的熱舒適度差。

3.對展廳自然通風進行“改造”之后，展廳內觀眾通道和實驗工作平臺氣流流動狀態、污染物濃度和熱舒適度獲得了較大的改善；發掘工作區的氣流流動狀態改善不大，污染物濃度不會有較大的降低，而熱舒適度可以獲得一定的改善。

根據展廳數值模擬模型研究，可以為展廳的通風改造提供指導，能夠較為準確地預測設計方案的實施效果。通過該模擬模型的研究提出，如果在利用機械通風的同時，能夠借助周邊的自然環境，利用海風對展廳進行輔助自然通風，這對降低能耗有較大意義。

參考文獻：

[1]王昕，黃晨，曹偉武.自然通風在大空間建筑空調系統下室內熱環境中應用的理論分析及實測研究[J].暖通空調，2009，39（5）：62-66

[2]是勛剛.湍流直接數值模擬的進展與前景[J].水動力學研究與進展：A輯，1992，7（1）：103-109.

作者簡介：耿苗（1983年-），女，廣東陽江人，廣東海上絲綢之路博物館，助理館員，大學本科學歷，研究方向：文物修復