对室内游泳馆冬季防结露设计的分析

对室内游泳馆冬季防结露设计的分析

摘要： 针对室内游泳馆冬季防结露设计的问题，对室内参数的选择以及室内发湿量计算等一些问题进行分析。由于室内温度选择范围较小，本文重点讨论了室内相对湿度变化对防结露设计的影响，认为合适的降低室内相对湿度是可行的。为达到经济运行的目的，建议不同季节采用不同的室内参数。对高大空间的游泳池建议采用CFD模拟以便达到*佳设计之目的。*后对游泳池发湿量计算比较了国内外三个公式，希望得到一个适合于工程使用的计算公式。 

关键词： 室内游泳馆 防结露 相对湿度 发湿量 室内参数 

1 简介
随着人民生活水平不断提高，国内相继兴建了许多大型室内游泳馆。由于室内游泳馆投资高，运行费用大，室内条件与普通建筑有较大差异，尤其在冬季可能出现围护结构结露问题，本文将针对游泳馆冬季防结露设计中的一些问题进行分析。
本文使用的一些符号说明：
G——蒸发量 kg/h Ψ RH ——相对湿度 %
T——温度 ℃ ρ——密度 kg/m3
Pq——水蒸汽分压力 Pa V——风速 m/s
Pqb——饱合水蒸汽分压力 Pa A——泳池面积 m2
U——传热系数 W/m2 *℃ R——热阻 m2 *℃/W
K——材料传热系数 W/m2 *℃ L——通风量 m3/h
B——大气压 Pa X——绝对湿度 kg /kg 
Cp——空气比热 kJ/kg*℃ α——内表面传热系数 W/m2 *℃
为便于说明，本文以杭州某在建的室内游泳馆作为例子进行分析，室外参数以杭州地区为准，池水温度暂定为26℃，游泳馆外型见图1，室内见图2。游泳馆室内面积为3000m2，水池面积为1400m2，包括一个标准泳池和一个浅水区，围护结构以彩钢板和玻璃为主。

图1游泳馆外型 　　图2 游泳馆室内 
(注：本课题受到浙江大学建筑设计研究院科研基金资助) 
2 室内设计参数的确定
对于室内游泳馆空调设计而言，室内参数的确定是*为重要的，只有在确定了室内参数后，才能进行室内负荷，发湿量及通风量的相应计算，而室内参数的选择也会影响到初投资及运行费。
表1是《体育建筑空调设计》给出各国游泳馆采用的设计参数[1]
表1 国别
水温（℃）
池厅
换气次数（l/h）

