某出土文物展廳室內熱濕環境舒適性研究

余振飛

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 前言

綠色節能已然成為21世紀暖通行業的重要議題。隨著人們生活水平的提升，人們對建筑室內熱濕環境舒適性要求也隨之提高。建筑空調系統需在節能的基礎上滿足人們對室內熱濕環境舒適性的要求[1]，利用空調系統對文物展廳進行環境控制是改善文物保存環境和提高游客熱舒適性的重要有效途徑[2]。

大型公共建筑具有建筑規模大、耗資多、空間功能復雜和人員密集度大等特點，其室內環境的健康和舒適性值得關注[3]。因此，本文針對北京市石景山區某大型文化中心的出土文物展廳，基于室內環境參數的分布式測量和CFD模擬，對室內熱濕環境進行分析。

2 工程概況

北京市石景山區某大型文化中心是市民重要文化活動場所，設有文化館、非遺中心、博物館、美術館等。本文選擇該文化中心博物館的出土文物展廳作為研究對象。展廳內分設9個小區域，展柜設45個，布置有陶瓷、佛像、古磚、金屬器具、卷宗等出土文物。展廳內采用中央空調降溫、除濕，提升室內舒適度并為文物提供良好的館藏環境。

3 測試實驗及結果

為了分析文物展廳的室內熱舒適性，首先通過現場測試獲取室內的各項環境參數[4－5]，并對其進行綜合分析。

3.1 測試條件

3.1.1 測試儀器

本次測試實驗采用的儀器(見圖1)包括:(1)手持式激光測距儀(?，敎y距儀AR-40)；(2)分體式數字溫濕度計(希瑪測試儀AS847)；(3)手持高精度高溫測溫槍(單點鐳射測量MT-4612)；(4)手持式熱敏式風速儀(?，敓崦羰紸R866A)；(5)熱度指數計(AZ8758)。分別用于測定房間分隔區域尺寸、室內溫度及相對濕度、展柜表面溫度、室內風速及室內黑球溫度。

圖1 測試儀器

現場測定儀器及設備的主要性能參數如表1所示，各類設備均具有性能穩定、靈敏度高、攜帶方便及操作簡單等優點。

表1 現場測定儀器及設備性能參數

3.1.2 測點布置

根據國家《室內空氣質量標準》(GB/T 18883—2002)和《采暖通風與空氣調節工程檢測技術規程》(JGJ/T 260—2011)，熱環境測點布置原則如下:(1)采樣點的數量根據室內面積大小和現場情況而確定，以期能正確反映室內空氣水平。100 m2以上，在5個測點的基礎上，每增加20～50 m2酌情增加1～2個測點(均勻布置)。(2)測點布置在離地面以上0.7～1.8 m的同一高度，且應離開外墻表面和冷熱源不小于0.5 m。(3)測點應布置在人員停留時間長且具有代表性的地點。

根據房間布置情況，對文物展廳所分隔的9處區域均勻設置33個室內測點，測點高度為1.5 m，如圖2所示。

圖2 測點布置

3.2 測試結果

本次實驗對出土文物展廳進行了為期3 d的測試:(1)2021年7月2日，測試時間為下午3:00～4:00，室外環境溫濕度為29℃、55%；(2)2021年7月3日，測試時間為下午3:00～4:30，室外環境溫濕度為28℃、63%；(3)2021年7月6日，測試時間為上午9:00～11:30，室外環境溫濕度為30℃、49%。為分析測點位置的熱濕分布，將相同測點位置的3 d測試數據進行對比，對比曲線見圖3和圖4。

圖3 室內溫度分布測試曲線

圖4 室內相對濕度分布測試曲線

由圖3數據可以看出，雖然出土文物展廳墻面溫控器的溫度設定為26℃，但各個測點實測室內溫度均在22.5℃以下，墻面溫控器溫度和室內實際溫度產生了較大偏差。

該房間的室內溫度較為穩定，三次測試室內溫度的最大日波動分別為0.4℃、0.9℃、0.6℃，未出現影響人員熱舒適大幅度的溫度波動，日波動在±1℃以內；且3 d測點17、18、19位置的室內溫度均為本日最高，原因為這3個測點區域內未安裝空調送風口，空調冷風由鄰近設有送風口的區域流入測點區域。

由圖4可知，各測點的相對濕度較為穩定，3次測試的最大日波動分別為1.6%、3.4%和2.1%，未出現大幅度日波動；且從測點1至測點33所測的相對濕度整體呈下降趨勢。

