0 引言

　　2022年第24届冬季奥林匹克运动会在北京和张家口联合举行，在“绿色、低碳、可持续”的主题下，集装箱房临时建筑得到大量应用。因而保障集装箱房在冬季严寒条件下舒适的室内环境极其重要。目前，室内热环境的研究大多基于公共建筑或居住建筑，对临时建筑室内热环境的研究较少；而且目前大多是将室外环境、围护结构和室内环境三者分别进行研究^[1,2,3],将三者相互耦合同时进行计算的研究很少。

　　目前，数值模拟已经被广泛运用于研究室内热湿环境。丁勇等人对重庆地区农村建筑的室内热环境进行实测调查后发现，采用自然通风时其冬、夏季室内热环境较差，利用DesignBuilder模拟分析后发现，提升墙体和外窗的保温隔热性能对室内热环境改善效果显著^[4]。安法润等人利用计算流体力学软件和模型软件耦合，模拟计算有无阳台、宿舍朝向和楼层对宿舍热环境和通风效果的影响，结果发现，有阳台时宿舍内温度更高、温度梯度较小，无阳台时宿舍通风量更大^[5]。田靖等人利用ANSYS模拟了室内新风口的位置和风口形式不同时，超低能耗建筑卧室内热环境和气流组织情况，发现新风口采用顶部侧送风时最优，考虑人体舒适度，其位置与空调送风口的间距不宜超过400 mm^[6]。张铁辉等人利用能耗模拟软件和CFD技术对超高层建筑中庭进行了负荷计算和热环境模拟分析，针对走廊区域温度较高及温度分布不均匀提出了相应的改进方案^[7]。刘向伟利用COMSOL对夏热冬冷地区建筑墙体和空气的热湿耦合传递进行模型求解，优化了外墙保温层厚度，提出了墙体内霉菌生长控制策略及霉菌生长风险评估指标^[8];王烨等人对某民用住宅冬季散热器供暖情况下的室内热环境进行了数值模拟分析，结果表明散热器表面对流换热能力随外墙导热系数的增大而增大^[9]。有研究人员对3种传热方式的耦合计算进行了研究。陈洁等人对物理环境进行实测后，采用动态模拟结合太阳辐射季节变化的方法，研究了室内在冬季和夏季的热舒适性，模拟结果与实测数据较为吻合，并对相应围护结构在保温、蓄热性能上提出了优化措施^[10]。刘海燕等人对环境实验箱升、降温时的空气和壁面温度进行了研究，并利用CFD方法模拟该过程中气流组织与围护结构的耦合传热，通过对比发现温度曲线吻合较好，误差小于4 ℃,验证了该耦合计算方法的可行性^[11]。黄晨等人建立了大空间建筑室内壁面导热、对流和辐射耦合换热的热平衡方程，预测了室内空气的竖直温度分布，提出了室内各表面温度分布的理论计算方法，并用其他模型的实验数据进行了验证，结果显示，表面温度的计算值与实验值相吻合，说明该方法可以有效预测大空间建筑的表面温度^[12]。目前，对于临时建筑室内环境的研究较少，赵伟对组合板房的室内热环境进行了测试，考虑了人体与周围环境的热湿交换，并结合相关热舒适性指标，对测试的室内温湿度和风速进行了计算，针对板房内热环境存在的问题，提出了相应的改善措施^[13]。

　　本文利用仿真模拟软件COMSOL Multiphysics, 以冬奥集装箱房为研究对象，建立室外环境(太阳辐射和室外温度)、围护结构、室内环境三者的热网模型，对导热、对流、辐射3种传热方式进行耦合计算^[14]。将实测数据与模拟结果进行比对，验证该方法的可行性，并对不同热工性能的围护结构分别进行模拟，分析临时建筑室内热环境在时间尺度下的动态规律。

　　1 集装箱房热环境实验

　　1.1 实验对象

　　本次实验对象为冬奥集装箱房，位于北京市石景山区北京京能热电股份有限公司，测试时间为2022年2月，图1为集装箱房的实物图。经测量，其外部尺寸为6.2 m×3.7 m×3.25 m, 内部尺寸为5.5 m×3.0 m×2.7 m, 窗户(南向)尺寸为3.3 m×1.2 m, 外门(南向)尺寸为2.0 m×0.9 m, 地板壁厚为0.25 m, 屋顶壁厚为0.30 m, 其余墙体壁厚为0.35 m。室内设备间尺寸为1.2 m×1.0 m×2.7 m, 吊顶尺寸为2.0 m×1.2 m×0.3 m。

　　

　　图1 实验对象实物图   

　　 

