膜结构造型美观、自重轻、施工简便[1,2], 是一种百富策略白菜网广泛的大跨结构形式[3].国内外许多代表性的大跨度体育场馆均采用乙烯-四氟乙烯 (ETFE) 或聚四氯乙烯 (PTFE) 膜结构作为屋面或建筑外围护结构, 如慕尼黑安联体育场、国家游泳中心水立方等[3,4,5].采用力学性能和透光性较好的建筑膜材作为屋面或外围护结构, 可充分利用日光进行场馆内部照明, 减少照明能耗, 增加建筑美感.

与混凝土等传统建筑材料相比, 建筑膜材较薄, 保温隔热等热工性能普遍存在不足.使用混凝土等传统材料建造的屋面和墙体蓄热能力可以减轻室外温度和辐射的剧烈变化对室内温度的影响, 室外温度变化要引起室内环境的变化需要大量能量及较长时间.然而, 膜材极薄且质轻, 对于室内环境的缓冲作用较小, 无法依靠膜材热阻来减少外部温度及辐射变化对室内的影响.采用膜结构作为外围护结构的建筑不易维持内部热环境的舒适与稳定[6].

现有文献对膜结构建筑保温隔热性能研究相对较少, 且研究对象多为尺寸较小的建筑模型[7,8], 与实际工程存在一定差异.实际工程中采用膜结构的建筑多为大跨封闭式建筑, 然而在膜结构建筑设计过程中, 并没有针对膜结构的保温隔热性能的相关规定, 只能根据普通建筑热工性能设计规范及工程经验进行设计.膜结构的热工特性与混凝土等传统建筑材料有较大差异, 根据普通建筑规范设计的膜结构建筑的保温隔热性能否满足基本人体需求至今未得到足够的关注与研究.因此, 有必要了解大跨封闭式膜结构建筑内部的热环境状况, 直观认识封闭式膜结构屋面对建筑内部热环境的影响.上海交通大学霍英东体育中心 (下文简称体育馆) 采用双层PTFE薄膜张拉结构作为屋面结构, 是典型的大跨度封闭式膜结构建筑.本文选择冬季的3个晴天对该体育馆的室内热环境进行测量;研究了体育馆内部日照辐射强度及风速对室内温度场的影响, 分析了温度场沿水平方向和竖直方向的分布规律;采用客观性评价指标对其冬季室内热环境进行评价, 可为膜结构建筑的保温隔热设计提供一定参考.

体育馆位于上海交通大学闵行校区西北角, 四周建有停车场及人流疏散广场, 无高层建筑遮挡, 周围环境较为空旷.长轴αα′两端留出大片空地, 成为人流集散广场;短轴ββ′两端布置停车场和绿化休闲广场.体育馆总平面布置及实地环境如图1所示.体育馆建筑主体为椭圆形, αα′方向为西北-东南方向, ββ′方向为东北-西南方向, 如图1 (a) 所示.体育馆内部设有4个看台, 看台中心线与椭圆轴线重合.体育馆建筑主体高为29m, 沿长轴αα′和短轴ββ′方向的跨度分别为130和110m, 如图1 (b) 所示.

体育馆屋面采用双层PTFE膜结构, 中间空气层厚度为1m.膜结构外层膜材号为Sheerfill-II, 内层膜型号为Fabrasorb-IA, 内、外膜的热工性能及透光性能参数如表1所示.膜结构屋面的总传热系数为2.55W/ (m2·K) , 两层膜之间无保温隔热层设计.内层PTFE膜通过钢骨架支承张紧形成多个平面, 外层膜由2次拱形钢构支承类似南瓜瓣膜面, 可满足比赛场地的光照要求, 同时保证场地内不会产生阴影和眩光.体育馆的2层看台设有东南西北4个方向的通风洞口, 通风洞与外围环形观众走廊相连 (见图1 (a) ) .环形走廊的外立面为大面积外开的玻璃落地窗, 可联通看台四角的通风洞组织自然通风[9].

