[摘 要]现代博物馆建筑设计十分重视空气环境质量的控制，空气中的有害污染物会给文物的安全保藏带来十分严重的不利影响，国家有关博物馆设计规范中，对空气污染物有明确的限定标准，而自然通风以其在节能减排方面的巨大优势，仍被广泛用于现代建筑设计中。结合国内某博物馆的大型展厅通风技术改造，利用数值模型模拟技术，对改造设计进行指导，并预测改造后的通风效果。模拟结果显示，利用当地的地理环境，充分利用自然通风，可以有效改善展厅的通风效果，展厅内人员活动的主要空间，污染物浓度减低的同时，热舒适度也获得改善。
[关键词]环境控制；自然通风；热舒适度
一、前言
在现代博物馆设计和建设中，建筑师不只是要考虑如何设计、创造一个良好的室内参观和工作环境，也要对相关室内空间空气质量控制提供有效的解决办法，因为博物馆空气质量的优劣，直接关系到文物的安全保藏。室内环境控制主要通过通风、污染源控制和净化处理三种手段实现。
由于通风控制具有节能、便于操作等优势，在大力倡导节能减排的时代背景下，现代建筑的环境控制设计中，通风控制仍占有不可替代的重要位置。特别是自然通风，在计算机模拟技术、计算流体力学、数值数学等现代科技手段的支撑下正焕发出新的活力，自然通风在绿色建筑设计中被大量采用，设计合理的自然通风比机械式通风的环境控制效果更具有优越性。
通风模拟计算，通过物理的基本定律，利用流体力学和计算机相关理论和技术，对环境的热交换、介质流动等过程进行模拟预测，从而为环境分析及控制技术改造提供辅助评价和指导方案。
结合国内某博物馆的大型室内展厅环境控制技术升级改造计划，简要介绍通风模拟计算相关技术，提出改造方案，并对方案的效果进行分析。
二、现场环境
该博物馆位于海滨沙滩之上，与海岸线的直线距离不足500米，高温季节长，光照充足。所要進行环境控制改造的展厅是该馆最大的主体建筑，展厅全长88米，宽40米，地面距弧形穹顶的最高处为25米，整个的室内空间体积达4万立方米，属于超大建筑空间。该展厅分为上下两个功能区，下层功能区是一个巨大的水池，几何尺寸约40米*20米，深12米，上层为观众参观通道和工作平台。展厅能够和外界进行空气交换的地方是位于上层功能区参观通道和工作通道的四扇们，尺寸为1.5米*2米。其余部分，为全部密封的空间，最上层的弧形穹顶覆盖有大面积的采光玻璃，由于室内配备的空调和通风系统不足，特别是夏季，由于光照的作用，展厅内潮热严重，光照加热后的穹顶与室内水池相对的低温区域，极易形成逆向温差，富含养分的水体及现场文物发掘作业面淤泥中释放出来的有害气体（硫化氢、氨、氮氧化物、硫化物等），会积聚在展厅的底层，很难扩散稀释，给人员健康和文物的安全保藏带来隐患风险。
三、物理模型网格的建立与划分
空间网格的建立与划分是数值模拟计算的重要准备工作，数值模拟的准备性取决于网格的质量，网格的数量又会影响数值计算的工作效率，所以在网格数量划分和质量之间要相互协调、合理分布。对于该案例来说，具有空间大、几何形状较复杂的特点，可以适当采用比较稀疏的网格；而另一方面，该室内空间气流流动性较差，特别是梯度大的污染源、门、墙等处，在这些区域又要适当增加网格的密度。因为边界层（网格靠近墙面处）对计算壁面剪切力和热传导系数具有重要意义，所以在此处的网格划分时，将网格厚度设为1mm。
（一）通风模拟计算的理论基础
模拟计算的主要理论来源于计算流体力学，计算所用的基本控制方程有能量守恒方程、动量守恒方程、质量守恒方程。在具体的计算中，可以运用如下三个湍流模型：雷诺时均法、大涡模拟、直接数值模拟技术。
本研究采用的是雷诺时均法，这也是目前在工程中应用比较广泛的计算方法，它对模拟的具体场景要求较高，需要给出比较具体的场景信息获得相应的湍流模型，优点是计算量较小。控制方程组包括：连续性方程、动能方程、能量方程（方程式略）
（二）数值模拟分析
X=16是具有特征性的代表性截面，Z=1m、Z=-4m截面是在pmv分析中使用的，其高度距离行人行走平面1米
四、展厅基本条件设置
在进行模拟计算前，要对模拟计算的大气环境进行设定，根据这些事先设定好的基本参数进行稳态模拟计算，作为标准值，再此基础上，再输入动态的数值指标，完成一系列的模拟运算，得出模拟结果并加以分析。