　　该集装箱房采用内保温做法，具体保温材料及参数见表1,门窗边框为铝木材质，中间为中空玻璃。

　　1.2 实验测量

　　本文用于验证的实际集装箱房位于北京市石景山区，对该集装箱房在2022年2月8日11:00至11日11:00进行了实验测试。在实验前一天开启空气源热泵和石墨烯电热膜进行加热，空调温度设定为25 ℃,电热膜设定温度为18 ℃,运行时间为2月7日09:00至2月8日09:00。测试期间，集装箱房内无人员和设备，没有采取供暖措施，测试3天内室外环境温度变化趋势和天气情况比较相似，天气晴朗，昼夜温差均为9～10 ℃。

　　表1 围护结构保温材料及参数 

　　 

　　 

	保温材料	主断面传热系数/(W/(m2·K))	导热系数/(W/(m·K))
屋面	200 mm岩棉板+50 mm真空板	0.096	0.028 8
南墙	100 mm气凝胶+50 mm真空板	0.104	0.036 4
东、西、北墙	150 mm岩棉板+外保温50 mm真空板	0.108	0.037 8
地面	150 mm岩棉板+50 mm真空板	0.096	0.024 0

　　 

　　 

　　 

　　在集装箱房现场实测时，选取了4个较为典型的位置，测点的具体位置信息和相应的测量仪器见表2。实验采用的USB温湿度记录仪COS-03的测量范围为-20～60 ℃,温度精度为±0.2 ℃;温湿度记录仪T20R-EX-F的测量范围为-40～85 ℃,温度精度为±0.2 ℃;迷你型温湿度记录仪RC-4HA/C的测量范围为-30～60 ℃,温度精度为±0.5 ℃。

　　表2 测点的具体位置和测量仪器 

　　 

　　 

	测点位置	测量仪器
室内空气	距地0.5 m, 距东墙0.5 m, 距南墙1.5 m	USB温湿度记录仪COS-03
南向窗户	窗户内侧，距地1.8 m, 距东墙2.5 m	温湿度记录仪T20R-EX-F
北向内墙	北内墙中心，距地1.5 m, 距东墙2.5 m	温湿度记录仪T20R-EX-F
地板	地板中心，距南墙1.5 m, 距东墙3.0 m	温湿度记录仪T20R-EX-F
室外空气	集装箱房北侧无太阳照射处	迷你型温湿度记录仪RC-4HA/C

　　 

　　 

　　 

　　1.3 实验结果及分析

　　图2显示了测试期间72 h的温度曲线，可以看出测试期间室外温度的昼夜变化幅度没有太大变化，但室内各测点温度在3天内逐渐降低，测试初始24 h内，各测点温度明显高于后续48 h, 以室内温度测点12:00时的数据为例，温度从21.8 ℃降到14.1 ℃,再到11.8 ℃。这是因为在测试前一天，集装箱房内开启了空气源热泵和石墨烯电热膜进行加热，围护结构和室内温度升高，且墙体有一定的蓄热能力，对房间进行加热时墙体蓄存的热量在测试期间逐渐释放。

　　

　　图2 集装箱房实测温度曲线   

　　 

　　由图2可以看出，南向窗户内表面的温度波动幅度不同于其他测点，其昼夜温差可达到20 ℃左右，而室内空气和其他壁面的昼夜温差仅有10 ℃左右。这与太阳辐射有很大关系，窗户材质是中空玻璃，透明且导热系数高，白天太阳光照射在窗户内侧，可以直接吸收太阳辐射热量，因此温度更高。大约17:00太阳落山没有太阳辐射后，窗户温度开始急剧下降，约20:00时略低于其他测点的温度，此时温度较低是因为其保温性差，相对更接近环境温度。

　　所有测点温度都呈现24 h周期性变化，最高温度大约出现在15:00,最低温度大约出现在08:00。室内空气和壁面的温度波动主要受环境温度的影响，而窗户的温度波动会受到太阳辐射和环境温度的共同影响，波动更剧烈。

　　2 数值模拟

　　2.1 物理模型

　　对上述实验集装箱房进行1∶1建模，模型结构如图3所示。本文对该模型的计算是在房间封闭状态下进行的，没有通风措施，不考虑通过门窗缝隙进入室内的渗透风，也不考虑门窗开关对室内热环境的影响。计算时主要将围护结构导热、空气对流、围护结构热辐射及太阳辐射相互耦合，形成多物理场进行模拟计算。

　　

　　图3 模型结构图   

　　 

