半室外空间内部水体对热湿环境的影响及热舒适性评价研究*

0 引言

体验式商业强调从生活情境出发，塑造人们的感官体验与心里认同感，更注重消费者的参与、体验和感受。通过环境、建筑及城市风格的融合而营造出别致的休闲消费场所，激发起消费者的消费意识与消费行为。只有爱戏剧幻城配套项目的初衷是要打造一种具有主题性、文化性，与自然结合，在休闲购物的过程中真实融入到自然中的购物新体验。将水引入、穿流而过，让顾客感受水“能听会看、有喜有悲”的灵性，但同时水的引入对顾客的热舒适性感受提出了新的研究课题。水的蒸发一方面会引起环境湿度的变化，另一方面蒸发吸热也会影响到环境温度的变化。因此在进行建筑设计时合理考虑水面的蒸发散湿及其对环境的影响，对设计师合理营造舒适的建筑环境，为顾客提供全方位的舒适体验至关重要。

Teodosiu等人建立了可模拟空气湿度分布的物理模型，并通过数值模拟与实验数据比较对该模型进行了验证[1]。Limane等人用OpenFOAM对室内游泳池与环境的传热传质进行了模拟分析，发现当人员活动区的风速降低时，较冷和较湿区域的范围增大，当水面附近风速的竖直梯度较小时，温度和湿度的水平分布较均匀[2]。Ciuman等人采用ANSYS CFX对室内游泳池的热湿环境进行了数值模拟，并用测试数据进行了对比验证[3]。韩明新等人通过CFD模拟研究了某大型室内水上乐园项目冬季空调工况室内热湿环境的情况[4]。李鑫针对室内游泳池的通风除湿进行了研究分析，给出了常用设计条件下的一些游泳池通风空调设计数据，确定了游泳馆建筑通风除湿的适用条件[5]。刘凯月等人用数值模拟的方法研究了4种常见气流组织形式对中小型游泳馆热湿环境的影响[6]。国内外众多学者已经对室内游泳池或水上环境中水面对室内热湿环境的影响和评价开展了相关研究，但是对半室外环境中水体对热湿环境的影响和评价的研究目前还比较少。半室外空间环境主要受室外自然条件的影响，所以对于半室外空间环境的模拟分析比采用机械通风的室内环境的研究难度更大；半室外空间属于室外空间，节能上不允许采用空调方式进行热湿环境营造，所以对半室外空间的环境改善难度更大，只能通过加强通风等能耗较小的方式来进行改善。因此，本文建立一套研究半室外空间内部水体对热湿环境影响及舒适性评价的方法，并以实际工程为研究对象，采用该方法对半室外空间内部河道水体对室内热湿环境的影响进行模拟分析，对环境的舒适性进行评价并给出改善建议。

1 工程介绍

只有爱戏剧幻城配套项目——月下爱河位于江苏省盐城市，项目建筑面积15 160 m2，建筑高度24 m，是一种全新的重体验、轻售卖的“体验式商业”模式建筑。建筑主要功能包括体验式商业(室内)、邻水休闲(半室外)空间及穿流的河道等。图1为该项目的室内外效果图。

图1 项目效果图

图2为项目1层平面图，其中白色区域为室内商业区，灰色区域为水面位置，黑色区域为岸边区域。本次研究主要关注水面和河岸区域的舒适性，该区域属于半开敞环境，不允许采用人工手段进行空气调节。该半室外空间的特点是内部有大面积的水面，其中水面的面积为2 127 m2，岸上走道的面积仅为1 271 m2。大面积的水体蒸发散湿到环境中会对环境的湿度产生影响，同时水体的蒸发又会从环境吸热，从而对环境的温度产生影响。此外，该半室外空间与室外环境有7个连通开口，其中顶部4个，侧边的北、东、西向各1个，室外空气如何通过这些连通开口与该半室外空间进行气流交换是一个比较复杂的问题。

