白葉飛，趙淋濤，康曉龍，唐汝寧，姜絲拉夫

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古恒瑞能源綜合管理有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的發(fā)展，充氣膜結構憑借其自重輕、施工周期短、經(jīng)濟效益良好、具有較好的透光性與自潔性等特點[1-4]，在我國應用越來越廣泛，特別是體育館等高大空間建筑[5-7].與傳統(tǒng)結構體育館相比，充氣膜結構體育館使用較為輕薄的膜材料作為建筑材料，而傳統(tǒng)結構體育館一般使用混凝土砌塊作為圍護結構主體材料，兩種材料在保溫隔熱等熱工性能方面存在明顯差異，造成兩者的熱響應機理不同，從而兩種結構體育館室內(nèi)熱環(huán)境的舒適和穩(wěn)定也有較大差別[8-9].因此，有必要對兩種結構體育館室內(nèi)熱環(huán)境進行分析，對比兩者差異.

現(xiàn)有文獻中主要是針對單一結構的體育館室內(nèi)熱環(huán)境進行研究.對于傳統(tǒng)結構體育館研究比較充分，文獻[10]通過對西安建筑科技大學體育館室內(nèi)熱環(huán)境進行分析，得出影響體育館室內(nèi)熱環(huán)境主要受太陽輻射、空氣溫度、濕度及風速等氣候因素以及體育館圍護結構、室內(nèi)設備和人為因素的影響；文獻[11-12]主要對于不同界面形式對體育館室內(nèi)熱環(huán)境的影響進行分析，得出不同界面形式體育館的熱環(huán)境差異主要受平均輻射溫度及風速的影響；文獻[13]主要研究空調(diào)機組分布對于室內(nèi)熱環(huán)境的影響，得出體育館比賽區(qū)域上方四周環(huán)繞式送風能夠較好實現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境均勻營造；文獻[14]主要對不同季節(jié)的體育館室內(nèi)熱環(huán)境進行研究，得出不同季節(jié)的熱期望溫度等室內(nèi)熱環(huán)境的變化規(guī)律；文獻[15]主要對體育館室內(nèi)不同人群的熱舒適進行研究，建立了不同人群的適應性熱舒適模型和對應的熱舒適范圍.對于充氣膜結構體育館室內(nèi)熱環(huán)境研究較少，文獻[16-17]通過對夏熱冬冷地區(qū)封閉式充氣膜結構體育館室內(nèi)熱環(huán)境進行測試，得出太陽輻射對于室內(nèi)熱環(huán)境存在影響，且該地區(qū)的充氣膜結構體育館難以滿足室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性要求.

然而內(nèi)蒙古中部位于嚴寒地區(qū)，相比于夏熱冬冷地區(qū)，該地區(qū)冬季漫長寒冷，平均空氣溫度低于-10 ℃，干燥多風、晝夜溫差大，并且太陽輻射照度較強[18-19]，該地區(qū)冬季體育建筑室內(nèi)環(huán)境過冷是該地區(qū)建筑面臨的主要問題.因此，本文選擇蒙中地區(qū)充氣膜結構體育館和傳統(tǒng)結構體育館進行實地調(diào)研，對其室內(nèi)、外熱環(huán)境參數(shù)進行測量并記錄，對比兩者熱環(huán)境差異，為該地區(qū)不同結構體育館的發(fā)展提供借鑒意義.

1 研究對象

選擇呼和浩特市充氣膜結構體育館(下文稱為氣膜館)和傳統(tǒng)結構體育館(下文稱為傳統(tǒng)館)進行實地調(diào)研，兩體育館室外環(huán)境都較為空曠，無高大建筑物遮擋且周圍留有人群集散空間，室內(nèi)高度超過10 m，并且中間場地人員密度小，具有典型高大空間特征[20]，兩者室內(nèi)、外環(huán)境基本相似，其室內(nèi)外環(huán)境如圖1所示.

