半室外空間內部水體對熱濕環境的影響及熱舒適性評價研究*

0 引言

體驗式商業強調從生活情境出發，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。水的蒸發一方面會引起環境濕度的變化，另一方面蒸發吸熱也會影響到環境溫度的變化。因此在進行建筑設計時合理考慮水面的蒸發散濕及其對環境的影響，對設計師合理營造舒適的建筑環境，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，并通過數值模擬與實驗數據比較對該模型進行了驗證[1]。Limane等人用OpenFOAM對室內游泳池與環境的傳熱傳質進行了模擬分析，發現當人員活動區的風速降低時，較冷和較濕區域的范圍增大，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對室內游泳池的熱濕環境進行了數值模擬，并用測試數據進行了對比驗證[3]。韓明新等人通過CFD模擬研究了某大型室內水上樂園項目冬季空調工況室內熱濕環境的情況[4]。李鑫針對室內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設計數據，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境的影響[6]。國內外眾多學者已經對室內游泳池或水上環境中水面對室內熱濕環境的影響和評價開展了相關研究，但是對半室外環境中水體對熱濕環境的影響和評價的研究目前還比較少。半室外空間環境主要受室外自然條件的影響，所以對于半室外空間環境的模擬分析比采用機械通風的室內環境的研究難度更大；半室外空間屬于室外空間，節能上不允許采用空調方式進行熱濕環境營造，所以對半室外空間的環境改善難度更大，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部水體對熱濕環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部河道水體對室內熱濕環境的影響進行模擬分析，對環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”模式建筑。建筑主要功能包括體驗式商業(室內)、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，其中白色區域為室內商業區，灰色區域為水面位置，黑色區域為岸邊區域。本次研究主要關注水面和河岸區域的舒適性，該區域屬于半開敞環境，不允許采用人工手段進行空氣調節。該半室外空間的特點是內部有大面積的水面，其中水面的面積為2 127 m2，岸上走道的面積僅為1 271 m2。大面積的水體蒸發散濕到環境中會對環境的濕度產生影響，同時水體的蒸發又會從環境吸熱，從而對環境的溫度產生影響。此外，該半室外空間與室外環境有7個連通開口，其中頂部4個，側邊的北、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境中的水體對環境的影響及進行環境評價，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的相互耦合作用。水體的散濕量主要受環境的風速、溫度和相對濕度影響。同時，散濕量又會影響水體的蒸發吸熱量，從而影響環境的溫度場和流場。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吸熱量。首先，根據風環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散濕量和水體蒸發吸熱量的計算表，將計算得到的相關參數輸入表格中即可得到水體蒸發散濕量和吸熱量。然后用計算得到的水體蒸發散濕量和吸熱量對CFD模擬的邊界條件進行修正并重新計算流場。根據本文第2.3.3節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輸入到Excel計算表重新計算水體蒸發散濕量和吸熱量，并與上一次的計算結果進行對比。如果2次計算結果之差大于5%，則利用本次計算結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果。將適應性平均熱感覺指數(aPMV)的udf程序導入到Fluent軟件中，計算環境的aPMV并進行環境舒適性評價。

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溫濕度環境進行模擬分析，并給出可行的環境優化建議。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，通過理想氣體狀態方程進行計算；Y為水蒸氣的質量分數；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量通量，用式(2)計算。

(2)

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

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

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

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計結果顯示，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，數據來自于甲方提供的鹽城市大豐區氣象資料。可以看出：當地7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

對項目進行風環境模擬，獲得項目與室外連通開口的風壓邊界條件。當地的氣象數據結果顯示，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。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境模擬的邊界條件來完成室內環境的模擬分析。

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

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

2.3.3水面蒸發散濕量及吸熱量計算

水面的蒸發散濕量通常根據蒸發率計算，蒸發率通常用水面單位面積的質量流量來表示。文獻中的大量相關研究成果可以用于計算水面的蒸發散濕量[7-9]。本研究按照《體育建筑空調設計》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]中的測試數據的對比。從對比結果可以看出：該方法計算得到的水面散濕量與測試數據吻合較好，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據。

圖9 計算得到的水面散濕量與文獻[11]中測試數據的對比

水面蒸發吸熱量Q用下式計算：

(5)