图2 项目1层平面图

2 研究方法

2.1 研究方法及思路

通过上述分析，要分析该项目半室外环境中的水体对环境的影响及进行环境评价，需要解决以下问题：

1) 半室外空间的7个与室外连通开口的气流流向及通风量的计算；

2) 半室外空间水体散湿量及蒸发吸热量的确定。

为解决上述2个问题，本研究采用图3所示的流程进行模拟计算分析。首先进行室外风环境模拟，得到半开敞空间与室外连通开口处的边界条件。然后将该边界条件代入到半室外空间的模型中，作为该环境CFD模拟的边界条件。这样就可以算出各个连通开口的气流流向和风量。上面提到的第二个问题涉及到多参数的相互耦合作用。水体的散湿量主要受环境的风速、温度和相对湿度影响。同时，散湿量又会影响水体的蒸发吸热量，从而影响环境的温度场和流场。本研究通过手动迭代的方法来确定水体散湿量和水体的蒸发吸热量。首先，根据风环境模拟得到的边界条件对半开敞空间气流组织进行初步试算，得到半开敞空间内平均风速v、温度t和相对湿度φ。在Excel中编制了计算水体蒸发散湿量和水体蒸发吸热量的计算表，将计算得到的相关参数输入表格中即可得到水体蒸发散湿量和吸热量。然后用计算得到的水体蒸发散湿量和吸热量对CFD模拟的边界条件进行修正并重新计算流场。根据本文第2.3.3节中介绍的水面散湿量和吸热量的计算方法编制了Excel计算表，见表1。计算完成后将得到的相关参数输入到Excel计算表重新计算水体蒸发散湿量和吸热量，并与上一次的计算结果进行对比。如果2次计算结果之差大于5%，则利用本次计算结果重新计算流场并再次迭代；如果两者之差小于等于5%，则完成模拟计算，得到最终的流场计算结果。将适应性平均热感觉指数(aPMV)的udf程序导入到Fluent软件中，计算环境的aPMV并进行环境舒适性评价。

表1 水面散湿量和吸热量Excel计算表

图3 计算流程

2.2 CFD模拟及控制方程

本研究采用CFD模拟分析的方法对不同风向下半室外空间的室内温湿度环境进行模拟分析，并给出可行的环境优化建议。图4为用于半室外空间模拟的物理模型。

图4 半室外空间物理模型

考虑到水面散湿对环境湿度的影响，本研究采用组分输运方程对水体的散湿和环境的湿度分布进行模拟分析，控制方程如下：

(1)

式中τ为时间，s；ρ为湿空气的密度，kg/m3，通过理想气体状态方程进行计算；Y为水蒸气的质量分数；v为空气的速度矢量，m/s；J为由于水蒸气在干空气中的扩散引起的质量通量，用式(2)计算。

(2)

式中D为水蒸气在干空气中的质量扩散系数；μt为湍流黏度；Sct为湍流施密特数；α为湍流热扩散率。

式(2)中等号右侧第一项为由于水蒸气浓度梯度引起的质量通量，第二项为由于温度梯度引起的质量通量。

温度场通过能量守恒方程进行求解，在其中添加了由于扩散通量引起的焓传递项，即：

(3)

式中Sh为由于扩散通量引起的能量变化；hi为组分i的比焓；Ji为单位时间进入到空间的水蒸气量。

2.3 边界条件

2.3.1室外气象参数

图5给出了项目所在地的月平均温度，可以看出7月和8月是全年中的最热月份。图6给出了项目所在地的逐时含湿量变化曲线，可以看出7月和8月的室外含湿量也比较大。因此本研究针对最不利的7月和8月进行重点分析。

图5 项目所在地月平均温度

图6 项目所在地逐时含湿量变化曲线

2018年和2019年各月最多风向及频率的统计结果显示，全年最多风向为东向，其中又以东东南向居多，其余风向比例较小且平均，最多风向中没有西向。图7为项目所在地累年7月和8月的风向频率和平均分布图，数据来自于甲方提供的盐城市大丰区气象资料。可以看出：当地7月和8月频率最高的风向为东东南、东、东南、东东北、东北、北东北和北；7月和8月平均风速的最大值为3.6 m/s，最小值为1.5 m/s。本研究对东风和北风2种工况下半室外空间的温湿度环境进行模拟分析。

