徽州傳統民居室內水體蒸發實測研究

黃志甲++程建++張恒

摘要：

徽州傳統民居室內水體蒸發對室內環境的營造起到了積極作用。根據水體蒸發熱平衡，建立民居室內水體蒸發模型，用實地連續測試的蒸發數據對該模型進行驗證。結果表明，該模型能有效的計算徽州傳統民居室內水體蒸發過程，計算和測試的水體蒸發量之間的均方根誤差和平均相對誤差分別為41.5 g/（m2·h）和4.2%。環境參數中地面溫度、太陽輻射、風速、相對濕度和氣溫對水體蒸發的影響程度逐漸降低，蒸發量和環境參數之間的相關系數分別為0.909、0.779、0736、-0.654和0.622。

關鍵詞：

傳統民居；蒸發模型；實測；環境參數

Abstract：

Water evaporation in Huizhou traditional dwellings has played a positive role in environment formation. Evaporation model was built by analyzing heat balance of water evaporation. The model was calibrated against evaporation data which were obtained from field measurement in traditional dwellings. The results show that the model could effectively predict the water evaporation process in Huizhou traditional dwellings. In addition， the error of standard deviations and the average relative error between calculate values and experimental values are 41.5 g/（m2·h） and 4.2%， respectively. Correlation analysis results show that the water evaporation is most correlated to the ground temperature， followed by solar radiation， wind speed， relative humidity and air temperature， and the correlation coefficients are 0.909， 0.779， 0.736， -0.654 and 0.622， respectively.

Keywords：

traditional dwelling； evaporation model； field measurement； environment parameters

被動蒸發冷卻是古人在夏季最常使用的一種降溫技術，對夏季室內環境的營造起著重要的作用。長期以來人們從大尺度范圍出發，利用各種方法對室外江、河、湖、海等大面積水體的蒸發量進行預測[12]。

徽州傳統民居作為極具特色的地域性建筑，蘊含著大量的生態設計經驗。天井作為最活躍的元素，和室內環境的營造有著密不可分的關系[34]。天井底部通常蓄有薄水層，夏季水體蒸發帶走熱量，降低室內溫度，這一蒸發過程屬于微氣候、微尺度的范圍，在現有的文獻中還少有涉及。在大尺度空間的研究范圍內，水體的蒸發量主要與環境參數有關[57]，但徽州傳統民居的室內水體蒸發卻更為復雜，需要通過測試和分析進行更加深入的探究。水體蒸發的研究方法主要包括利用氣象因子的經驗公式法[89]和利用傳熱傳質的熱質平衡法[1011]。對于徽州傳統民居室內水體蒸發的現狀和蒸發模型問題的研究還有所欠缺。為此，通過在徽州傳統民居中進行水體蒸發實驗獲取蒸發數據，在分析建筑室內微氣候對水體蒸發蒸發量的影響的基礎上，利用水體蒸發的熱平衡，建立適用于徽州傳統民居室內水體蒸發的蒸發模型。

1測試方案和蒸發模型

1.1測試方案

蒸發實驗位于一棟建于明末清初的傳統徽州民居，建筑位于安徽省宣城査濟村（30.5°N，118.0°E，海拔160 m），當地的民居內天井底部均有蓄水（圖1），也是古人們在炎熱夏季最有效和最方便的降溫方式。

蒸發實驗時段為2016年7月23日—7月25日。

如圖2所示，在天井下依次設置3個蒸發水槽，蒸發水槽的尺寸為0.15 m×0.1 m，三者同時進行試驗減少誤差，試驗期間對蒸發量進行逐時測量，稱重法由于方法簡單易操作最常被人們使用[12]，將每次電子秤稱重的重量和上次稱重的重量之間的差值作為水體的蒸發量，測量的時間間隔為10 min；水體表面溫度的測量使用紅外測溫儀，測量的時間間隔為10 min。微氣候的測量包括太陽輻射強度、空氣溫度、相對濕度、風速、大氣壓強和地面溫度。太陽輻射測試時間間隔為5 min；風速和溫濕度測試的時間間隔為1 min；地面溫度的測試時間間隔為10 min，具體的測試儀器及精度如表1所示。最終得到的測試數據以30 min作為時間基準單位，蒸發數據取平均值。

由于手動測試和自動測試的時間間隔都小于30 min，所以可以通過取平均值的方式保證整個測試數據的一致性，另外，同時進行的3組相同試驗之間形成比照，3組實驗在手動測試部分的誤差較小（手動測試操作時間短），進一步提高了測試數據的一致性。由于文章的篇幅限制，表2中僅給出了7月23日的部分實測數據，此時的水體蒸發效果比較明顯，具有代表性。