式中γ為半開敞空間內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，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。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 環境評價方法

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

表3 非人工冷熱源熱濕環境評價等級

(6)

式中PMV為預計平均熱感覺指數；λ為自適應系數，本研究案例為夏熱冬冷地區夏季工況，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 結果與討論

3.1 速度場

圖10給出了東風和北風工況下室內的流線圖，結果表明東風和北風工況下都是從東側、西側和北側的連通開口進風，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，負值表示氣流從室內流向室外。7種工況下室內的通風換氣次數為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最小，東風3.5 m/s工況下的通風換氣次數最大。

圖10 室內流線圖

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的速度場進行了對比分析。圖11給出了不同工況下室內環境中高風速區(風速高于0.5 m/s)的情況，無風工況下室內幾乎沒有高風速區，未在圖中顯示。可以看出，隨著室外風速的增大，室內高風速區的范圍略有增大，東風工況下比北風工況下室內高風速區范圍更大。

圖11 室內環境中風速高于0.5 m/s的區域

圖12給出了不同工況下室內高風速區和低風速區的占比。可以看出：隨著室外風速的增大，高風速區的占比略有增大，但是即使在室外風速達到3.5 m/s的工況下，室內高風速區的占比也低于30%，大部分區域的風速在0.2～0.5 m/s之間；由于室內外沒有形成較強的熱壓作用(室內外溫度幾乎相同)，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74%的區域風速均低于0.2 m/s。

圖12 不同工況下室內高風速區和低風速區占比

3.2 溫度場

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

圖13 不同工況下室內溫度分布圖

3.3 濕度場

半開敞空間環境內的水面會進行水分蒸發，蒸發到空氣中的水蒸氣會影響室內的濕度環境。圖14給出了不同工況下室內人員活動區的相對濕度分布情況。可以看出：室內相對濕度分布較均勻；通風較好區域的相對濕度與室外空氣的相對濕度相同，通風較差區域的相對濕度略有升高，室內平均相對濕度約為75%，比室外略高；最差濕度環境出現在北風1.5 m/s工況。

圖14 不同工況下室內相對濕度分布圖

3.4 室內環境舒適性評價

圖15給出了各工況下室內舒適性的模擬結果。結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，熱濕環境舒適性等級可達Ⅱ級；岸上的大部分位置aPMV都高于1.0，熱濕環境舒適性等級為Ⅲ級。舒適性較差的區域多出現在岸上的一些角落。無風工況時室內的舒適性明顯比有風工況時差；隨著室外風速的增加，室內的舒適性略有改善，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域出現環境舒適性特別差的情況，應對岸上局部角落區域采用有效措施進行改善。

圖15 室內舒適性模擬結果

3.5 設計優化建議

基于環境低風速區占比較高的情況，可以通過在岸上舒適性較差的區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境的舒適性。Limane等人用三維OpenFOAM對室內游泳池環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環境質量和舒適性[12]。上述研究發現該項目通風設計工況下室內溫度范圍為29～31 ℃，室內大部分區域的相對濕度約為75%。對這種溫度和濕度環境下不同風速的aPMV進行了計算，圖16給出了風速對環境舒適性的影響。環境的aPMV隨著環境風速的增大而降低。風速達到0.6 m/s時，環境的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，使局部區域的氣流流速達到0.6 m/s是比較容易實現的。

圖16 風速對環境舒適性的影響曲線

4 結論

1) 本研究通過室外風環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散濕、吸熱與環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，研究半室外環境水體對環境的影響及對環境舒適性進行評價。

2) 所研究的7種工況下室內的高風速區(風速高于0.5 m/s)占比均較低，低于30%。內部溫度分布較均勻，由于水面蒸發吸熱的作用，水面上方溫度較低，岸上通風不好的角落區域溫度較高。通風較好區域的相對濕度與室外空氣的相對濕度基本相同，通風較差區域的相對濕度偏大，室內平均相對濕度約為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域可達到Ⅱ級舒適性要求，但是在河岸的角落出現熱舒適性較差(僅達Ⅲ級舒適性)的區域。對此，建議在熱舒適性較差的區域增設局部通風設施(例如風扇等)來增強該區域的氣流流動，從而實現改善局部熱舒適性的目標，同時研究發現將河岸角落區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。