氣流組織形式對體育館建筑室內熱舒適影響的研究

高強 李帆

（中國建筑科學研究院有限公司，北京100013）

0 引言

隨著人們健康舒適意識的加強，對室內熱環(huán)境的舒適性要求越來高[1]，而空調系統(tǒng)是調節(jié)室內熱環(huán)境最常用的方法。一幢現(xiàn)代化的體育建筑必須具有良好的空調設施，特別是對于比賽大廳而言，其空調設施更是體育建筑設計的重點，而室內氣流組織又是決定體育建筑比賽大廳空調設計成敗的關鍵之一[2]。合理的氣流組織形式既可以使館內空氣分布滿足比賽和觀眾的要求，同時又能保證空調系統(tǒng)能耗較低，因此，室內氣流組織成為空調系統(tǒng)設計必須認真考慮的重點問題。

本文利用計算流體力學模擬軟件CFD（Computational Fluid Dynamics）對不同氣流組織形式下人體熱舒適問題進行了模擬研究。

1 物理模型

本文以北京某高校體育館作為物理原型來進行研究。該體育館主場館長、寬、高尺寸為105 m×76 m×18.4 m，比賽區(qū)為60 m×40 m，觀眾坐席約8 000個。

考慮到該場館的對稱性以及模型的簡化處理，本次模擬取該場館的一半，其尺寸為105 m×38 m×18.4 m，同時設置回風口在環(huán)境溫度條件下回風[3]。

觀眾席階梯模型數(shù)據(jù)由設計院圖紙做參考（圖1），并按CFD軟件進行簡化。

圖1 比賽大廳CAD基礎模型圖

經(jīng)過簡化的基礎模型圖如圖2所示。

圖2 合理簡化后的基礎模型圖

在本文的研究中，考慮了如下三種典型的體育場館氣流組織形式（表1）。

表1 典型的氣流組織形式

2 湍流模型和邊界條件

計算中，湍流模型采用k-ε模型[4]，計算用網(wǎng)格體系為結構化網(wǎng)格。通過網(wǎng)格無關解檢驗，最終選擇計算網(wǎng)格數(shù)目為250萬。計算中，送風口設置為速度入口，風口處速度依據(jù)送風量及風口面積確定，回風口設為壓力出口，其壓力、溫度為環(huán)境溫度及環(huán)境壓力。采用Simple算法求解離散方程。

3 模擬結果及分析

針對三種方案，對速度場、溫度場和熱舒適性進行對比分析。

3.1 速度場對比分析

取Y=5 m的截面，分別分析三種方案的速度場云圖和矢量圖。

通過圖3、圖4可以看出，采用方案一、二的情況下，體育館內存在少部分區(qū)域位于送風口下方，導致送風速度稍高，會使人產(chǎn)生不適的吹風感。

通過圖5可以看出，采用方案三的情況下，送風氣流在觀眾區(qū)域和比賽區(qū)域速度場均勻，氣流組織分布合理。

3.2 溫度場對比分析

圖6為采用不同送風溫度時，人員活動區(qū)域（觀眾席區(qū)域高1.1 m及比賽場地高1.5 m以下的區(qū)域）的平均溫度。

從圖6可以看出，采用方案一時，送風要承擔整個館內的負荷，需要較低的送風溫度才能滿足人體對熱舒適性的要求，理想送風溫度為20℃，此時觀眾席區(qū)及比賽場區(qū)的溫度基本維持在25℃左右。

采用方案二時，側送風大部分承擔觀眾席區(qū)域的負荷，與方案一相比，頂送風承擔的負荷減少，送風到達人員活動區(qū)的損耗減少，此時人員活動區(qū)的溫度比送風溫度約高出3℃，比較理想的送風溫度為21℃，此時觀眾席區(qū)及比賽場區(qū)的溫度基本維持在24.5℃左右。

