徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)實(shí)測研究

黃志甲++程建++張恒

摘要：

徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)對室內(nèi)環(huán)境的營造起到了積極作用。根據(jù)水體蒸發(fā)熱平衡，建立民居室內(nèi)水體蒸發(fā)模型，用實(shí)地連續(xù)測試的蒸發(fā)數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該模型能有效的計(jì)算徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)過程，計(jì)算和測試的水體蒸發(fā)量之間的均方根誤差和平均相對誤差分別為41.5 g/（m2·h）和4.2%。環(huán)境參數(shù)中地面溫度、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度和氣溫對水體蒸發(fā)的影響程度逐漸降低，蒸發(fā)量和環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.909、0.779、0736、-0.654和0.622。

關(guān)鍵詞：

傳統(tǒng)民居；蒸發(fā)模型；實(shí)測；環(huán)境參數(shù)

Abstract：

Water evaporation in Huizhou traditional dwellings has played a positive role in environment formation. Evaporation model was built by analyzing heat balance of water evaporation. The model was calibrated against evaporation data which were obtained from field measurement in traditional dwellings. The results show that the model could effectively predict the water evaporation process in Huizhou traditional dwellings. In addition， the error of standard deviations and the average relative error between calculate values and experimental values are 41.5 g/（m2·h） and 4.2%， respectively. Correlation analysis results show that the water evaporation is most correlated to the ground temperature， followed by solar radiation， wind speed， relative humidity and air temperature， and the correlation coefficients are 0.909， 0.779， 0.736， -0.654 and 0.622， respectively.

Keywords：

traditional dwelling； evaporation model； field measurement； environment parameters

被動蒸發(fā)冷卻是古人在夏季最常使用的一種降溫技術(shù)，對夏季室內(nèi)環(huán)境的營造起著重要的作用。長期以來人們從大尺度范圍出發(fā)，利用各種方法對室外江、河、湖、海等大面積水體的蒸發(fā)量進(jìn)行預(yù)測[12]。

徽州傳統(tǒng)民居作為極具特色的地域性建筑，蘊(yùn)含著大量的生態(tài)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。天井作為最活躍的元素，和室內(nèi)環(huán)境的營造有著密不可分的關(guān)系[34]。天井底部通常蓄有薄水層，夏季水體蒸發(fā)帶走熱量，降低室內(nèi)溫度，這一蒸發(fā)過程屬于微氣候、微尺度的范圍，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中還少有涉及。在大尺度空間的研究范圍內(nèi)，水體的蒸發(fā)量主要與環(huán)境參數(shù)有關(guān)[57]，但徽州傳統(tǒng)民居的室內(nèi)水體蒸發(fā)卻更為復(fù)雜，需要通過測試和分析進(jìn)行更加深入的探究。水體蒸發(fā)的研究方法主要包括利用氣象因子的經(jīng)驗(yàn)公式法[89]和利用傳熱傳質(zhì)的熱質(zhì)平衡法[1011]。對于徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)的現(xiàn)狀和蒸發(fā)模型問題的研究還有所欠缺。為此，通過在徽州傳統(tǒng)民居中進(jìn)行水體蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)獲取蒸發(fā)數(shù)據(jù)，在分析建筑室內(nèi)微氣候?qū)λw蒸發(fā)蒸發(fā)量的影響的基礎(chǔ)上，利用水體蒸發(fā)的熱平衡，建立適用于徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)的蒸發(fā)模型。

1測試方案和蒸發(fā)模型

1.1測試方案

蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)位于一棟建于明末清初的傳統(tǒng)徽州民居，建筑位于安徽省宣城査濟(jì)村（30.5°N，118.0°E，海拔160 m），當(dāng)?shù)氐拿窬觾?nèi)天井底部均有蓄水（圖1），也是古人們在炎熱夏季最有效和最方便的降溫方式。

蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)段為2016年7月23日—7月25日。

如圖2所示，在天井下依次設(shè)置3個(gè)蒸發(fā)水槽，蒸發(fā)水槽的尺寸為0.15 m×0.1 m，三者同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)減少誤差，試驗(yàn)期間對蒸發(fā)量進(jìn)行逐時(shí)測量，稱重法由于方法簡單易操作最常被人們使用[12]，將每次電子秤稱重的重量和上次稱重的重量之間的差值作為水體的蒸發(fā)量，測量的時(shí)間間隔為10 min；水體表面溫度的測量使用紅外測溫儀，測量的時(shí)間間隔為10 min。微氣候的測量包括太陽輻射強(qiáng)度、空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)和地面溫度。太陽輻射測試時(shí)間間隔為5 min；風(fēng)速和溫濕度測試的時(shí)間間隔為1 min；地面溫度的測試時(shí)間間隔為10 min，具體的測試儀器及精度如表1所示。最終得到的測試數(shù)據(jù)以30 min作為時(shí)間基準(zhǔn)單位，蒸發(fā)數(shù)據(jù)取平均值。

由于手動測試和自動測試的時(shí)間間隔都小于30 min，所以可以通過取平均值的方式保證整個(gè)測試數(shù)據(jù)的一致性，另外，同時(shí)進(jìn)行的3組相同試驗(yàn)之間形成比照，3組實(shí)驗(yàn)在手動測試部分的誤差較?。ㄊ謩訙y試操作時(shí)間短），進(jìn)一步提高了測試數(shù)據(jù)的一致性。由于文章的篇幅限制，表2中僅給出了7月23日的部分實(shí)測數(shù)據(jù)，此時(shí)的水體蒸發(fā)效果比較明顯，具有代表性。

1.2蒸發(fā)模型

天井底部水體是靠近地面的水面薄層，水體和環(huán)境的熱交換包括輻射、蒸發(fā)和傳導(dǎo)，以水體為研究對象，建立水體蒸發(fā)熱平衡方程

該模型針對的是近地面的薄層水面，與前人研究的湖泊、水池相比，其研究的尺度更加微小。同時(shí)，模型將室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和水體蒸發(fā)聯(lián)系起來，可以為分析徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)對室內(nèi)環(huán)境的影響提供基礎(chǔ)。

2測試結(jié)果分析

2.1環(huán)境參數(shù)對蒸發(fā)量的影響

天井底部的水體蒸發(fā)試驗(yàn)，其蒸發(fā)量隨著環(huán)境參數(shù)的變化而發(fā)生變化，蒸發(fā)過程主要包括水體表面水分子的蒸發(fā)過程以及蒸發(fā)后的水分子向周圍空間中發(fā)生擴(kuò)散的擴(kuò)散過程。任何影響這兩個(gè)過程進(jìn)行的能量或參數(shù)都會影響整個(gè)水體的蒸發(fā)過程。環(huán)境參數(shù)中，影響水體蒸發(fā)的主要有太陽輻射、空氣溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速，由于室外水體尺度較大，水體較深，底層土壤傳入水體的熱量較小，一般不計(jì)入蒸發(fā)模型中，但徽州傳統(tǒng)民居天井底部水體是靠近地面的水面薄層，所以現(xiàn)將地面溫度也作為環(huán)境參數(shù)考慮到水體蒸發(fā)中。這些參數(shù)正好提供了水體蒸發(fā)所需的全部因子（熱力因子、動力因子和水分因子）。