圖1 體育館現(xiàn)場環(huán)境

氣膜館為氣承膜結構，外膜采用具有PVF膜材，內(nèi)膜采用PVDF膜材，中間保溫材料選用玻璃纖維棉雙面覆鋁箔玻纖布，設有2個旋轉(zhuǎn)門、7個常閉應急門以及1個常閉車輛貨物進出門；傳統(tǒng)館屋面為鋼結構，主體為鋼筋混凝土框架結構，外設絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)保溫層，外門選用節(jié)能外門，外窗采用鋁合金雙層Low-E中空玻璃.

2 實測計劃

2.1 實測時間

實地調(diào)研在冬天(氣膜體育館：2020年12月18日～2020年12月24日、傳統(tǒng)體育館：2020年12月30日～2021年1月5日)各選擇7 d進行連續(xù)測量，de Dare等人指出7 d足夠包含最近氣候的動態(tài)變化，并且足夠捕捉到氣候的暫時記憶，因此建議在熱環(huán)境的研究中使用7 d連續(xù)測量[21].此外，實測時間段內(nèi)兩體育館均為封閉狀態(tài)，無賽事舉辦，室內(nèi)人群較少，開關門頻率也都較少，并且暖通系統(tǒng)都處于非比賽運行狀態(tài).

2.2 測量儀器及參數(shù)

參數(shù)測量包括室外及室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量.室外參數(shù)為室外溫度、相對濕度以及太陽輻射照度等，室內(nèi)參數(shù)為不同結構壁面熱流、壁面溫度以及室內(nèi)不同方位和高度的溫度、空氣流速等.

所有參數(shù)的測量均為不同測點處儀器測量結果加權平均得到，符合規(guī)范《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》GB/T 50785-2012中的要求.具體測量儀器如下表1所示.

表1 測量儀器及其量程、精度

2.3 測點布置方案

為了研究不同結構體育館室內(nèi)整體熱環(huán)境，儀器被放置在不同方向及不同高度的看臺處，并且盡量布置在體育館中線處，若該方向無看臺，則將儀器布置自備的支架上，測點布置盡量避免人為及其他因素的擾動影響.

測點布置如圖2所示，測點分別布置在場地南側(cè)、北側(cè)、西側(cè)及東側(cè)的1 m及4 m高度處，共設置8個測點，分別標記為S1～S2、N1～N2、W1～W2、E1～E2.其中，S、N、W、E表示測點位于場地的南側(cè)、北側(cè)、西側(cè)及東側(cè)，1、2分別表示1 m及4 m高度.

圖2 整體熱環(huán)境測點布置方案

為了研究不同結構體育館室內(nèi)運動場地熱環(huán)境，每個體育館隨機選取2個羽毛球場地，儀器被放置在場地不同方向及不同高度處，并將室內(nèi)人群分為兩類，分別為坐姿人群以及站姿人群，其中坐姿人群主要對應觀眾人群及運動后人群，站姿人群主要對應運動人群.

測點布置如圖3所示，測點分別布置在場地西南側(cè)、東南側(cè)、西北側(cè)及東北側(cè)4個方向處，每個方向設置三種高度，分別為0.1 m、1.1 m及1.7 m.其中，0.1 m表征坐姿及站姿人群的腳踝高度、1.1 m表征坐姿人群的頭部高度、1.7m表征站姿人群的頭部高度.每個場地共設置12個測點，分別標記為WS1～WS3、ES1～ES3、WN1～WN3、EN1～EN3.其中，WS、ES、WN、EN表示測點位于場地的西南側(cè)、東南側(cè)、西北側(cè)及東北側(cè)，1、2、3分別表示0.1 m、1.1 m及1.7 m高度.

圖3 兩體育館場地測量儀器布置圖

3 研究結果

分析室內(nèi)外空氣溫度測量結果可得，傳統(tǒng)館室內(nèi)外溫差較大，7 d內(nèi)的室內(nèi)外平均溫差為20.40 ℃，氣膜館室內(nèi)外空氣溫差較小，7 d內(nèi)的室內(nèi)外平均溫差為18.65 ℃.