图7 项目所在地累年7月、8月的风向频率和平均风速

2.3.2开口边界条件

对项目进行风环境模拟，获得项目与室外连通开口的风压边界条件。当地的气象数据结果显示，7月和8月的高频风向为东东南、东、东南、东东北、东北、北东北和北，平均风速在1.5～3.6 m/s的范围内。因此模拟东风和北风2种工况下，室外风速分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 m/s时的风环境。目的是研究连通开口的风压受室外风速的影响关系，并作为半开敞室外环境模拟的边界条件来完成室内环境的模拟分析。

图8为计算得到的北风和东风工况下半开敞空间与室外连通开口的表面风压。

图8 连通开口表面风压

室外环境温度和相对湿度按照盐城市夏季通风计算参数确定，温度为29.8 ℃，相对湿度为73%。

2.3.3水面蒸发散湿量及吸热量计算

水面的蒸发散湿量通常根据蒸发率计算，蒸发率通常用水面单位面积的质量流量来表示。文献中的大量相关研究成果可以用于计算水面的蒸发散湿量[7-9]。本研究按照《体育建筑空调设计》中的方法计算水面散湿量[10]，计算公式如下：

Ww=0.007 5(0.017 8+0.015 2va)(pw-pi)Fw

(4)

图9为用该方法计算得到的水面散湿量及与文献[11]中的测试数据的对比。从对比结果可以看出：该方法计算得到的水面散湿量与测试数据吻合较好，尤其是在风速较高时；在低风速下(v=0.24 m/s)，计算得到的水面散湿量略高于测试数据。

图9 计算得到的水面散湿量与文献[11]中测试数据的对比

水面蒸发吸热量Q用下式计算：

(5)

式中γ为半开敞空间内空气在对应温度下的汽化热，28 ℃饱和空气的汽化热为2 434 kJ/kg。

2.4 工况设计

盐城市处于北亚热带向南暖温带过渡区，季风气候明显，兼有海洋性气候特征，是典型的夏热冬冷地区。本研究分别对无风的最不利工况、夏季主导的东风和北风不同风速下的工况进行了模拟分析，工况描述见表2。

表2 研究工况

2.5 环境评价方法

本文所研究的半室外环境为非人工冷热源热湿环境，根据GB/T 50785—2012《民用建筑室内热湿环境评价标准》中的规定，对于非人工冷热源热湿环境采用计算法评价时，使用aPMV作为评价依据。表3给出了非人工冷热源热湿环境的评价等级。aPMV计算公式如下：

表3 非人工冷热源热湿环境评价等级

(6)

式中PMV为预计平均热感觉指数；λ为自适应系数，本研究案例为夏热冬冷地区夏季工况，因此λ取0.21。

本研究将自定义程序udf编译到Fluent中对环境的aPMV进行计算求解。由于研究的是夏季工况，假设着装为短袖、短裤，服装热阻为0.35 clo，人员按照站立、偶尔走动考虑，代谢率设为1.7 met。

3 结果与讨论

3.1 速度场

图10给出了东风和北风工况下室内的流线图，结果表明东风和北风工况下都是从东侧、西侧和北侧的连通开口进风，从顶部的连通开口排风。东风工况下从东侧连通口进入的气流主要从与之最近的顶部开口1和顶部开口2排出，北风工况下从北侧连通开口进入的气流也主要从顶部开口1和顶部开口2排出。表4给出了模拟得到的各工况下各室外连通开口的进出风量，其中正值表示气流从室外流入室内，负值表示气流从室内流向室外。7种工况下室内的通风换气次数为2.7～17.0 h-1，其中无风工况和北风1.5 m/s工况下的通风换气次数最小，东风3.5 m/s工况下的通风换气次数最大。

图10 室内流线图

表4 模拟得到的各工况下各连通开口进出风量情况

对不同室外风速、风向下半室外空间内的速度场进行了对比分析。图11给出了不同工况下室内环境中高风速区(风速高于0.5 m/s)的情况，无风工况下室内几乎没有高风速区，未在图中显示。可以看出，随着室外风速的增大，室内高风速区的范围略有增大，东风工况下比北风工况下室内高风速区范围更大。

图11 室内环境中风速高于0.5 m/s的区域

图12给出了不同工况下室内高风速区和低风速区的占比。可以看出：随着室外风速的增大，高风速区的占比略有增大，但是即使在室外风速达到3.5 m/s的工况下，室内高风速区的占比也低于30%，大部分区域的风速在0.2～0.5 m/s之间；由于室内外没有形成较强的热压作用(室内外温度几乎相同)，所以4个顶部通风口没能形成较强的竖向拔风作用，导致在无风工况下室内74%的区域风速均低于0.2 m/s。