空气温度（℃）
相对湿度（%RH）
空气速度（m/s）

国际设计标准规定
26~28
水温+2
　 　 　 
美国
24~27
水温+2
50~60
≯0.125
4~6

英国
25~27
水温（至少）+1
60~70
≯0.15
　 
联邦德国
24~26
水温+（2~3）
≯75
＜0.2
3~4

法国
27
水温+1
≯70
0.14~0.2
≮22m3/h人

苏联
24~25
水温+（1~2）
≯65
≯0.2
　 
日本
25~27
水温+（1.5~3）
60~70
0.1~0.2
1~4

中国
25~27
水温+（1~2）
≯75
0.15~0.3
2~4

表2给出了国家卫生标准[2]：
表2 项目
标准

冬季室内气温(℃)
高于水温1~2℃

相对湿度(%)
不超过80%

风速(m/s)
不超过0.5

表3列出了《体育建筑设计规范》中游泳馆设计参数[3]：
表3 房间名
夏季
冬季
*小新风量（m3/h·人）

温度（℃）
相对湿度（%）
气流速度（m/s）
温度（℃）
相对湿度（%）
气流速度（m/s）

游泳馆
观众区
26~29
60~70
≯0.5
22~24
≤60
≯0.5
15~20

池区
26~29
60~70
≯0.2
26~28
60~70
≯0.2
—表3与表1、2的*大区别，就是在表1、2中明确了室内温度与池水温度关系，而表3并未强调这一点，同时规范中采用了“宜”字，表明可按当地气象条件和建筑本身特点选择合适室内设计参数。
游泳馆室内温度高，发湿量大，如果设计不当冬季会出现围护结构结露现象。由于结露现象会引发许多问题，因此，这里的讨论均以冬季防结露设计为前提。现在国内防结露设计主要采取加强围护结构保温性能和提高围护结构内表面温度的办法（如送热风或热辐射的办法）。笔者认为也可以从另一个角度来解决这个问题，即降低室内露点温度的办法。
露点温度可由两个参数确定——室内温度和室内相对湿度——由于室内温度选择范围较小，为方便记，这里把室内温度设为28℃(池水温度+2℃)。而室内相对湿度变化范围较大，本文重点讨论相对湿度的变化对游泳馆空调设计的影响。
我们选择三个相对湿度参数作比较：Case1: ψ=70%，Case2: ψ=60%，Case3: ψ=50%。在28℃时对应的露点温度：Case1:22.0℃、Case2:19.5℃、Case3:16.8℃。为防止结露，围护结构内表面温度取比相应露点温度高1℃[1]，分别为23.0℃、20.5℃、17.8℃，根据围护结构内表面温度可据公式（1）计算出防结露所需之U值[1] :
U(Tn－Tw)= α(Tn－Twn) （1）
Tn——室内温度 ℃
Tw——室外温度 ℃
Twn——围护结构内表面温度 ℃
α——内表面传热系数，α值的计算有专门论述，为方便计，此取8.7w/m2*℃
根据U值，可相应计算出围护结构材料传热系数K。
池面蒸发量按公式(2)计算[4]：
G=（α+0.00013V）×(Pqb－Pq)×A×B/B’ （2）
α——扩散系数，取值0.00017kg/m2*h*Pa
V——池面风速m/s
B’——当地实际大气压Pa
排除室内湿负荷所需通风量按公式(3)计算[1]：
L= （3）
△d——室内外含湿量差 kg/kg
ρ——取值1.2kg/m3
三种情况计算结果见表4： 
表4 　 CASE1（70%）
CASE2（60%）
CASE3（50%）

G(kg/h)
196
300
404

U( W/m2*℃)
1.36
2.00
2.77

K(W/m2*℃)
1.71
2.94
4.74

L(m3/h)
13300
18200
32900

Q(Kw)*
176
220
385

*仅为新风部分加热量，从-4℃加热到28℃
根据上述K值，分别选取围护材料，彩钢板采用100mm厚保温材料（传热系数：0.37W/m2*℃），能满足三种情况的要求。玻璃部分Case1须采用中空LOW-E低幅射玻璃，价格为350元/m2，K=1.34W/m2*℃，Case2采用中空玻璃315元/m2，K=2.13W/m2*℃，Case3可采用普通玻璃，K=4.56W/m2*℃，价格80元/m2，具体造价及运行费见表5：
表5 　 玻璃造价*1
设备造价*2
运行费*3
总价

CASE1
45.5万
42500
24500
49.75万

CASE2
40万元
55000
32000
45.5万

CASE3
12万
80000
54000
20万

*1：玻璃是围护结构*薄弱部分(除节点外)，价格差异也较大，为方便计，此处不考虑其余围护结构部分造价差异，仅比较了玻璃部分，价格与热工性能参考了沈阳远大铝业有限公司参数。
*2：设备造价部分仅考虑了通风（进排风）部分，其余部分由于变化量较小，也不予考虑。
*3：运行费仅指通风部分耗电量及新风加热部分，至于由于蒸发量变化引起补充水及加热部分由于量比较小，亦不考虑。冬季按运行时间3个月，每天8小时计算。
由表4可以看出(此表只能示意)，在室内温度不变的情况下，相对湿度取值越高，其运行费会较低，但围护结构材料投资较大，节点处理也较复杂；反之，亦然。
室内取不同相对湿度耗能关系可参见图3[5]。

图3是国外对一个室内游泳池做的测试，具体条件不明，但基本可以看出不同室内条件下耗能的差异，以及采用了节能技术后节能的比例。 
此图与我们的分析结果是一致的。因此为达到一个*佳的经济效果(综合费率*低)，设计人员应对室内参数的选择做仔细的分析比较。
实际工程中室内相对湿度取用，可参考公式（4）[6]：
ψ=55+0.25Tw(%RH) （4）
Tw——室外温度℃
此公式为国外一个计算公式，可以为我们的设计提供一个参考。但具体的取值，仍应根据当地气象条件和建筑本身特点做相应的计算。
3 不同季节运行控制
为使室内游泳馆综合造价*合理，同时在各不同季节能经济运行，设计有必要根据各季节室外气象条件的不同选取不同的室内设计参数：
3.1 夏季：
室内温度和RH值均取允许值的高限值，当自然通风能满足要求时，应采用自然通风。当自然通风不能满足要求，可由空调系统对部分补风进行除湿降温处理，以达到室内设计参数。
3.2 冬季：
室内温度取允许值的低限值，而RH值冬季应分为两个运行模式选取：有结露可能时和无结露可能时。
如当室内参数为28℃、70%（RH）围护结构U值为2.04 w/m2*℃时，室外温度大于10℃，围护结构便不会产生结露现象。此时可设定当室外气温大于10℃时，室内参数均取28℃、70%（RH），当室外气温小于10℃时，室内温度取28℃，而RH取值可按图4所示来选取(即B点对应的RH值)。