圖3表示5種環(huán)境參數(shù)和水體蒸發(fā)量之間的關(guān)系。其中太陽輻射、地面溫度及空氣溫度是水體蒸發(fā)的熱力因子，太陽輻射直接作用在水體上，被水體吸收；地面土壤在有太陽輻射照射時(shí)吸收太陽輻射的熱量再傳輸給水體，在沒有照射時(shí)，土壤內(nèi)部的熱量向外輸送進(jìn)入水體；空氣溫度在比水體溫度高時(shí)向水體傳輸熱量，三者為水體的蒸發(fā)提供能量，因此，與水體蒸發(fā)量的變化具有高度的一致性（圖3（a）、（b）、（e）），太陽輻射、地面溫度、空氣溫度和水體蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.779、0.909和0622（表3）?？諝庀鄬穸仁撬w蒸發(fā)的水分因子，相對濕度越大，空氣和水體的水蒸氣壓差越小，濕傳遞的能力越弱即蒸發(fā)量越?。环粗?，蒸發(fā)量越大，所以呈現(xiàn)反對稱的變化關(guān)系（圖3（c）），二者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.654（表3）。風(fēng)速是水體蒸發(fā)的動力因子，在水體蒸發(fā)的時(shí)候可以快速的將水汽分子輸送到外界環(huán)境中，風(fēng)速越大，水體蒸發(fā)越劇烈（圖3（d）），風(fēng)速和水體蒸發(fā)量的相關(guān)系數(shù)為0.736（表3）。從相關(guān)性的角度可以看出，與徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)最具直接關(guān)系的影響因素是地面溫度，也間接的證明了民居內(nèi)水體蒸發(fā)不能忽略下墊面?zhèn)魅胨w的熱量。

2.2蒸發(fā)模型驗(yàn)證

利用式（9）和測試的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水體蒸發(fā)量計(jì)算，對測試值和計(jì)算值進(jìn)行對比，為了更進(jìn)一步的驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，利用文獻(xiàn)[15]中給出的PenPan模型進(jìn)行對比（圖4）。從圖中可以看出建立的模型能很好地模擬徽州傳統(tǒng)民居天井底部水體的蒸發(fā)，測試值和計(jì)算值之間的均方根誤差RMSE=41.5 g/（m2·h），平均相對誤差MRER=4.2%。計(jì)算值和測試值的回歸分析如圖5，圖中的點(diǎn)是由測試值和計(jì)算值組成的二維點(diǎn)，實(shí)線是通過點(diǎn)線性回歸得到的擬合直線，虛線表示的是測試值和計(jì)算值相等，如果測試值和計(jì)算值之間越接近，則二維點(diǎn)越接近虛線，擬合直線的斜率越接近于虛線，從圖中可以看出，夜間的點(diǎn)都集中在虛線上，說明測試值和計(jì)算值之間的誤差較小，晝間的分布較為離散，但幾乎是相對虛線呈對稱分布，整體線性擬合的斜率為0.914、截距為0.029、R2=0.890，進(jìn)一步驗(yàn)證了建立模型的準(zhǔn)確性。

與文獻(xiàn)[15]中給出的蒸發(fā)皿蒸發(fā)模型相比，建立的蒸發(fā)模型在蒸發(fā)時(shí)間上有明顯的延遲，這是由于太陽輻射的熱量先被地面吸收再傳入水體，所以存在了延遲，同時(shí)，在夜間由于地面繼續(xù)向水體輸入熱量，本文的蒸發(fā)模型夜間的蒸發(fā)量要高于文獻(xiàn)中給出的蒸發(fā)模型。說明本文建立的模型對計(jì)算徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)具有一定的優(yōu)越性。

4結(jié)論

1）對徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)水體蒸發(fā)進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試結(jié)果表明，環(huán)境參數(shù)中地面溫度、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度和氣溫對水體蒸發(fā)的影響程度逐漸降低，蒸發(fā)量和這些參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0909、0.779、0.736、-0.654和0.622，相對濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，其余均為正相關(guān)，民居內(nèi)水體蒸發(fā)中的地面溫度不能被忽略。

2）通過水體蒸發(fā)的能量守恒建立了水體蒸發(fā)模型，通過對比發(fā)現(xiàn)該模型能很好地描述徽州傳統(tǒng)民居室內(nèi)的水體蒸發(fā)情況，計(jì)算值和測試值之間的相對誤差為4.2%。

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