由于研究中7 d的溫度等參數(shù)變化曲線不明顯，為了使溫度等因素的變化趨勢更加明顯，部分研究截取24 h數(shù)據(jù)進行分析，但選取的研究時段與7 d的變化規(guī)律基本一致.

3.1 室內(nèi)外空氣溫度、內(nèi)壁面溫度及太陽輻射照度的分布規(guī)律

圖4為氣膜館(2020年12月20日)和傳統(tǒng)館(2021年1月3日)的室內(nèi)外空氣溫度、西側(cè)圍護結構的內(nèi)壁面溫度及太陽輻射照度在24 h內(nèi)的變化情況.

圖4 室內(nèi)外空氣溫度、內(nèi)壁面溫度及輻射照度變化曲線

由圖4可知，氣膜館和傳統(tǒng)館的太陽輻射照度及室外空氣溫度的變化趨勢比較接近.兩者室外太陽輻射主要出現(xiàn)在8∶00～17∶00時間段內(nèi)，并于12∶30左右達到最大值，分別為448 W/m2、431 W/m2；兩者室外空氣溫度最大值出現(xiàn)在14∶10左右，分別為-5.21 ℃、-6.56 ℃.

氣膜館及傳統(tǒng)館的室內(nèi)空氣溫度和內(nèi)側(cè)壁面溫度的變化趨勢開始出現(xiàn)較大差別.

氣膜館的室內(nèi)空氣溫度及內(nèi)側(cè)壁面溫度達到最大值的時間較為同步，于15∶05左右同時達到最大值，室內(nèi)空氣溫度最大值為12.20 ℃，室內(nèi)壁面溫度最大值為15.18 ℃，壁面溫度最大值超過室內(nèi)空氣溫度，室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)壁面溫度與室外空氣溫度的延遲時間都約為55 min.

傳統(tǒng)館的室內(nèi)空氣溫度及內(nèi)側(cè)壁面溫度的達到最大值的時間不同，首先壁面溫度于15∶20左右達到最大值9.2 ℃，然后室內(nèi)溫度于15∶50左右達到最大值11.49 ℃，室內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度的延遲時間約為100 min，內(nèi)側(cè)壁面溫度與室外空氣溫度的延遲時間約為70 min.

出現(xiàn)這種差別的原因主要是由于兩者的圍護結構的蓄熱性能及透射作用存在差異.由于氣膜館的主材為膜材，質(zhì)輕，蓄熱系數(shù)較小，使得壁面溫度和室內(nèi)溫度的變化比較同步、室內(nèi)外空氣溫度延遲時間較短，并且由于透射作用的存在，太陽輻射對于氣膜館室內(nèi)熱環(huán)境影響較為顯著，造成室內(nèi)壁面溫度最大值高于室內(nèi)空氣溫度最大值，而傳統(tǒng)館圍護結構主要為混凝土砌塊，質(zhì)量較重，蓄熱性能優(yōu)于膜材，使得室內(nèi)溫度的變化要滯后于壁面溫度，室內(nèi)外空氣溫度延遲時間較長，并且混凝土砌塊沒有透射作用，太陽輻射對傳統(tǒng)館室內(nèi)熱環(huán)境影響較小，因此，室內(nèi)側(cè)壁面溫度一直低于室內(nèi)空氣溫度.

3.2 不同高度及方位室內(nèi)空氣溫度的分布規(guī)律

圖5表示氣膜館(2020年12月20日)和傳統(tǒng)館(2021年1月3日)的室內(nèi)空氣溫度在不同高度及朝向上的24 h變化趨勢.

圖5 兩體育館室內(nèi)整體溫度變化趨勢

計算不同測點的平均溫度，結果如表2所示.

