某出土文物展厅室内热湿环境舒适性研究

余振飞

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 前言

绿色节能已然成为21世纪暖通行业的重要议题。随着人们生活水平的提升，人们对建筑室内热湿环境舒适性要求也随之提高。建筑空调系统需在节能的基础上满足人们对室内热湿环境舒适性的要求[1]，利用空调系统对文物展厅进行环境控制是改善文物保存环境和提高游客热舒适性的重要有效途径[2]。

大型公共建筑具有建筑规模大、耗资多、空间功能复杂和人员密集度大等特点，其室内环境的健康和舒适性值得关注[3]。因此，本文针对北京市石景山区某大型文化中心的出土文物展厅，基于室内环境参数的分布式测量和CFD模拟，对室内热湿环境进行分析。

2 工程概况

北京市石景山区某大型文化中心是市民重要文化活动场所，设有文化馆、非遗中心、博物馆、美术馆等。本文选择该文化中心博物馆的出土文物展厅作为研究对象。展厅内分设9个小区域，展柜设45个，布置有陶瓷、佛像、古砖、金属器具、卷宗等出土文物。展厅内采用中央空调降温、除湿，提升室内舒适度并为文物提供良好的馆藏环境。

3 测试实验及结果

为了分析文物展厅的室内热舒适性，首先通过现场测试获取室内的各项环境参数[4－5]，并对其进行综合分析。

3.1 测试条件

3.1.1 测试仪器

本次测试实验采用的仪器(见图1)包括:(1)手持式激光测距仪(希玛测距仪AR-40)；(2)分体式数字温湿度计(希玛测试仪AS847)；(3)手持高精度高温测温枪(单点镭射测量MT-4612)；(4)手持式热敏式风速仪(希玛热敏式AR866A)；(5)热度指数计(AZ8758)。分别用于测定房间分隔区域尺寸、室内温度及相对湿度、展柜表面温度、室内风速及室内黑球温度。

图1 测试仪器

现场测定仪器及设备的主要性能参数如表1所示，各类设备均具有性能稳定、灵敏度高、携带方便及操作简单等优点。

表1 现场测定仪器及设备性能参数

3.1.2 测点布置

根据国家《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)和《采暖通风与空气调节工程检测技术规程》(JGJ/T 260—2011)，热环境测点布置原则如下:(1)采样点的数量根据室内面积大小和现场情况而确定，以期能正确反映室内空气水平。100 m2以上，在5个测点的基础上，每增加20～50 m2酌情增加1～2个测点(均匀布置)。(2)测点布置在离地面以上0.7～1.8 m的同一高度，且应离开外墙表面和冷热源不小于0.5 m。(3)测点应布置在人员停留时间长且具有代表性的地点。

根据房间布置情况，对文物展厅所分隔的9处区域均匀设置33个室内测点，测点高度为1.5 m，如图2所示。

图2 测点布置

3.2 测试结果

本次实验对出土文物展厅进行了为期3 d的测试:(1)2021年7月2日，测试时间为下午3:00～4:00，室外环境温湿度为29℃、55%；(2)2021年7月3日，测试时间为下午3:00～4:30，室外环境温湿度为28℃、63%；(3)2021年7月6日，测试时间为上午9:00～11:30，室外环境温湿度为30℃、49%。为分析测点位置的热湿分布，将相同测点位置的3 d测试数据进行对比，对比曲线见图3和图4。

图3 室内温度分布测试曲线

图4 室内相对湿度分布测试曲线

由图3数据可以看出，虽然出土文物展厅墙面温控器的温度设定为26℃，但各个测点实测室内温度均在22.5℃以下，墙面温控器温度和室内实际温度产生了较大偏差。

该房间的室内温度较为稳定，三次测试室内温度的最大日波动分别为0.4℃、0.9℃、0.6℃，未出现影响人员热舒适大幅度的温度波动，日波动在±1℃以内；且3 d测点17、18、19位置的室内温度均为本日最高，原因为这3个测点区域内未安装空调送风口，空调冷风由邻近设有送风口的区域流入测点区域。

由图4可知，各测点的相对湿度较为稳定，3次测试的最大日波动分别为1.6%、3.4%和2.1%，未出现大幅度日波动；且从测点1至测点33所测的相对湿度整体呈下降趋势。