　　2.2 求解方法

　　假设集装箱房内的空气为不可压缩的牛顿型流体，室内空气的流动换热是在温差作用驱动下的自然湍流流动，室内流体流动选用K-ε湍流模型，采用Boussinesq密度假设，即空气温度的变化仅影响空气密度的大小，其他参数均为常数^[15]。集装箱房内的空气流动满足连续性方程、动量方程和能量方程，其通式如下^[16]:

　　∂(ρϕ)∂t+div(ρUϕ)=div(Γϕgrad ϕ)+Sϕ         (1)∂(ρϕ)∂t+div(ρUϕ)=div(Γϕgrad ϕ)+Sϕ         (1)

　　式中 ρ为空气密度，kg/m³;ϕ为通用变量，代表速度(u、v、w)、温度(T)等求解变量；t为时间；U为速度矢量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

　　本文模拟计算以有限元法为基础，有限元法是将连续求解域任意分割为有限个互不重叠的微小单元域，对每个单元域进行分析构造插值函数，将得到的结果进行加权拟合成线性方程组，求解得到近似解。该方法将数值近似和离散化相结合，能够适应不同形状的求解域^[17,18]。对集装箱房划分自由四面体网格共20 642个，计算区域的网格划分见图4。

　　

　　图4 计算区域网格划分   

　　 

　　2.3 边界条件

　　模型的室外环境温度采用8—11日集装箱房当地实测室外气温，如图5所示，当地正午太阳法向辐照度约为750 W/m²,室内不采取空调通风措施。查阅规范并根据当地实际情况，围护结构外表面与室外空气之间的对流换热系数取23 W/(m²·K)^[19],围护结构的表面辐射率为0.5。

　　

　　图5 模型的室外环境温度   

　　 

　　在模拟时，设定房间不同位置的初始温度为8日11:00相应的实测温度。各初始值如下：室内温度为20.9 ℃,北向内墙温度为21.2 ℃,地板温度为22.1 ℃,窗户温度为24.5 ℃。在模型中选取与实验测点相应的位置探测温度，坐标分别为：室内空气(1.50 m, 0.50 m, 0.50 m)、南向窗户(0.25 m, 2.50 m, 1.80 m)、北向内墙(3.35 m, 2.50 m, 1.50 m)、地板(1.50 m, 3.00 m, 0.35 m)。

　　3 对比验证

　　在图5所示的室外环境温度条件下，耦合当地太阳辐照度进行模拟，并将模拟结果与实测数据进行对比。在模拟时选取与实验相同的位置点导出其温度数据，将模拟结果与现场实测数据进行对比。

　　各测点实测数据与模拟结果的对比见图6,可以看出，模拟得到的温度与实测温度在每天温度最高值和最低值时差距较大，特别是在第一个高温峰值处相差最大。这是由于在实验前一天集装箱房内开启了空气源热泵和电热膜进行加热，导致整个集装箱房的温度处于较高值，虽然实验时并没有加热措施，但电热膜仍然有余热向房间内散发，因此各测点实测温度较模拟结果高出较多。

　　除此之外，模拟得到的温度与实测温度在一天当中最高值时相差2 ℃左右，最低值时相差2.5 ℃左右，且模拟结果较实测温度都有所滞后。上述现象可能是因为集装箱房墙体的实际参数与设计参数有差距，或实际的太阳辐照度与模拟设定值存在出入。例如在模型中墙体的导热系数比实际更小，这样模型中墙体的蓄热性能更好，热惰性更大，因此温度波动较小，且温度存在1～2 h的滞后。

　　在峰值处的差距可能与测试仪器的误差、室外温度测试点的选取及集装箱房实际与设定参数之间的差异等因素有关，但模拟温度曲线与实测数据的变化趋势一致，吻合较好，温度相差不大。

　　4 冬奥集装箱房赛事期间模拟

　　通过对集装箱房在2月8—11日进行现场实测和数值模拟，对比后验证了利用COMSOL进行多物理场耦合计算的准确性和可靠性，故采用同样的方法对冬奥集装箱房在赛事期间进行模拟计算。为比较不同性能围护结构下集装箱房的室内热环境，选取不同种类和厚度的保温材料进行模拟计算，并进行对比分析。

　　

　　图6 数值模拟结果与实测数据的对比   

　　 

　　4.1 边界条件

　　在模拟研究时，对集装箱房的墙体结构进行了简化，墙体中间为保温材料，导热系数见表1,两侧各6 mm钢板，地板供暖温度为30 ℃,环境温度选用2022年2月21—24日(共96 h)的气象参数，环境温度曲线如图7所示，当地正午太阳法向辐照度约为800 W/m²。模型未考虑新风、渗透风。根据规范，冬季建筑外表面对流换热系数取23 W/(m²·K)^[19],其余模型参数和边界条件与验证算例一致。模型初始温度t₀=10 ℃,共计算96 h。