表2 體育館不同測點平均溫度

結合分析圖5及表2進行分析，兩種結構體育館豎直方向上的室內(nèi)溫度分布規(guī)律為：體育館高度越高，空氣溫度越高；水平方向上的室內(nèi)溫度分布規(guī)律為：南側(cè)平均溫度最高，北側(cè)最低，西側(cè)和東側(cè)居中且相差不大.該結論與《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ26-2010中，呼和浩特地區(qū)不同朝向太陽輻射大小排序相同，說明太陽輻射對兩種結構體育館的室內(nèi)溫度都存在影響.

但氣膜館溫度波動較為劇烈，24 h內(nèi)溫度波幅達到9.42 ℃，傳統(tǒng)館溫度波動較為平緩，波幅為3.40 ℃.造成這種現(xiàn)象的原因是氣膜結構熱惰性較小，室內(nèi)溫度與室外擾動之間的衰減作用較小.

3.3 室內(nèi)空氣流速的分布規(guī)律

將風速測點布置在無人群擾動，且遠離氣膜館充氣口位置，以減少無關因素的影響，風速測量結果如圖6所示.

圖6 室內(nèi)風速桶箱圖

由圖6可知，氣膜館風速分布較為分散且風速較大，最大值為0.51 m/s，最小值為0 m/s，變化范圍集中在0.11～0.26 m/s之間，均值為0.19 m/s；傳統(tǒng)館風速分布較集中且風速較小，最大值為0.49 m/s，最小值為0 m/s，風速變化范圍集中在0.14～0.21 m/s之間，均值為0.18 m/s.根據(jù)《體育建筑設計規(guī)范》JGJ31-2003中的規(guī)定，體育館室內(nèi)冬季氣流速度小于0.2 m/s較為適宜，因此，兩體育館風速均值都滿足規(guī)范要求.

4 室內(nèi)熱環(huán)境評價

根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》GB/T 33658-2017中的規(guī)定，本文選擇溫度波動、溫度均勻度、垂直空氣溫差、吹風感指數(shù)、PMV，共5項熱環(huán)境評價參數(shù)，并結合體育館開放時間(8∶00～20∶00)對兩種結構體育館熱環(huán)境舒適性進行評價.

4.1 溫度波動

溫度波動表示當室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，規(guī)定時間段內(nèi)室內(nèi)測點的變化幅度，整體溫度波動Tfw為所有單個測點溫度波動的平均值.

單個測點的溫度波動Tf計算公式如下：

(1)

式中：Ni為規(guī)定時間內(nèi)該測點記錄的溫度個數(shù)；ti為該測點的瞬時溫度，℃；ta為該測點在規(guī)定時間內(nèi)的平均溫度，℃.

根據(jù)公式(1)得到，得到體育館開放時間段內(nèi)，氣膜結構體育館的平均溫度波動為2.24 ℃，傳統(tǒng)結構的平均溫度波動為1.75 ℃，氣膜館溫度波動較大，由此造成的室內(nèi)熱環(huán)境也較差.

4.2 溫度均勻度

溫度均勻度表示當室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，同一時刻不同測點溫度的差異狀況，整體溫度均勻度Tsw為所有時刻瞬時室內(nèi)溫度均勻度的平均值.

第i時刻的瞬時室內(nèi)溫度均勻度Ts計算公式如下：

(2)

式中：Mi為室內(nèi)溫度測點總數(shù)；tj為單個測點的瞬時溫度，℃；tb為所有測點的瞬時平均溫度，℃.

結合公式(2)，得到體育館開放時間段內(nèi)，氣膜結構的溫度均勻度為0.26 ℃，傳統(tǒng)結構的溫度均勻度為0.19 ℃，氣膜館溫度均勻度較大，由此造成的室內(nèi)熱環(huán)境也較差.

4.3 垂直空氣溫差

垂直空氣溫差定義為當室內(nèi)環(huán)境達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，垂直方向上存在的空氣溫差.由于人群頭部和腳踝處的垂直空氣溫差會導致室內(nèi)人群不舒適，因此本文研究兩種結構體育館不同人群的垂直溫差Δta,v，計算公式如下.

