體育館置換通風設計與分析

■王宏韜

（遼寧省城鄉建設規劃設計院 遼寧沈陽110000）

體育館置換通風設計與分析

■王宏韜

（遼寧省城鄉建設規劃設計院 遼寧沈陽110000）

本文介紹沈陽市一體育館置換通風設計的送風量、送風溫差、濕度梯度的計算，以及風口的型式和布局。

體育館送風量置換通風（空調）

1　概述

置換通風是借助空氣浮力作用的機械通風方式，空氣以低風速、高送風溫度狀態送入人員活動區下部，在送風及室內散熱源的上升氣流共同作用下將污濁空氣提升至頂部排出。與傳統的全室通風相比，具有既可保證工作區的空氣品質，又可有效利用空間上下溫度分層的特點以達到節能的目的，適用于大空間建筑。本文介紹范圍指體育館比賽（訓練）場地與觀眾席的整體空間。

該體育館位于遼寧省沈陽市，建成于2003年，總建筑面積7930m2，其中比賽（訓練）場館建筑面積6400m2，附屬辦公建筑面積1530m2，共有座席2324個。限于當時經濟條件，原設計只考慮簡易機械排風設施。隨著體育事業的進步，原有排風設施已不能滿足需要，在夏季舉辦多次大型賽事中由于室內溫度過高已經造成負面社會影響。近年本區經濟發展迅速，區委區政府決定改造本體育館機械通風系統并于2011年初立項。經過對比權衡確定采用置換通風（空調）方式。

2　通風系統設計與計算

2.1原通風系統概述

本工程原通風系統設計采用自然進風機械排風方式。既在夏季舉辦大型賽事時開啟觀眾廳層的外門及幕墻外窗作為自然進風，設在屋頂的6臺排風機運行。由于場館外門窗可開啟面積有限（近120m2），且通過外門窗洞口風速控制在1m/s左右，所以總排風量控制在不大于432000m3/h，折算換氣次數勉強3次/h。網架下弦距地面凈高度為13.6m，室內空間上部有照明熱負荷和圍護結構熱負荷，下部觀眾席則集中了人員熱濕負荷。

2.2置換通風工作原理及特點

置換空調的工作原理：由房間低處送出的冷風低速進入工作區內，因為密度大而像湖水一樣彌漫了整個房間地板上，遇到室內熱源產生向上的對流氣流，使室內產生垂直的溫度梯度，向上的熱對流將污染物和大部分的照明和圍護結構的冷負荷帶到高處，由排風直接帶走。由于室內形成垂直的溫度分層，使上部的得熱量減少，與全室空調相比，大大降低了空調除熱負荷。2.3空調/通風主要設計參數（1）室外設計氣象參數：

夏季空調室外計算干球溫度：31.6℃，夏季空調室外計算濕球溫度：25.0℃；

夏季通風室外計算干球溫度：28.2℃，夏季通風室外計算相對濕度：65%；

（2）夏季室內空調設計參數：

溫度：26—28°C（制冷系統未投入使用前按30°C確定），相對濕度：夏季55—65%；

室內噪聲級：比賽大廳、擴聲控制室NR 40

最小新風量：30 m3/h·人 氣流速度：≯0.2m/s

2.4置換通風系統的評價指標

坐姿頭腳溫差：θhf≤2℃站姿頭腳溫差：θhf≤3℃

吹風風速不滿意率：PD≤15%熱舒適不滿意率：PPD≤15%

置換通風房間內的溫度梯度：Δθ≤2℃/m

2.5冷負荷及風量計算

2.5.1空間高度分區及各區余熱量計算

劃分空間高度分區主要是為滿足人員活動區的舒適性。比賽（訓練）館地面標高為±0.000，觀眾看臺地面最高點標高為6.430，觀眾按坐姿考慮，確定室內熱力分層高度Hoz=7.73m。