内部湿度70%；屋顶曲面WALL，温度T=38℃；室内底面（水体表面）WALL，温度T=20℃；墙体、玻璃等，设定为绝热；四扇门设为唯一通风口；回流温度设为T=25℃
五、展厅模拟结果及分析
通过对模拟结果的分析，可以发现展厅门口附近区域有一定的气流流动，而其它区域流动性很差。展厅的温度为层状分布，上部温度高，下部温度低，呈典型的逆温特征。在X=16截面上，PMV指标均超过1以上，PPD均在40%以上，整个展厅的热环境较差，热舒适度不佳。特别是参观平台和工作平台，PMV指标均和PPD极不理想，观众及工作人员处于比较恶劣的热环境之中。对上述结果总结，得到如下几个特征性结论：
1.根据速度填色图，可以发现门附近处的速度较大，而且它区域的速度接近0，现实整个室内空间的气流流动状态较差。
2.由于室内垂直空间尺度较大，热力自然对流作用明显，沿着屋顶壁面处有向顶部流动的气流，并可观察到有明显的热边界层。
3.门后的温度低于门内温度，热空气由门的上部流出，而门下部有冷空气流入室内。
六、展厅自然通风的数值模拟
在设计大型室内空间的建筑中，出于节能减排的角度，自然通风往往是首先考虑的技术手段。因为采用空调系统对大型室内空间进行人工环境干预，其能耗是巨大的，如果能够合理利用自然通风等手段，将大大降低空调系统的能耗，节省开支。
根据流体力学原理，高开口的自然通风口设置，更有助于气流的流动，可以带走室内大量的高温气体，同时又不会给空调系统带来过多的额外能耗损失。
该博物馆坐落于距海边不足300米处，可以利用海风对室内环境进行改善控制，由于博物馆主体建筑在已经完成，各个功能区已经固定下来（文物区位于展厅的最底层），人员和观众活动区也位于展厅的中、下部空间，设置高开口的通风控制方式，对改善室内空气质量和环境舒适度影响不大。经过多方权衡论证，选定了在展厅较低的位置开口建立自然通风数值模型进行模拟。
（一）自然通风基本条件设置
通风口设置在展厅前后两端的墙体上，海风速度v=3m/s，温度t=26℃，湿度RH=80%。
（二）自然通风模拟结果及分析
由模型多截面风速图可以看出，在x=0.1m处，大值区在海风入口处；在x=16m、x=35m处，观众所在的通道依然可以保持较大的风速，而中间的大值区呈不断升高的趋势直到屋顶；在x=87m处，大值区在出口处。自然通风状态下，观众通道、实验工作平台的空气交换获得了较大的改善，PMV在±1之间，PPD<15%，符合相关通风设计规范的规定值；而在观众通道下方的发掘工作区，空气流动改善稍有提高；展厅顶部，气流的速度呈不断衰变减小的趋势，在实验工作平台处开始下行，并最终下沉至通风出口；在通风的入口和出口处，各产生一个气旋。
七、结语
该模拟研究，利用数值模拟模型，通过对室内的温度场、空气流场、污染物浓度场、PMV-PPD的分析，为展厅的通风改造提供辅助依据，获得如下结论：
1.展厅在改造之前，室内温度呈逆向的层状分布，整个室内空间气流流动较差，不利于污染气体的扩散和排出。
2.原展厅通风通道（门）不利于空气交换，热量郁积严重，特别是观众通道和发掘工作区的热舒适度差。
3.对展厅自然通风进行“改造”之后，展厅内观众通道和实验工作平台气流流动状态、污染物浓度和熱舒适度获得了较大的改善；发掘工作区的气流流动状态改善不大，污染物浓度不会有较大的降低，而热舒适度可以获得一定的改善。
根据展厅数值模拟模型研究，可以为展厅的通风改造提供指导，能够较为准确地预测设计方案的实施效果。通过该模拟模型的研究提出，如果在利用机械通风的同时，能够借助周边的自然环境，利用海风对展厅进行辅助自然通风，这对降低能耗有较大意义。
参考文献：
[1]王昕，黄晨，曹伟武.自然通风在大空间建筑空调系统下室内热环境中应用的理论分析及实测研究[J].暖通空调，2009，39（5）：62-66
[2]是勋刚.湍流直接数值模拟的进展与前景[J].水动力学研究与进展：A辑，1992，7（1）：103-109.
作者简介：耿苗（1983年-），女，广东阳江人，广东海上丝绸之路博物馆，助理馆员，大学本科学历，研究方向：文物修复