(3)

式中：Ni為規(guī)定時間內(nèi)該測點記錄的溫度個數(shù)；thead,i為i時刻頭部的溫度，℃；tfoot,i為i時刻腳踝處的溫度，℃.

根據(jù)公式(3)得到，體育館運行時間段內(nèi)，氣膜館站姿人群的垂直溫差為1.43 ℃，坐姿人群垂直溫差為1.05 ℃；傳統(tǒng)館站姿人群的垂直溫差為0.45 ℃，坐姿人群垂直溫差為0.42 ℃.可見，氣膜館內(nèi)不同人群的垂直溫差較大.

圖7表示不同結構不同人群的垂直溫差在24 h內(nèi)的變化趨勢.

圖7 不同結構不同人群垂直溫差變化趨勢

由圖7可知，0∶00～8∶30之間兩種結構不同人群的垂直溫差相差不大，主要集中在0.2～0.6 ℃之間；8∶30～20∶30之間，氣膜館的垂直溫差開始明顯大于傳統(tǒng)館，氣膜館站姿人群垂直溫差于15∶00左右達到最大值2.26 ℃，氣膜館坐姿人群垂直溫差于14∶00左右達到最大值1.64 ℃，傳統(tǒng)館垂直溫差最大于16∶00左右達到，站姿人群為0.55 ℃，坐姿人群為0.51 ℃.

根據(jù)以上結果可知，氣膜館由于垂直溫差造成熱環(huán)境較為不舒適，且主要體現(xiàn)在出現(xiàn)太陽輻射的時間段.

4.4 吹風感指數(shù)

根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》GB/T 33658-2017中的規(guī)定，分別計算兩種結構體育館的吹風感指數(shù)(DR：由于氣流帶走人體熱量所導致的不滿意人群占比，為所有測點吹風感指數(shù)的平均值)，測點j吹風感指數(shù)的計算公式如下.

DRj=(34-ta)(υa-0.05)0.62(0.37×υa×Tυ+3.14)

(4)

式中：DRj為第j檢測點的吹風感指數(shù)，若DRj>100%，則取DRj=100%；ta為局部平均空氣溫度，℃；νa為局部平均空氣流速，m/s，若νa<0.05 m/s，則νa取0.05 m/s；TU為局部紊流強度，%，即局部空氣流速的標準差與νa的比.

基于公式(4)，計算得到氣膜館的吹風感指數(shù)為25.85%；傳統(tǒng)館的吹風感指數(shù)為24.26%.由以上結果可知，傳統(tǒng)體育館的吹風感指數(shù)較低，由風環(huán)境造成的熱舒適較為優(yōu)良.

4.5 預測平均熱感覺投票值(PMV)

由于PMV為綜合性評價指標，不僅與由實驗測得空氣溫度、空氣流速、相對濕度、平均輻射溫度4個環(huán)境因素有關，還與調(diào)研得到的衣服熱阻以及人體代謝率2個人體因素有關.因此，對隨機挑選進入兩種結構體育館的不同人群的熱阻及運動狀態(tài)、類型等進行調(diào)研，并ASHRAE Standard及其他文獻[22-23]，規(guī)定不同人群的衣物熱阻及代謝率，如下表3所示：

表3 不同人群衣物熱阻及代謝率

結合以上參數(shù)，通過PMV-PPD計算程序計算出兩種結構體育館不同人群的PMV-PPD.由于研究中表明，PMV-PPD評價體系對于人體的適應性未考慮充分，使得被試者的實際熱感覺與PMV模型預測的熱感覺存在偏差，并且PMV-PPD評價體系適用于處于輕體力勞動和衣著較為單薄的人員.因此，需要根據(jù)調(diào)研結果對原始模型進行修正.

本研究引入適應系數(shù)λ修正模型[24]，即適應性PMV模型(aPMV-aPPD)，公式(5)～(6)如下所示.