表1　分區余熱量計算

表中余熱量的計算不包括人員的潛熱，因為促成溫度分層的因素是顯熱。人員呼出的水蒸汽可由向上的熱氣流帶走。場館圍護結構3面為外墻（窗），采光條件非常好，根據使用方經驗，夏季晴天早8點至下午16點舉行賽事只開啟40%燈具即可滿足照度，根據逐時冷負荷計算，下午14時（最大）照明負荷有限。場館內日照負荷較大。

2.5.2送風量計算

室內工作區熱舒適性：

θmin=22℃ （±0.000）θmax=27℃ （Hoz=7.73m）θoz=24℃Δθhf=2～3℃ Δθ≤2℃/mvoz=0.2m/s室內工作區空氣質量：Coz≤1000ppm

圖1　夏季室內垂直方向溫度分布圖

本工程人員停留區（室內熱力分層高度以下）允許溫升取為5℃，根據33%法則繪制“室內垂直方向溫度分布圖”，如圖1所示。由圖得出：

θe-θs=17.6℃；θe=33.7℃；θs=16.1℃

室內空調送風量

由公式：qs=3600Q/ρcp（θe-θs）

式中，qs—最小送風量（m3/h）；

Q—工作區余熱量（kw）；

cp-空氣定壓比熱容，1.01kJ/kg℃；

ρ—空氣密度，1.2kg/m3；

綜合各類別的預測框聚類結果,使用(7/2,2,3/2,1,1/2,1/4)作為DSSD算法的預測框寬高比。

θe—室內空氣排風溫度，℃

θs—室內空氣送風溫度，℃

最小送風量qs=3600×2368.44/(1.2×1.01×17.6)=399714m3/h

室內地面處送風溫度θf=k（θe-θs）+θs=0.33×17.6℃+ 16.1=21.91℃

2.5.3各分區溫升計算

可以用由公式（1）變化而來的Δt=3600Qy/(ρcp L)計算各分區余熱量造成的空氣溫升：底部區：1℃，工作區：4℃，中間區：0.22℃，上部區：2.53℃。則工作區溫度梯度為4/2.2=1.82℃/m。設工作區頂部控制溫度為27℃，則地面處送風溫度為22℃，頂部排(回)風溫度為33.7℃。溫度分布情況見圖1。

2.5.4相對濕度計算

設工作區頂部為室內控制點參數狀態，即室內N點，干球溫度t N=27℃，相對濕度60%，濕球溫度t NS=20.8℃，焓h N=75.2kJ/kg，含濕量d N=18.70g/kg。根據公式：

L=3600W/1.3Δd

式中：W—室內余濕（kg/h）；L—送風量（m3/h）；Δd—含濕量變化（g/kg）。

比賽狀態下室內散濕量計算：觀眾按中等活動計取，比賽場地按重度活動計取；計算數值為436.97kg/h。濕度隨空間高度變化呈線形分布，則水蒸氣濃度梯度值為0.35 g/kg×m，以室內工作區頂部為室內控制點參數為基準，送、排風點的含濕量分別為15.99g/kg、

20.75g/kg，這樣在焓濕圖上即可定出送風點O點的狀態為：t O=16.1℃，h O=57.1kJ/kg，dO=15.99g/kg，送風狀態點為機器露點；排風點P的狀態為：tP=33.7℃，h P=87.5kJ/kg，d P=20.75g/kg。室外空氣狀態點W：t W=31.5℃，t WS=25.3℃，相對濕度65%，h W=100kJ/kg。

送風量計算：L=3600W/Δd=3600×436.97kg/h/1.3 （20.75-15.99）g/kg=254217 m3/h，2.5.2章節中計算最小送風量能夠滿足要求。

2.5.5根據焓濕圖計算其余參數

館內設計容納2374人，新風按每人20 m3/h計算，則新風量為L w=20×2374=47480 m3/h，按50000 m3/h計取。則新風負荷：Q w=ρL w(hw-hp)=1.2×50000×(100-87.5)/3600=208kW