图12 不同工况下室内高风速区和低风速区占比

3.2 温度场

不同工况下人员活动高度的室内温度分布见图13。可以看出：室内温度分布较均匀，大部分区域的温度与室外空气温度相同，约为29.8 ℃；由于水面蒸发吸热的作用，水面上方区域的温度会略低，由于岸上人员的散热，岸上通风不好的角落区域的温度会略高，最高温度不超过32 ℃。无风工况下，由于室内风速小，水面的蒸发量小，水面蒸发吸热量也小，室内水面上方的温度略高于有风工况。

图13 不同工况下室内温度分布图

3.3 湿度场

半开敞空间环境内的水面会进行水分蒸发，蒸发到空气中的水蒸气会影响室内的湿度环境。图14给出了不同工况下室内人员活动区的相对湿度分布情况。可以看出：室内相对湿度分布较均匀；通风较好区域的相对湿度与室外空气的相对湿度相同，通风较差区域的相对湿度略有升高，室内平均相对湿度约为75%，比室外略高；最差湿度环境出现在北风1.5 m/s工况。

图14 不同工况下室内相对湿度分布图

3.4 室内环境舒适性评价

图15给出了各工况下室内舒适性的模拟结果。结果显示水面上的舒适性要好于岸上。水面上的aPMV大多在0.5～1.0的范围内，热湿环境舒适性等级可达Ⅱ级；岸上的大部分位置aPMV都高于1.0，热湿环境舒适性等级为Ⅲ级。舒适性较差的区域多出现在岸上的一些角落。无风工况时室内的舒适性明显比有风工况时差；随着室外风速的增加，室内的舒适性略有改善，但是改善效果不明显。因此，为了避免夏季室外极端条件下岸上区域出现环境舒适性特别差的情况，应对岸上局部角落区域采用有效措施进行改善。

图15 室内舒适性模拟结果

3.5 设计优化建议

基于环境低风速区占比较高的情况，可以通过在岸上舒适性较差的区域设置局部通风设施(例如风扇等)来加强气流的流动，通过速度补偿来改善岸边局部小环境的舒适性。Limane等人用三维OpenFOAM对室内游泳池环境的热舒适性进行了模拟评价，指出吹风条件可以大大改善室内环境质量和舒适性[12]。上述研究发现该项目通风设计工况下室内温度范围为29～31 ℃，室内大部分区域的相对湿度约为75%。对这种温度和湿度环境下不同风速的aPMV进行了计算，图16给出了风速对环境舒适性的影响。环境的aPMV随着环境风速的增大而降低。风速达到0.6 m/s时，环境的aPMV低于1.0，达到Ⅱ级舒适性要求。在局部加风扇加强气流流动，使局部区域的气流流速达到0.6 m/s是比较容易实现的。

图16 风速对环境舒适性的影响曲线

4 结论

1) 本研究通过室外风环境模拟为半室外空间的CFD模拟提供边界条件，通过手动迭代的方法解决了水体蒸发散湿、吸热与环境气流组织相互耦合的问题。这种方法可以运用到实际工程中，研究半室外环境水体对环境的影响及对环境舒适性进行评价。

2) 所研究的7种工况下室内的高风速区(风速高于0.5 m/s)占比均较低，低于30%。内部温度分布较均匀，由于水面蒸发吸热的作用，水面上方温度较低，岸上通风不好的角落区域温度较高。通风较好区域的相对湿度与室外空气的相对湿度基本相同，通风较差区域的相对湿度偏大，室内平均相对湿度约为75%，比室外略高。

3) 该半室外空间在夏季通风设计条件下部分区域可达到Ⅱ级舒适性要求，但是在河岸的角落出现热舒适性较差(仅达Ⅲ级舒适性)的区域。对此，建议在热舒适性较差的区域增设局部通风设施(例如风扇等)来增强该区域的气流流动，从而实现改善局部热舒适性的目标，同时研究发现将河岸角落区域的气流流速增强到0.6 m/s以上时，热舒适性指标就可以达到Ⅱ级要求。