(5)

(6)

將建立模型時采用溫度頻率法劃分的每組PMVi和TSVi，代入公式(6)進行計算，得到氣膜館坐姿人群模型的適應系數(shù)λ=-0.19，站姿人群模型的適應系數(shù)λ=0.28；傳統(tǒng)館坐姿人群模型的適應系數(shù)λ=-0.15，站姿人群模型的適應系數(shù)λ=0.31.將λ代入公式(5)中，得到不同時刻的aPMV值.然后，將得到的aPMV作為因變量，與操作溫度top作為自變量進行擬合，得到如圖8所示的兩體育館不同人群的aPMV模型.

圖8 兩體育館不同人群的aPMV模型

按照國際標準化組織推薦的熱舒適環(huán)境PMV值7個等級標度分別為：-3冷、-2涼、-1稍涼、0舒適、+1稍暖、+2暖、+3熱.根據(jù)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》GB/T 50785-2012規(guī)定，當PMV在-1～+1之間，被認為是Ι～ΙΙ級熱舒適環(huán)境，基本符合“適中”的熱舒適要求.因此，本文將aPMV=±1時，得到溫度范圍作為熱舒適范圍.

由圖8可知，在體育館開放時間段內(nèi)，氣膜館站姿人群的平均熱舒適為-0.028，傳統(tǒng)館為0.27，兩體育館的站姿人群熱舒適要求基本能夠得到滿足，但氣膜館坐姿人群平均熱舒適為-1.40，而傳統(tǒng)館為-0.92，說明坐姿人群的熱舒適性在氣膜館中較差.

總結圖8中的aPMV與top的回歸方程并計算對應人群的熱舒適范圍，結果如表4所示.

表4 不同人群PMV與top的回歸方程

由表4可知，為了盡可能滿足所有人群的熱舒適要求，因此，建議氣膜館的操作溫度范圍為9.48～13.11 ℃，傳統(tǒng)館的范圍為8.19～11.81 ℃.

5 結 論

本論文以蒙中地區(qū)氣膜結構體育館和傳統(tǒng)結構體育館為研究對象，采集兩種體育館室內(nèi)外熱環(huán)境參數(shù)，并進行對比分析，研究結果如下：

(1)由于兩體育館圍護結構主材不同，充氣膜結構體育館的室內(nèi)外空氣溫度的延遲時間較短，約為55 min，傳統(tǒng)結構體育館延遲時間約為100 min，且充氣膜結構體育館室內(nèi)空氣溫度的波動較為劇烈，24 h內(nèi)的波幅達到9.42 ℃，傳統(tǒng)結構體育館的波幅為3.40 ℃.可采用增設蓄熱性能較好的材料，降低充氣膜結構體育館的室內(nèi)溫度的波動程度.

(2)由于兩體育館暖通系統(tǒng)不同，氣膜結構體育館風速分布較為分散，但兩體育風速均值都滿足規(guī)范小于0.2 m/s的要求.氣膜結構體育館風速變化范圍集中在0.11～0.26 m/s之間，均值為0.19 m/s，而傳統(tǒng)結構體育館風速變化范圍為0.14～0.21 m/s，均值為0.18 m/s.

(3)充氣膜結構體育館站姿人群垂直溫差可達2.26 ℃，傳統(tǒng)結構體育館為0.55 ℃，充氣膜結構體育館的其余熱環(huán)境評價指標均不及傳統(tǒng)結構，造成充氣膜結構體育館的熱環(huán)境較差，并且太陽輻射照度越強，兩者差異性越大.

(4)在體育館開放時間段內(nèi)，兩體育館的站姿人群熱舒適要求基本能夠得到滿足，但氣膜館坐姿人群的熱舒適性不滿足熱舒適要求，坐姿人群平均熱舒適為-1.40，而傳統(tǒng)館為-0.92，為了提高體育館熱舒適性，氣膜館的建議操作溫度范圍為9.48～13.11 ℃，傳統(tǒng)館的范圍為8.19～11.81 ℃.