3.3 过渡季：
室内温度取允许值的低限值，RH值取允许值的高限值。当自然通风可以满足要求尽量采用自然通风。当室外湿度偏高而温度偏低时，系统应能进行除湿升温的处理。
3.4 闭馆时段：
在游泳馆闭馆时，冬季室内温度取值班温度（如5℃），RH值应能满足不结露要求。过渡季及夏季在闭馆时进行自然通风。控制室内RH值不高于90%。
上述运行的实现必须要求有相应控制，关于室内游泳池控制的内容可详见相关文章。

4 CFD辅助设计
游泳馆一般均是高大空间，室内温度场、湿度场和速度场的分布非常复杂，以上论述均是考虑室内温度场、湿度场和速度场是均匀分布的，与实际的状况有较大不同，因此有必要进行室内温度场、湿度场和速度场的模拟，以发现室内*不利的薄弱点，来进行相应的设计。我们委托同济大学对此工程作了CFD模拟。模拟采用三维单精度分离隐式稳态解算器。所使用到的计算方程包括连续性方程，k-ε湍流动量方程，能量方程和组分传递方程。压力速度耦合算法为SIMPLE算法。压力离散差分格式采用标准离散差分格式，其它变量采用一阶迎风格式。CFD模拟了三种室内参数，28C 70%,28C 60%,28C 50%。下面是*终采用参数28C 50%的模拟结果[7]：
表6 空气相对湿度关键数据列表 位置
*大值(%)
*小值(%)
平均值(%)

Z=1.5
63.8
15.4
50.2

顶部彩钢板近壁面
92.6
－
46.5

顶部Low-e玻璃近壁面
57.3
41.0
50.1

顶部双层玻璃近壁面
72.3
24.8
41.6

西面彩钢板近壁面
54.3
－
41.6

西面Low-e玻璃近壁面
90.8
－
38.9

东面内墙近壁面
61.0
48.8
53.4

东面外墙近壁面
60.1
48.6
55.1

南面双层玻璃近壁面
72.3
－
30.0

排风
53.9
52.8
53.3

表7 水蒸汽分压力关键数据列表 位置
*大值(Pa)
*小值(Pa)
平均值(Pa)

顶部彩钢板近壁面
2288
－
1778

顶部Low-e玻璃近壁面
1986
1606
1852

顶部双层玻璃近壁面
1899
1144
1570

西面彩钢板近壁面
1994
－
1660

西面Low-e玻璃近壁面
2329
－
1565

东面内墙近壁面
1970
1870
1896

东面外墙近壁面
1974
1887
1957

南面双层玻璃近壁面
1878
－
1273

表8 空气速度关键数据列表 位置
*大值(m/s)
*小值(m/s)
平均值(m/s)

Z=1.5
0.86
0.005
0.23

游泳池池面
0.55
0.06
0.31

浅水区池面
0.37
0.03
0.22

表9 围护结构内表面关键数据列表 位置
露点温度*大值(℃)
壁面温度*小值(℃)
是否可能结露

顶部彩钢板壁面
19.6
19.0
是

顶部Low-e玻璃壁面
17.4
18.0
否

顶部双层玻璃壁面
16.7
8.5
是

西面彩钢板壁面
17.4
23.3
否

西面Low-e玻璃壁面
19.9
14.3
是

东面内墙壁面
17.2
22.8
否

东面外墙壁面
17.3
19.6
否

南面双层玻璃壁面
16.5
10.9
是

图5-6分别是室内温度场、湿度场模拟图：
附图5 围护结构内表面近壁面空气温度场 附图6 围护结构内表面近壁面空气相对湿度分布

由分析结果可见，即使理论上经过计算不会发生结露现象，但由于室内温度场、湿度场和速度场的不均匀性，在局部区域仍可能产生结露现象，必须根据模拟结果对薄弱部位采取相应加强措施。
5 问题
5.1 室内湿量计算
技术措施给出了水面蒸发量计算公式(2) [4]：
G=（α+0.00013V）×（Pqb－Pq）×A×B/B1 （2）
《体育建筑空调设计》给出了另一个计算公式(5) [1]：
G=0.0075×(0.0152V+0.0178)×(Pqb－Pq)×A （5）
上述两个公式较为近似，但有一个缺点，均未给出相应计算条件。
一些国外资料研究表明活动池面比静止池面蒸发量要高出很多。
公式（6）给出了国外计算游泳池蒸发量的公式[6]：
（6）
Cp——室内空气比热J/kg k
α取值见表10 
表10 蒸发率 传热系数 时段(工作日) 时段(星期六 时段 (礼拜天关闭时间)
α 开放时间 开放时间
(W/m2K) 8.00~21.00 6.00~18.00 

Maximum 5.8 08.00-12.00,15.00-18.00 06.00-09.00,12.00-15.00 -
Medium 3.8 12.00-15.00,18.00-21.00 0.900-12.00,15.00-18.00 -
Mi