此外，測試實驗對室內風速也進行了測定，室內各測點風速較小，均小于0.2 m/s，參觀游客并不會產生不適的吹風感，舒適度較好[5]。

4 模擬計算與評價

4.1 CFD模擬原理

基于實測數據，對該文物展廳進行CFD模擬分析。首先做兩個基本假設:(1)函數值在任一控制容積內均勻分布；(2)函數值在任一控制容積的任一界面上均勻分布。本文模擬過程所用的湍流模型為RNG k-ε模型。在進行湍流模型計算時，內、外圍護結構采用傳熱系數作為邊界條件，送風口采用溫度和風速作為邊界條件，回風口采用定壓邊界條件。

CFD模擬的質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，無論是質交換、動量交換還是熱交換，也不論是層流還是紊流，均可以采用通用形式進行表征，其一般形式:

式中，φ為通用變量；Γφ與Sφ為與φ相對應的廣義擴散系數和廣義源項。

4.2 熱濕環境評價指標模擬計算

熱舒適度是指人們對客觀環境從生理與心理方面所感受到的滿意程度而進行的綜合評價[7－8]。目前對熱舒適的評價主要從溫度波動、溫度分布均勻度、豎直空氣溫差、吹風感指數及PMV等方面考慮[9]。其中，PMV指標為綜合考慮了空氣溫度、空氣濕度、環境風速、輻射溫度、服裝熱阻及人體代謝率等6種因素的全面性熱舒適評價指標[8]；PPD為房間內人群對于該房間熱濕環境下的預計投票中不滿意人數所占總人數的百分比。PPD可以預測在該出土文物展廳內感覺過熱、過冷的百分數，來作為關于熱不適的參考信息。

在模擬研究中，先通過CFD法求解室內溫度場和速度場分布，再根據PMV和PPD計算公式獲取室內PMV和PPD分布，進而依據PMV和PPD值進行評價，最后給出評價結果[11－12]。

4.3 結果分析

(1)文物展廳溫度場分析

由圖5可知，文物展廳內人行高度處各測點位置的空氣溫度與實測結果接近，驗證了CFD模型的模擬精度。然而，模擬結果也顯示，室內絕大部分空間的空氣溫度均低于24.5℃，這顯然無法滿足北京市規定的公共建筑空調溫度不低于26℃的要求，出現了能源浪費。

圖5 人行高度處溫度場分布

(2)室內PMV與PPD達標比例統計

采用綠建斯維爾軟件對該出土文物展廳的PMV和PPD分布進行模擬，結果如圖6和圖7所示。由圖6可知，該出土文物展廳的PMV值大部分分布于－0.5～1.0之間，即人員體感在微涼到微暖之間，整體舒適度良好。

圖6 人行高度處PMV分布

圖7 人行高度處PDD分布

PMV指標相關標準中沒有進行量化評價，為評價室內的舒適度水平，《綠色建筑評價標準》給出了PPD評價標準，見表2。

表2 PPD評價標準

基于圖7模擬結果和表2評價標準，計算可知該出土文物展廳的PPD達到Ⅱ級標準的達標面積比例，如表3所示。

表3 建筑主要房間PPD達到Ⅱ級標準的面積統計

根據表3，該出土文物展廳PPD達到《綠色建筑評價標準》整體評價Ⅱ級的面積比例為98.02%，室內人員對熱舒適的滿意度比例達到較高水平。

5 結論

隨著人民生活水平的提高，人們對室內熱濕環境的舒適性要求也越來越高，室內空調系統既要滿足舒適性，也要采取適當的措施節約能源。

博物館作為一個城市、乃至一個國家承載著豐富的國家歷史和文化內涵的重要公共建筑，做好相應的室內環境控制工作，對文物保護、游客學習歷史都至關重要。

(1)展廳內環境溫度略低，不滿足人體舒適度的要求。特別是夏季，人們從高溫環境下瞬間進入溫度太低的展廳會造成游客體感不適。此外，室內相對濕度的波動幅度相對較大，不同時間段最大波動幅度大于15%，甚至會出現相對濕度高于65%的情況，這些都會給文物帶來蟲、霉、銹蝕等潛在危機，不利于文物的儲存。

(2)文物展廳雖然反映室內舒適度的PMV和PPD指標均處于較優，且PPD指標達到評價標準Ⅱ級的面積為98.02%，但室內溫度場分布在22℃～25℃之間，明顯不符合“夏季室內溫度應不低于26℃”的北京市節能溫度標準要求，產生了較大的能源浪費。依據上述結論，該出土文物展廳的運維單位正在擬定空調系統運行節能的整改方案。

在今后的工程實踐中，需從設計、施工、調試、運維等多個方面入手，在關注舒適度的同時，提升空調系統的節能性能，實現舒適度和節能性能的雙優化，努力為用戶提供一個高效、綠色、便利、舒適的人性化建筑空間環境，并將空調系統打造為兼顧游客人體舒適度要求、文物保護儲存要求和低碳節能運維的高精度智慧空調系統。