室內負荷：QN=ρL(hp-ho)=1.2×399714×(87.5-57.1)/3600= 2016.79kW；

則總負荷為：QZ=Qw+QN=1958kW；排風負荷：排風量與新風量基本相等，按50000 m3/h計取，QP=ρLP(h P-h O)=160.6kW。

根據焓濕圖得出總負荷為QZ’=ρLL(hC-hL)=2385.39kW，與前面計算基本相符。

2.6主要空調設備

2.6.1空調送風設備

為滿足置換空調送風要求和節能降噪，末端系統采用4臺額定風量為120000 m3/h的臥式空調機組，回風和新風混合后分別從4個墻角方向接入座椅送風管道。送風系統分為4部分，每部分送風量均等，并且送風距離較短。這樣以使每臺空調機組機外余壓較小且噪音較低。空調機組變頻調速控制。

2.6.2排風設備

在屋面重新均布設置6臺排風機，其具體布置位置同原有排風機，并改造原有排風機洞口和基礎，總排風量約50000 m3/h。

2.7風口的型式和布局

2.7.1送風口

置換通風（空調）的送風口布置應滿足以下要求：

①.工作區人員坐姿停留處，空氣流速v oz≤0.2 m/s；

②.布置置換送風口時，室內人員應在其擴散的平面臨近區以外處；

③.置換送風口不應布置在室內靠外墻或靠外窗處應盡可能布置在冷負荷集中處。

基于以上要求，本工程采用座椅旋流送風口，沿座椅下方均勻布置。階梯座椅下方砼板下傾斜的高大空間內設置靜壓箱。旋流風口安裝在階梯靜壓箱的垂直側面，其出風氣流呈旋轉氣流，旋轉氣流在旋轉過程中摻混周圍空氣，使旋轉氣流的速度和溫度迅速衰減，在人體坐姿腳踝處無吹風感。館內共采用4648個方形座椅旋流送風口，實測出風速度1.96m/s，人體坐姿穿短褲時腳踝處無吹風感，距風口0.3m處實測風速v=0.17 m/s。

2.7.2排風口和回風口

本工程排風口采用電動風口，設在室內最高處與排風機直接連接并于排風機聯鎖控制。回風口設在標高8.500處，高于熱力分層高度。

3　冬季運行

本工程冬季需要較大的熱負荷且比賽場館內無內外區，冬季不適合置換通風（空調）系統的運行。置換通風（空調）系統冬季只采用1臺空調機組變頻間歇運行供新風，并與排風機聯鎖控制運行。冬季運行時送風量略大于排風量，新風量折合換氣次數約為0.6次/h，對室內溫度無影響。館內供熱采用原有散熱器系統，冬季室溫能夠達到17℃左右。

4　 CFD校核

為了驗證設計計算，采用CFD專業模擬軟件AirPak2.0（Fluent公司）對比賽場館進行了穩態模擬。模擬中采用零方程建立模型，網格選用六面體網格，計算方法為有限體積離散法。模擬中邊界條件以及參數設置與設計條件保持一致。

模擬結果顯示，比賽場館內溫度分層非常明顯，工作區上部溫度不超過27oC；比賽場館內各點風速不大于0.20m/s，不會產生因風速較大而影響比賽。綜合溫度和風速兩方面，可以驗證本設計完全能夠保證工作區滿足比賽要求和舒適性要求。

5　結論

筆者介紹了某區體育館的置換通風（空調）系統的設計和計算方法，并采用CFD模擬方法對設計進行了校核，認為本設計能夠保證置換空調比賽要求和舒適性要求。本體育館置換通風（空調）系統于2013年4月完工并通過相關部門驗收，通近2年的實際運行效果良好，完全符合設計參數。

[1]陸耀慶.《實用供熱空調設計手冊》 （第二版）.

[2]中華人民共和國國家標準.《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012.

[3]全國民用建筑工程設計技術措施《暖通空調·動力》2009年版.

P217[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-393-2