主要采集的试验数据包括测点温度、日照辐射强度和风速, 试验仪器参数见表2.体育场馆内部温度场的分布规律在典型季节表征更为明显, 选择2016年冬季12月份的3个晴天进行试验, 每个测量日的测试时段为9:00~17:00, 测量时段内的外界风速为1~2级.

确定无线测温仪布点位置的主要考虑因素为上海地区冬季日照辐射状况和体育馆的内部高差.由气象统计资料可知, 上海地区冬至日 (12月21日或12月23日) 在9:00~17:00时段内太阳主要直射体育馆南侧与东侧看台, 其他两侧看台基本不受太阳直射, 在测量时段内温度变化趋势不明显.为了研究水平方向温度场的分布规律, 仅在体育馆的南侧看台和东侧看台布置测温仪器, 测点位置尽可能靠近看台的中心线 (见图1 (a) ) .

为了研究高差对体育馆内部温度场的影响, 将测温仪分别放置在1~3层看台中间高度处.1、2层测点高差为4 m, 2、3层测点高差为7 m (见图1 (b) ) .将6个测点进行编号, 并分别记为S1~S3、E1~E3[10], S表示测点位于南面, E表示测点位于东面, 1~3表示测点所处看台位置.此外, 测温仪与地面应保持1.2m的距离, 以避免地面温度对测点处实际空气温度造成影响[8].在测量时段内体育馆一层的活动看台并未铺设, 采用绳索悬挂的方法将测温仪固定在一层看台中间高度处, 实际布点状况见图1 (c) .微风风速计、日照辐射强度计、黑球温度计和相对湿度计均布置在测试时段内日照辐射条件较好的S3测点处.

图2分别给出了2016年12月7日、8日和31日体育馆室内日照辐射强度.由图可见:测试时段内日照辐射强度波动较小;日照辐射强度在10:30~12:00时段达到最大值, 约为50W/m2;在16:30~17:00时段内减小至5W/m2以下.

由于体育馆为封闭式结构且测点位置距离通风洞口较远, 所以在测量时段内测点处空气几乎未发生流动, 布置在S3测点处的微风风速仪采集的数据样本量很小且呈离散分布.从综合试验期间的结果来看, 12月7日的风速采集数据量最多, 且3个测量日内的外界风级状况基本一致, 所以可以采用12月7日的风速表征3个测量日的风速情况.在9:00~15:30时段内, S3测点处的风速点分布较为分散, 且风速值均小于0.2m/s, 由《风力等级划分标准》[11]可知, 此时处于无风状态.在15:30~17:00时段内风速数据相对密集, 风速变化范围为0~0.6m/s.

由于受到当天室外气温影响, 不同测量日的测点温度值有所差异, 但变化趋势基本一致, 6个测点处的温度变化情况见图3.与1、2层看台测点相比, 3层看台距离屋面最近, 日照辐射产生的热量经由屋面进入体育馆后未发生大量扩散, 且测量时段内南面看台接收的日照辐射量大于东面看台, 因此S3测点的温度比其他5个测点平均高出2℃.考虑到体育馆内部热量扩散及高差对温度场分布的影响, 以2层测点处的平均温度作为体育馆内部平均温度.表3给出了3个测量日内外界平均温度与体育馆内部平均温度的对比情况.可以看出, 3个测量日内体育馆室内平均温度比室外气温高3℃左右.

测点空气温度受日照辐射强度的影响较大, 两者总体变化规律基本一致.日照辐射强度曲线的峰值出现在10:30~12:00时段, 各测点温度曲线的峰值出现在12:00~15:00时段.与日照辐射强度曲线相比, 测点温度曲线呈现出明显的时滞性, 即日照辐射强度呈现出某种变化趋势后测点温度才呈现出相应变化.由图3可以看出, 在9:00~16:00时段, 体育馆内部处于无风状态, 风速对测定温度几乎没有影响, 测点温度由于日照辐射的影响先升后降.在16:00~17:00时段, 由于日照辐射强度的降低以及自然通风的明显加强, 各测点的温度均出现下降, 直至17:00时各测点温度趋于一致, 由于3层看台位置最为靠近保温隔热性能较差的PTFE膜结构屋面, 此处热量耗散较之其他测点更为迅速, 所以S3与E3测点的降温速率明显大于同方向的其他测点.