圖3 方案一速度矢量及云圖分布（Y=5 m）

圖4 方案二速度矢量及云圖分布（Y=5 m）

圖5 方案三速度矢量及云圖分布（Y=5 m）

采用方案三時，座椅送風只承擔觀眾的負荷，理想的送風溫度為22℃，此時觀眾席區(qū)及比賽場區(qū)的溫度基本維持在25℃左右。

所以，對于體育館類高大空間建筑來說，由于人員活動區(qū)域只是整個建筑空間的其中一部分，若采用單一頂送的空調方式把整個場館作為空調對象，就會不可避免地出現(xiàn)冷量浪費。所以，應盡量采用不同送風方式相結合的方式送風，這樣可以提高送風溫度，從而節(jié)約能耗。

3.3 熱舒適性對比分析

圖7為不同送風溫度時，三種送風方式PMV和PPD之間的對比。

圖7 不同送風溫度人員活動區(qū)PMV和PPD

圖6 不同送風溫度人員活動區(qū)溫度

由圖7可知，對于方案一，采用18℃的送風溫度時，人員活動區(qū)的PMV約為-1.05，PPD約為28%，觀眾會產(chǎn)生一定的冷感，熱舒適性較差，而且為降低送風溫度浪費了更多的能量；送風溫度為20℃時，人員活動區(qū)的PMV約為0.35，PPD約為7.5%，此時人體熱舒適性適宜，較好地滿足了ISO 7730標準。此后隨送風溫度的升高，人體熱感覺明顯增強，熱舒適性下降。

對于方案二，采用20℃送風溫度時，人員活動區(qū)的PMV約為-0.2，PPD約5.8%，此時人體熱舒適性適宜，較好地滿足了ISO 7730標準。當采用22℃送風溫度時，人員活動區(qū)的PMV約為0.75，PPD約17%，PMV及PPD變化顯著，人體熱舒適性下降。

對于方案三，采用22℃送風溫度時，人員活動區(qū)的PMV約為0.1，PPD約5.2%，較好地符合了ISO 7730標準。

4 結論與展望

本文用CFD模擬了在不同氣流組織形式下不同送風溫度的溫度場、PMV、PPD等，并對其進行了熱舒適性參數(shù)比較，得出了以下結論：

（1）上送下回送風系統(tǒng)、上送+側送下回送風系統(tǒng)都存在局部區(qū)域風速較高的情況，會使人產(chǎn)生吹風感；采用座椅送風系統(tǒng)時，一定不能采用較低的送風溫度，以防人員產(chǎn)生冷感。

（2）對于體育館類高大空間建筑來說，人員活動區(qū)域只是整個建筑空間的其中一部分，所以，應盡量采用對觀眾區(qū)和比賽區(qū)分別送風的分區(qū)送風方式，這樣既滿足了比賽的要求，又滿足了人員的舒適性要求。

（3）座椅送風能為人員活動區(qū)域提供較為理想的溫度場、PMV-PPD場等，同時在設計溫度要求相同的情況下，采用座椅送風的方式，其送風溫度比其他送風方式可以高出2℃，這樣座椅送風方式的空調系統(tǒng)能耗就相對較低，所以在設計方案都滿足要求時，采用座椅送風比較好。

該體育館在方案設計階段進行了以上三種氣流組織形式的對比和論證，最終采用了方案三，即座椅送風高位回風的空調系統(tǒng)氣流組織形式，建成后獲得了較好的使用效果。

[1]徐小林，李百戰(zhàn).室內熱環(huán)境對人體熱舒適的影響[J].重慶大學學報（自然科學版），2005，28（4）：102-105.

[2]王高升，林豹.某體育館比賽大廳氣流組織數(shù)值模擬研究[J].制冷，2010，29（3）：62-67.

[3]張歡，楊尚一，由世俊，等.體育館空調氣流組織的CFD模擬研究[J].暖通空調，2008，38（3）：87-90.

[4]NIELSEN P V.Selection of turbulence models for prediction of room airflow[J].Ashrae Transactions,1998,104(Part 1B):1119-1127.