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(xiàn)代博物館建筑設(shè)計十分重視空氣環(huán)境質(zhì)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(guān)博物館設(shè)計規(guī)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(jié)能減排方面的巨大優(yōu)勢，仍被廣泛用于現(xiàn)代建筑設(shè)計中。結(jié)合國內(nèi)某博物館的大型展廳通風技術(shù)改造，利用數(shù)值模型模擬技術(shù)，對改造設(shè)計進行指導(dǎo)，并預(yù)測改造后的通風效果。模擬結(jié)果顯示，利用當?shù)氐牡乩憝h(huán)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(nèi)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(guān)鍵詞]環(huán)境控制；自然通風；熱舒適度

一、前言

在現(xiàn)代博物館設(shè)計和建設(shè)中，建筑師不只是要考慮如何設(shè)計、創(chuàng)造一個良好的室內(nèi)參觀和工作環(huán)境，也要對相關(guān)室內(nèi)空間空氣質(zhì)量控制提供有效的解決辦法，因為博物館空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到文物的安全保藏。室內(nèi)環(huán)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(xiàn)。

由于通風控制具有節(jié)能、便于操作等優(yōu)勢，在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的時代背景下，現(xiàn)代建筑的環(huán)境控制設(shè)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(shù)、計算流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)等現(xiàn)代科技手段的支撐下正煥發(fā)出新的活力，自然通風在綠色建筑設(shè)計中被大量采用，設(shè)計合理的自然通風比機械式通風的環(huán)境控制效果更具有優(yōu)越性。

通風模擬計算，通過物理的基本定律，利用流體力學(xué)和計算機相關(guān)理論和技術(shù)，對環(huán)境的熱交換、介質(zhì)流動等過程進行模擬預(yù)測，從而為環(huán)境分析及控制技術(shù)改造提供輔助評價和指導(dǎo)方案。

結(jié)合國內(nèi)某博物館的大型室內(nèi)展廳環(huán)境控制技術(shù)升級改造計劃，簡要介紹通風模擬計算相關(guān)技術(shù)，提出改造方案，并對方案的效果進行分析。

二、現(xiàn)場環(huán)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(jié)長，光照充足。所要進行環(huán)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?shù)淖罡咛帪?5米，整個的室內(nèi)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(qū)，下層功能區(qū)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(qū)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(nèi)配備的空調(diào)和通風系統(tǒng)不足，特別是夏季，由于光照的作用，展廳內(nèi)潮熱嚴重，光照加熱后的穹頂與室內(nèi)水池相對的低溫區(qū)域，極易形成逆向溫差，富含養(yǎng)分的水體及現(xiàn)場文物發(fā)掘作業(yè)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(wǎng)格的建立與劃分

空間網(wǎng)格的建立與劃分是數(shù)值模擬計算的重要準備工作，數(shù)值模擬的準備性取決于網(wǎng)格的質(zhì)量，網(wǎng)格的數(shù)量又會影響數(shù)值計算的工作效率，所以在網(wǎng)格數(shù)量劃分和質(zhì)量之間要相互協(xié)調(diào)、合理分布。對于該案例來說，具有空間大、幾何形狀較復(fù)雜的特點，可以適當采用比較稀疏的網(wǎng)格；而另一方面，該室內(nèi)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(qū)域又要適當增加網(wǎng)格的密度。因為邊界層（網(wǎng)格靠近墻面處）對計算壁面剪切力和熱傳導(dǎo)系數(shù)具有重要意義，所以在此處的網(wǎng)格劃分時，將網(wǎng)格厚度設(shè)為1mm。

（一）通風模擬計算的理論基礎(chǔ)

模擬計算的主要理論來源于計算流體力學(xué)，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(zhì)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(shù)值模擬技術(shù)。

本研究采用的是雷諾時均法，這也是目前在工程中應(yīng)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(yīng)的湍流模型，優(yōu)點是計算量較小。控制方程組包括：連續(xù)性方程、動能方程、能量方程（方程式略）

（二）數(shù)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(shè)置

在進行模擬計算前，要對模擬計算的大氣環(huán)境進行設(shè)定，根據(jù)這些事先設(shè)定好的基本參數(shù)進行穩(wěn)態(tài)模擬計算，作為標準值，再此基礎(chǔ)上，再輸入動態(tài)的數(shù)值指標，完成一系列的模擬運算，得出模擬結(jié)果并加以分析。

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

五、展廳模擬結(jié)果及分析

通過對模擬結(jié)果的分析，可以發(fā)現(xiàn)展廳門口附近區(qū)域有一定的氣流流動，而其它區(qū)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(huán)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(huán)境之中。對上述結(jié)果總結(jié)，得到如下幾個特征性結(jié)論：

1.根據(jù)速度填色圖，可以發(fā)現(xiàn)門附近處的速度較大，而且它區(qū)域的速度接近0，現(xiàn)實整個室內(nèi)空間的氣流流動狀態(tài)較差。

2.由于室內(nèi)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(nèi)溫度，熱空氣由門的上部流出，而門下部有冷空氣流入室內(nèi)。

六、展廳自然通風的數(shù)值模擬

在設(shè)計大型室內(nèi)空間的建筑中，出于節(jié)能減排的角度，自然通風往往是首先考慮的技術(shù)手段。因為采用空調(diào)系統(tǒng)對大型室內(nèi)空間進行人工環(huán)境干預(yù)，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(diào)系統(tǒng)的能耗，節(jié)省開支。

根據(jù)流體力學(xué)原理，高開口的自然通風口設(shè)置，更有助于氣流的流動，可以帶走室內(nèi)大量的高溫氣體，同時又不會給空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)環(huán)境進行改善控制，由于博物館主體建筑在已經(jīng)完成，各個功能區(qū)已經(jīng)固定下來（文物區(qū)位于展廳的最底層），人員和觀眾活動區(qū)也位于展廳的中、下部空間，設(shè)置高開口的通風控制方式，對改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和環(huán)境舒適度影響不大。經(jīng)過多方權(quán)衡論證，選定了在展廳較低的位置開口建立自然通風數(shù)值模型進行模擬。

（一）自然通風基本條件設(shè)置

通風口設(shè)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(jié)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(qū)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(qū)呈不斷升高的趨勢直到屋頂；在x=87m處，大值區(qū)在出口處。自然通風狀態(tài)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(guān)通風設(shè)計規(guī)范的規(guī)定值；而在觀眾通道下方的發(fā)掘工作區(qū)，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(chǎn)生一個氣旋。

七、結(jié)語

該模擬研究，利用數(shù)值模擬模型，通過對室內(nèi)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(jù)，獲得如下結(jié)論：

1.展廳在改造之前，室內(nèi)溫度呈逆向的層狀分布，整個室內(nèi)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(fā)掘工作區(qū)的熱舒適度差。

3.對展廳自然通風進行“改造”之后，展廳內(nèi)觀眾通道和實驗工作平臺氣流流動狀態(tài)、污染物濃度和熱舒適度獲得了較大的改善；發(fā)掘工作區(qū)的氣流流動狀態(tài)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(jù)展廳數(shù)值模擬模型研究，可以為展廳的通風改造提供指導(dǎo)，能夠較為準確地預(yù)測設(shè)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(huán)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：

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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(xué)本科學(xué)歷，研究方向：文物修復(fù)