　　

　　图7 延庆地区2月21—24日室外环境温度   

　　 

　　4.2 不同种类保温材料对比

　　4.2.1 保温材料的选取

　　本文共选取6种常见的保温材料进行数值模拟，分别为岩棉、膨胀聚苯板、聚氨酯板、气凝胶板、真空绝热板和气凝胶真空绝热板，其性能参数见表3。经查询，这些保温材料的价格相差较大，因此本文以保温材料的成本价格为标准，比较在相同的价格下可以购买到的保温材料厚度，并对他们分别模拟计算，研究室内热环境。以6 mm厚的气凝胶板为基准，其价格为120元/m²,各保温材料的单价和厚度见表4。

　　表3 保温材料性能参数

　　 

	导热系数/ (W/(m·K))	干密度/ (kg/m3)	比热容/ (kJ/(kg·K))	热阻/ (m2·K/W)
岩棉	0.040 0	160	1.220	1.875
膨胀聚苯板	0.033 0	20	1.380	2.273
聚氨酯板	0.024 0	130	1.380	3.125
气凝胶板	0.021 0	266	1.240	3.606
真空绝热板	0.008 0	333	1.005	9.375
气凝胶真空绝热板	0.004 5	183	0.702	15.000

　　 

　　 

　　 

　　表4 保温材料价格和厚度

　　 

	厚度100 mm价格/ (元/m2)		价格120元/m2 对应的保温材料	厚度取值/ mm
	区间	取值	厚度/mm
岩棉	90～150	110	109	110
膨胀聚苯板	60～80	70	171	170
聚氨酯板	160～180	170	71	70
气凝胶板	2 000～2 100	2 000	6	6
真空绝热板	1 200～1 300	1 200	10	10
气凝胶真空绝热板	1 000～1 200	1 200	10	10

　　 

　　 

　　 

　　4.2.2 模拟结果分析

　　图8显示了以6 mm气凝胶板120元/m²为基准、采用6种不同保温材料时集装箱房的室内温度曲线。模拟结果显示，在同等价格下，采用气凝胶板时的室内温度明显低于采用其他保温材料时，受室外温度的影响最大，温度最低，室内温度基本都在15 ℃以下，且温度波动较大，昼夜温差达到4～6 ℃。采用真空绝热板和气凝胶真空绝热板时的室内温度处于中间水平，室内温度分别在16.7 ℃和18.2 ℃左右。上述3种保温材料价格较高，同等价格时，其厚度较小，保温性能较差。

　　

　　图8 不同保温材料下室内温度曲线   

　　 

　　采用岩棉和聚氨酯板时的室内温度略高，在18.7 ℃左右；采用膨胀聚苯板时的室内温度较高，在20 ℃左右。另外，膨胀聚苯板是有机塑料，比较易燃，施工中存在消防隐患，容易发生火灾；聚氨酯板需要添加阻燃剂后成为难燃材料；岩棉本身具有很好的防火性和防水性，安全性更高。

　　4.3 不同厚度保温材料对比

　　第4.2节在同一成本价格下对比了不同保温材料的保温性能，综合材料自身特性和适用情况，本节对采用不同厚度岩棉时集装箱房的室内热环境进行模拟对比，选用的岩棉厚度分别为25、50、75、100、150 mm。

　　图9显示了采用不同厚度岩棉时集装箱房的室内温度曲线。从50 mm→100 mm→150 mm, 室内温度分别上升了大约2.0 ℃和1.1 ℃,且保温层越厚，室内温度随室外温度和太阳辐射波动的幅度越小。可以看出，保温层同样增加50 mm, 保温层厚度越大时，室内温度上升幅度越小。因此，选择保温层厚度并不是越厚越好，当厚度达到一定程度时，保温性能增加并不明显，要结合经济性和保温性能综合考虑。

　　

　　图9 不同厚度岩棉下室内温度曲线   

　　 

　　选用75、100、150 mm岩棉时的室内温度分别约为17.4、18.5、19.6 ℃。由于数值模拟时对集装箱房的围护结构进行了简化，模拟得到的室内温度偏低，实际的集装箱房墙体更厚，其保温性能会更好，因此实际的室内温度会有所上升。但是考虑到可能会出现极端天气，综合上述因素，采用150 mm岩棉作为保温材料基本可以满足冬季的室内温度要求。