图2表明3个测量日内各测点温度变化规律基本一致, 为了进一步研究体育馆内部的温度分布及变化规律, 选择12月7日的温度数据进行分析.图3给出了同高度测点沿水平方向的温度变化情况.可以看出, 同一水平方向上南面测点温度高于东面测点, 且同一水平方向上的温差与室内高度成正比.受到冬季太阳方位角的影响, 南面测点的日照辐射强度大于东面测点, 因此南面测点温度相对较高.由于体育馆内部气流存在微循环, 日照辐射产生的热量进入体育馆内部空间后发生扩散.1、2层看台距离屋面的距离超过20m, 日照辐射产生的热量进行了充分的传导及对流, 因此1、2层看台在同一水平方向上接受的热量基本相同, S2与E2、S1与E1测点的温差均在0.5℃以内.而3层看台的测点由于距离屋面不足3m, 日照辐射热量未产生大量扩散, 因此3层看台在同一水平方向上热量分布出现较大差异, S3测点温度明显高于E3测点, 最大温差为2.1℃.

测量周期内自然通风对体育馆温度场影响较小, 且体育馆内不存在内部热源和强制通风, 故影响测点温度值的主要因素为日照辐射强度及外界空气温度.由于日照辐射和外界空气温度均随时间发生周期性变化, 所以体育馆内部温度曲线亦发生周期性变化.根据传热学的相关理论可知, 体育馆内部空气的竖向传热过程为周期性非稳态传热[12].将体育馆内部视为半无限大物体, 边界处温度近似满足余弦曲线, 体育馆沿竖向任意一点的温度满足:

式中:t为时间;x为测点至3层看台的竖向距离;θ为体育馆内部竖向温度, 该温度值与测点的竖向位置及时间有关;a为热扩散系数, 与传热物体的自身性质有关, 决定了物体内部的温度变化速率;θw为初始温度;Aw为边界处温度波的振幅;T为温度波变化周期.

由式 (1) 可得, 体育馆内部竖向温度分布受所处竖向位置的影响, 随着所处高度的降低, 其竖向温度波相位滞后, 振幅亦发生衰减.图4给出同方向测点沿竖直方向的温度实际变化情况, 实际测试反映的变化规律与周期性非稳态导热理论分析的规律基本吻合.可以看出, 同方向不同高度的测点温度与室内高度成正比;随着室内高度的降低, 测点温度的变化幅度不断衰减, 温度曲线呈现出显著的时间滞后性.与东面测点相比, 日照辐射条件较好的南面测点温度波振幅的衰减度与相位滞后幅度更为显著.

人体热舒适是人体对热环境感觉满意的意识状态, 受外界物理环境及自身生理、心理等综合因素影响.预测投票平均值和预测不满意百分率 (PMV-PPD) 指标是目前国际上百富策略白菜网较为广泛的热舒适性评价指标, 该指标认为环境的热舒适性主要受4个环境变量 (空气温度、湿度、风速和平均辐射温度) 和2个人为因素 (新陈代谢率和服装热阻) 的影响.PMV指标表示在某一热环境下大部分人的预测性平均投票热感觉, 其计算结果介于-3~+3之间, 表示热环境由冷及热, 0代表热舒适性最佳:

式中:ta为环境空气温度;tmrt为平均辐射温度;v为环境风速;pa为水蒸气分压力;M为人体新陈代谢率;W为人体工作强度;Icl为服装热阻.

PPD指标表示对某一热环境不满意的预测性人数比例.即

PMV指标趋于0时, 对该热环境表示不满意的人群比例越低, PPD指标越小.