1.2蒸發模型

天井底部水體是靠近地面的水面薄層，水體和環境的熱交換包括輻射、蒸發和傳導，以水體為研究對象，建立水體蒸發熱平衡方程

該模型針對的是近地面的薄層水面，與前人研究的湖泊、水池相比，其研究的尺度更加微小。同時，模型將室內的環境參數和水體蒸發聯系起來，可以為分析徽州傳統民居室內水體蒸發對室內環境的影響提供基礎。

2測試結果分析

2.1環境參數對蒸發量的影響

天井底部的水體蒸發試驗，其蒸發量隨著環境參數的變化而發生變化，蒸發過程主要包括水體表面水分子的蒸發過程以及蒸發后的水分子向周圍空間中發生擴散的擴散過程。任何影響這兩個過程進行的能量或參數都會影響整個水體的蒸發過程。環境參數中，影響水體蒸發的主要有太陽輻射、空氣溫度、空氣相對濕度、風速，由于室外水體尺度較大，水體較深，底層土壤傳入水體的熱量較小，一般不計入蒸發模型中，但徽州傳統民居天井底部水體是靠近地面的水面薄層，所以現將地面溫度也作為環境參數考慮到水體蒸發中。這些參數正好提供了水體蒸發所需的全部因子（熱力因子、動力因子和水分因子）。

圖3表示5種環境參數和水體蒸發量之間的關系。其中太陽輻射、地面溫度及空氣溫度是水體蒸發的熱力因子，太陽輻射直接作用在水體上，被水體吸收；地面土壤在有太陽輻射照射時吸收太陽輻射的熱量再傳輸給水體，在沒有照射時，土壤內部的熱量向外輸送進入水體；空氣溫度在比水體溫度高時向水體傳輸熱量，三者為水體的蒸發提供能量，因此，與水體蒸發量的變化具有高度的一致性（圖3（a）、（b）、（e）），太陽輻射、地面溫度、空氣溫度和水體蒸發量的相關系數分別為0.779、0.909和0622（表3）。空氣相對濕度是水體蒸發的水分因子，相對濕度越大，空氣和水體的水蒸氣壓差越小，濕傳遞的能力越弱即蒸發量越小；反之，蒸發量越大，所以呈現反對稱的變化關系（圖3（c）），二者之間的相關系數為-0.654（表3）。風速是水體蒸發的動力因子，在水體蒸發的時候可以快速的將水汽分子輸送到外界環境中，風速越大，水體蒸發越劇烈（圖3（d）），風速和水體蒸發量的相關系數為0.736（表3）。從相關性的角度可以看出，與徽州傳統民居室內水體蒸發最具直接關系的影響因素是地面溫度，也間接的證明了民居內水體蒸發不能忽略下墊面傳入水體的熱量。

2.2蒸發模型驗證

利用式（9）和測試的相關數據，進行水體蒸發量計算，對測試值和計算值進行對比，為了更進一步的驗證該模型的準確性，利用文獻[15]中給出的PenPan模型進行對比（圖4）。從圖中可以看出建立的模型能很好地模擬徽州傳統民居天井底部水體的蒸發，測試值和計算值之間的均方根誤差RMSE=41.5 g/（m2·h），平均相對誤差MRER=4.2%。計算值和測試值的回歸分析如圖5，圖中的點是由測試值和計算值組成的二維點，實線是通過點線性回歸得到的擬合直線，虛線表示的是測試值和計算值相等，如果測試值和計算值之間越接近，則二維點越接近虛線，擬合直線的斜率越接近于虛線，從圖中可以看出，夜間的點都集中在虛線上，說明測試值和計算值之間的誤差較小，晝間的分布較為離散，但幾乎是相對虛線呈對稱分布，整體線性擬合的斜率為0.914、截距為0.029、R2=0.890，進一步驗證了建立模型的準確性。

與文獻[15]中給出的蒸發皿蒸發模型相比，建立的蒸發模型在蒸發時間上有明顯的延遲，這是由于太陽輻射的熱量先被地面吸收再傳入水體，所以存在了延遲，同時，在夜間由于地面繼續向水體輸入熱量，本文的蒸發模型夜間的蒸發量要高于文獻中給出的蒸發模型。說明本文建立的模型對計算徽州傳統民居室內水體蒸發具有一定的優越性。

4結論

1）對徽州傳統民居室內水體蒸發進行現場測試，測試結果表明，環境參數中地面溫度、太陽輻射、風速、相對濕度和氣溫對水體蒸發的影響程度逐漸降低，蒸發量和這些參數之間的相關系數分別為0909、0.779、0.736、-0.654和0.622，相對濕度呈現負相關性，其余均為正相關，民居內水體蒸發中的地面溫度不能被忽略。

2）通過水體蒸發的能量守恒建立了水體蒸發模型，通過對比發現該模型能很好地描述徽州傳統民居室內的水體蒸發情況，計算值和測試值之間的相對誤差為4.2%。

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