　　4.4 采用150 mm岩棉模拟分析

　　经过上述数值模拟及分析，对集装箱房在赛事期间、保温材料选用150 mm岩棉时的室内热环境、围护结构温度等进行详细计算，分别截取南北向y=3 m(xz平面)截面和水平z=1.5 m(xy平面)截面进行分析。

　　图10显示了12:00和24:00南北向的立面温度分布，在同一温度标尺下(-6～26 ℃),24:00时围护结构的温度明显低于12:00时，且外窗附近的低温范围更大，主要与昼夜温差有关。

　　

　　图10 截面y=3 m(xz平面)在12:00和24:00时的温度分布   

　　 

　　从图10a可以看出，围护结构整体温度较24:00 时有所升高，其中南墙和屋顶的温度较高，而北墙的温度较低。这说明北墙只受室外环境温度的影响，而南墙受到太阳辐射和室外温度的共同作用。

　　图11显示了立面的等温线，可以看出，由于选用地板供暖，室内空气温度由下至上逐渐降低。在外窗附近，空气温度较低，且温度梯度较大；除窗户附近外，室内其余空间位置温度变化并不剧烈。

　　

　　图11 截面y=3 m(xz平面)在12:00时的等温线   

　　 

　　选取z=1.5 m截面(大约位于人头部的高度),通过分析其温度情况来判断人体的热舒适度。图12显示了12:00时的水平面温度分布(温度标尺-2～20 ℃),在窗户、门附近存在一定范围的冷空气，会引起不适感，但室内其余位置空气温度分布较为均匀，人体舒适度较好。图13显示了12:00 和24:00时的水平面等温线，无论白天还是夜晚，外窗和门附近空气的温度梯度都较大，变化比较剧烈，且晚上较白天冷空气的区域有所增加。从图13可以看出，12:00时室内其他区域温度为17.0～20.1 ℃,24:00时为16.5～19.7 ℃,再考虑实际墙体保温性能更好等因素，室内温度会有所上升，因此，选用150 mm岩棉时，集装箱房在冬季工况下的室内温度可以满足要求。

　　

　　图12 截面z=1.5 m(xy平面)12:00时的温度分布   

　　 

　　

　　图13 截面z=1.5 m(xy平面)在12:00和24:00时的等温线   

　　 

　　选择集装箱房南外墙、北外墙、南内墙、室内空气的温度模拟结果进行分析，如图14所示。南外墙在白天温度大幅度上升，温升可达到14 ℃左右，在晚上其温度下降幅度与北外墙基本相等，南外墙温度发生24 h的周期性变化，受环境温度和太阳辐射的共同影响；而北外墙温度在白天和晚上都始终随环境温度变化，只受室外环境温度的影响。

　　

　　图14 150 mm岩棉的模拟温度曲线   

　　 

　　由图14可以看出，太阳辐射和室外环境温度引起集装箱房温度周期性波动，由外向内(墙体外侧→墙体内侧→室内),温度波动幅度越来越小，外墙温度波动约8～23 ℃,内墙温度波动约1.5～3.5 ℃,室内温度仅有1～2 ℃的波动。

　　5 结论

　　通过对冬奥集装箱房在2022年2月进行现场实测和数值模拟，对比后验证了多物理场耦合模拟计算方法的准确性和可靠性，并采用该方法模拟计算了冬奥集装箱房赛事期间的室内热环境，得到如下结论：

　　1) 本文采用COMSOL进行多物理场耦合模拟计算，建立室外环境(太阳辐射和室外温度)、围护结构和室内环境三者的热网模型，将导热、对流、辐射3种传热方式进行耦合计算的方法具有准确性和可行性。

　　2) 对采用不同种类和不同厚度保温材料时集装箱房的室内热环境进行了模拟计算。在价格相同时，6种保温材料中，岩棉的保温性能较好，且具有较好的防火性能，安全性高。当选用150 mm厚岩棉时，室内温度约为19.6 ℃,在考虑实际墙体的保温性能后，可以满足冬季室内温度的要求。

　　3) 对选用150 mm岩棉时的模拟结果进行分析，发现在太阳辐射和环境温度的共同作用下，集装箱房的温度呈周期性波动，这种温度波动由外向内越来越小，室内温度仅有1～2 ℃的波动；受太阳辐射的影响，南外墙在白天有十分明显的温升，可达到14 ℃;外窗和外门附近的空气温度较低且变化剧烈，会引起不适感，室内除门、窗附近外的其他区域温度分布较为均匀，舒适度较好。

本文引用格式：李璊，王聪聪，杨晖，等．冬奥集装箱房室内热环境多物理场耦合模拟及分析［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：30-37．