后续研究表明:PMV-PPD指标在人员处于静态活动和着衣量较少时是最为准确的, 而随着衣服的加厚和活动水平的提高其预测值和实际热感觉投票值的偏差也越来越大, 尤其在自然通风建筑中, 环境越热PMV-PPD指标预测的热感觉与实际热感觉偏差越大[13].Yao等[14]针对自然通风建筑中的热环境建立了修正后的PMV-PPD (aPMV-aPPD) 指标, 通过试验对比验证了该修正指标的准确性.aPMV-aPPD指标:

采用aPMV-aPPD指标评价封闭式膜结构体育馆在自然通风条件下的室内热舒适性, 选择体育馆南面S3测点作为热舒适性评价地点, 测试时段为2016年12月7日9:00~17:00, 计算时需使用的其他热环境参数变化曲线如图5所示.参考《民用建筑室内热湿环境评价标准:GB/T 50785—2012》[15]、ISO7726-2001标准[16]及美国标准ASHRAE-Standard-55-2010[17], 根据体育馆冬季室内的实际环境状况确定指标中各参数, 具体取值为:M=1.2met (1 met=58.15 W/m2) , W=0, Icl=1.5clo (1clo=0.155m2·K/W) , a=-0.49, V=0.15m/s.

经编程计算, 得到测试时段内的aPMV-aPPD计算结果如图6所示.根据ISO7726-2001标准及美标ASHRAE-Standard-55-2010, 当PMV介于-0.5~+0.5且PPD≤10%时, 人体在某一热环境下感到舒适.由实际计算结果可以看出, 封闭式膜结构体育馆在测量时段内的aPMV指标介于-1.2~-0.5, 整体预测的热感觉偏冷, 与测量时的实际感觉相符.在测量开始 (9:00~9:30) 及结束 (16:30~17:00) 时段内, aPMV指标低于-1, 热环境的不满意率均超过40%.此时由于膜结构屋面保温隔热性能相对较差, 在没有内部空调供暖的情况下室内热量未能大量聚集或耗散较快, 导致室内热环境处于一天之中的最差状态.随着外界温度的逐渐升高, 体育馆的室内温度随之升高, 此时aPMV指标明显上升.在日照辐射条件最好的时段11:30~14:30, aPMV指标达到-0.5左右, 测量时实际的感觉为稍微偏冷, 冷的感觉有所消失, 热环境的不满意率稳定在15%左右.S3为体育馆室内光照情况和温度条件最佳的测点, 在测试时段内明显不满足人体热舒适度的基本要求, 因此体育馆室内其他测点处的热舒适性均不满足热舒适要求.总体来说, 封闭式膜结构体育馆在自然通风条件下的室内热环境相对较冷, 难以满足人体热舒适度的基本要求.因此, 对于封闭式膜结构体育馆来说, 应当根据其内部温度场分布规律及热舒适分析结果, 在冬季对其内部暖通空调系统进行合理规划和供暖, 并在膜结构内增加保温隔热层设计, 在满足人体热舒适的基本前提下, 最大限度地减少能耗.

本文对自然通风条件下的封闭式膜结构体育馆进行冬季室内热环境测试, 分析了日照辐射强度与自然通风对体育馆内部温度场的影响, 分析了体育馆内部温度场的水平向及竖向分布规律, 并采用客观热舒适性评价指标对其热环境进行评价.测试与分析得到的结论如下:

(1) 日照辐射强度对封闭式膜结构体育馆内部温度分布影响较大, 在自然通风的条件下, 体育馆内部气流基本处于稳定状态, 对温度场分布影响较小.3个测试日内体育馆内部平均温度比外界平均气温高3℃左右.

(2) 对于同一高度位置的测点, 在水平方向上南面测点温度高于东面测点, 且同一水平方向的温差随测点高度的降低而减小.对于同一水平方向的测点, 竖直方向上的温度与室内高度成正比, 温度变化幅度随室内高度的降低而出现衰减;随着室内高度的降低, 温度曲线峰值呈现出显著的时间滞后性;温度曲线振幅的衰减度与滞后相位随测点高度位置的降低而增加.

(3) 冬季封闭式膜结构体育馆的aPMV指标介于-1.2~-0.5, 预测性热环境不满意率超过15%, 整体预测的热感觉偏冷, 与测量时的实际感觉相符.在自然通风条件下, 膜结构内无保温隔热设计的封闭式体育馆的整体保温性能较差, 其室内热环境不满足热舒适性的基本要求.