此外，测试实验对室内风速也进行了测定，室内各测点风速较小，均小于0.2 m/s，参观游客并不会产生不适的吹风感，舒适度较好[5]。

4 模拟计算与评价

4.1 CFD模拟原理

基于实测数据，对该文物展厅进行CFD模拟分析。首先做两个基本假设:(1)函数值在任一控制容积内均匀分布；(2)函数值在任一控制容积的任一界面上均匀分布。本文模拟过程所用的湍流模型为RNG k-ε模型。在进行湍流模型计算时，内、外围护结构采用传热系数作为边界条件，送风口采用温度和风速作为边界条件，回风口采用定压边界条件。

CFD模拟的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，无论是质交换、动量交换还是热交换，也不论是层流还是紊流，均可以采用通用形式进行表征，其一般形式:

式中，φ为通用变量；Γφ与Sφ为与φ相对应的广义扩散系数和广义源项。

4.2 热湿环境评价指标模拟计算

热舒适度是指人们对客观环境从生理与心理方面所感受到的满意程度而进行的综合评价[7－8]。目前对热舒适的评价主要从温度波动、温度分布均匀度、竖直空气温差、吹风感指数及PMV等方面考虑[9]。其中，PMV指标为综合考虑了空气温度、空气湿度、环境风速、辐射温度、服装热阻及人体代谢率等6种因素的全面性热舒适评价指标[8]；PPD为房间内人群对于该房间热湿环境下的预计投票中不满意人数所占总人数的百分比。PPD可以预测在该出土文物展厅内感觉过热、过冷的百分数，来作为关于热不适的参考信息。

在模拟研究中，先通过CFD法求解室内温度场和速度场分布，再根据PMV和PPD计算公式获取室内PMV和PPD分布，进而依据PMV和PPD值进行评价，最后给出评价结果[11－12]。

4.3 结果分析

(1)文物展厅温度场分析

由图5可知，文物展厅内人行高度处各测点位置的空气温度与实测结果接近，验证了CFD模型的模拟精度。然而，模拟结果也显示，室内绝大部分空间的空气温度均低于24.5℃，这显然无法满足北京市规定的公共建筑空调温度不低于26℃的要求，出现了能源浪费。

图5 人行高度处温度场分布

(2)室内PMV与PPD达标比例统计

采用绿建斯维尔软件对该出土文物展厅的PMV和PPD分布进行模拟，结果如图6和图7所示。由图6可知，该出土文物展厅的PMV值大部分分布于－0.5～1.0之间，即人员体感在微凉到微暖之间，整体舒适度良好。

图6 人行高度处PMV分布

图7 人行高度处PDD分布

PMV指标相关标准中没有进行量化评价，为评价室内的舒适度水平，《绿色建筑评价标准》给出了PPD评价标准，见表2。

表2 PPD评价标准

基于图7模拟结果和表2评价标准，计算可知该出土文物展厅的PPD达到Ⅱ级标准的达标面积比例，如表3所示。

表3 建筑主要房间PPD达到Ⅱ级标准的面积统计

根据表3，该出土文物展厅PPD达到《绿色建筑评价标准》整体评价Ⅱ级的面积比例为98.02%，室内人员对热舒适的满意度比例达到较高水平。

5 结论

随着人民生活水平的提高，人们对室内热湿环境的舒适性要求也越来越高，室内空调系统既要满足舒适性，也要采取适当的措施节约能源。

博物馆作为一个城市、乃至一个国家承载着丰富的国家历史和文化内涵的重要公共建筑，做好相应的室内环境控制工作，对文物保护、游客学习历史都至关重要。

(1)展厅内环境温度略低，不满足人体舒适度的要求。特别是夏季，人们从高温环境下瞬间进入温度太低的展厅会造成游客体感不适。此外，室内相对湿度的波动幅度相对较大，不同时间段最大波动幅度大于15%，甚至会出现相对湿度高于65%的情况，这些都会给文物带来虫、霉、锈蚀等潜在危机，不利于文物的储存。

(2)文物展厅虽然反映室内舒适度的PMV和PPD指标均处于较优，且PPD指标达到评价标准Ⅱ级的面积为98.02%，但室内温度场分布在22℃～25℃之间，明显不符合“夏季室内温度应不低于26℃”的北京市节能温度标准要求，产生了较大的能源浪费。依据上述结论，该出土文物展厅的运维单位正在拟定空调系统运行节能的整改方案。

在今后的工程实践中，需从设计、施工、调试、运维等多个方面入手，在关注舒适度的同时，提升空调系统的节能性能，实现舒适度和节能性能的双优化，努力为用户提供一个高效、绿色、便利、舒适的人性化建筑空间环境，并将空调系统打造为兼顾游客人体舒适度要求、文物保护储存要求和低碳节能运维的高精度智慧空调系统。