某體育場館氣流組織分析

談孜超，方 舟，姜穎霞（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)運動的護航建筑“體育館”逐漸成為當(dāng)下公共建筑的一種重要類型。體育館類建筑作為大空間類建筑，不僅需要滿足形體的美觀，還要滿足人們對室內(nèi)熱舒適性要求的提高。因此，預(yù)測和研究大空間室內(nèi)氣流組織的分布，有助于設(shè)計人員更好地優(yōu)化設(shè)計方案。

氣流組織設(shè)計通過合理組織室內(nèi)空氣流動，使得空氣溫濕度及風(fēng)速等設(shè)計參數(shù)符合設(shè)計要求。氣流組織的設(shè)計效果不僅影響室內(nèi)環(huán)境舒適度，更加影響著暖通空調(diào)的運行效果。通常，房間氣流組織的影響因素主要包括風(fēng)口型式、數(shù)量、位置、室內(nèi)熱擾、房間幾何尺寸等。當(dāng)前應(yīng)用于暖通空調(diào)專業(yè)及室內(nèi)空氣品質(zhì)方面的預(yù)測方法為計算流體動力學(xué)（CFD）。CFD 軟件可以通過數(shù)值模擬，預(yù)測室內(nèi)速度場和溫度場，利于不同方案比選，對后期運行效果、實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計有著重要意義。

為使室內(nèi)熱環(huán)境更為舒適，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量室內(nèi)氣流組織實測和模擬相關(guān)研究。本文利用 CFD 模擬軟件，對某體育館的氣流組織進行分析，為優(yōu)化體育館的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與運行提供建議。

1 分析優(yōu)化目標(biāo)

氣流組織模擬分析目的是根據(jù)室內(nèi)溫濕度參數(shù)、允許風(fēng)速、噪聲標(biāo)準(zhǔn)、溫度梯度及空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）等要求，優(yōu)化室內(nèi)氣流組織設(shè)計。

優(yōu)化對象包括以下內(nèi)容：

（1）自然通風(fēng)、機械通風(fēng)或混合通風(fēng)的形式選擇；

（2）送排風(fēng)位置、風(fēng)口選型、送風(fēng)參數(shù)等確定；

（3）復(fù)雜空間氣流組織的設(shè)計驗證。

體育場館類的一般空調(diào)屬于舒適性空調(diào)。通過合理設(shè)計，使得室內(nèi)氣流組織不僅使館內(nèi)空氣分布符合要求，也可保證館內(nèi)空調(diào)方案的節(jié)能。

2 項目概況

項目位于四川省，為乙級大型體育館，總建筑面積約2.5 萬 m2，高度 27 m，體育館共有 3 150 座固定坐席，1 230 座活動座席。該場館主要為省、市級比賽服務(wù)，平時為市民體育休閑、文藝演出、大型集會等活動使用場地。

本項目在比賽場館設(shè)置一次回風(fēng)雙風(fēng)機全空氣系統(tǒng)+排風(fēng)系統(tǒng)。夏季開啟電動水閥，新風(fēng)閥開啟（根據(jù)最小新風(fēng)比設(shè)定），排風(fēng)機開啟。在過渡季關(guān)閉電動水閥，新風(fēng)閥開至最大，排風(fēng)機開啟，以實現(xiàn)全新風(fēng)運行。送風(fēng)方式采用座椅送風(fēng)（下送風(fēng)）及場邊側(cè)送風(fēng)，后側(cè)回風(fēng)，頂部排風(fēng)加排煙。

本次分析模型僅建立需要分析的比賽場館模型，不考慮在本次分析范圍外的其他區(qū)域。

3 模擬基本方法

3.1 常用模擬工具

室內(nèi)氣流組織模擬法一般采用 CFD 工具，如CFdesign、Fluent、CFX、PHOENICS 等。

CFdesign 由 AutoCAD 公司開發(fā)，主要基于有限元的方法生成劃分網(wǎng)格，確保一些復(fù)雜模型能夠自動和迅速的生成網(wǎng)格。屬于前端 CFD 軟件，可供無 CFD 背景的設(shè)計工程師使用。

Fluent 及 CFX 均屬于 ANSYS 公司。Fluent 基于有限體積法，高效解決各個領(lǐng)域復(fù)雜流體計算問題。需要與 ICEM CFD、GAMBT 網(wǎng)格劃分等前處理軟件配合使用。CFX 基于有限元的有限體積離散方法，精度比較高，物理模型豐富，功能強大。

PHOENICS 采用有限體積法對控制方程進行離散處理。基于該軟件，用戶可最大限度使用其內(nèi)部程序，并且能夠根據(jù)實際需要，添加和修改相應(yīng)的程序及模型。

3.2 邊界條件設(shè)置

3.2.1 設(shè)計參數(shù)

冬夏季空調(diào)室外、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)設(shè)置主要如表 1 所示。

表 1 冬夏季室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)表

3.2.2 室內(nèi)熱源設(shè)置

體育場館類建筑對空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生影響的室內(nèi)熱源主要來自兩方面：一是人體，二是照明。在座椅送風(fēng)模型計算時，設(shè)置人體表面熱源為每人 130 W，人體暴露于空氣中的表面積為每人 1.55 m2，從而計算可取單個人體表面熱流密度為83.7 W/m2。仿真計算時，將該散熱量均勻分布在人體所在的空間區(qū)域上(人體尺寸按照 GB 10000—1988 《中國成年人人體尺寸》設(shè)置)，使其在控制方程中作為一個能量源項進行數(shù)值計算。

進行照明熱源仿真計算時，按 GB 50189—2015 《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，取照明功率密度為 10 W/m2。

4 結(jié)果及分析

輸出的模擬計算結(jié)果為溫度分布和速度分布。為了分析模擬結(jié)果，選取兩個典型的斷面：人員活動區(qū)的截斷面，經(jīng)過進風(fēng)口和回風(fēng)口中心的縱向截斷面。

4.1 冬季工況分析

圖 1 和圖 2 分別是場館縱向截斷面的溫度場和速度場分布圖。圖 3 是人員活動區(qū)速度場分布圖。

圖 1 場館內(nèi)縱向截面溫度場分布圖

圖 2 人員活動區(qū)溫度場分布圖

圖 3 場館內(nèi)縱向截面速度場分布圖

（1）氣流速度。比賽場區(qū) 9 m 高度范圍內(nèi)絕大部分區(qū)域風(fēng)速在 0.15～0.50 m/s 之間，可滿足籃球及排球比賽要求。但進行乒乓球或羽毛球比賽時，比賽場地的風(fēng)速不得超過 0.2 /s，故該場地的氣流速度不滿足羽毛球比賽的要求。觀眾區(qū)風(fēng)速大部分在 0.35～0.50 m/s 之間，局部達到0.80 m/s，基本滿足規(guī)范要求。

（2）溫度分布。由于冬季送熱風(fēng)，空氣密度隨著溫度升高而變小，熱空氣上升，導(dǎo)致觀眾區(qū)沿高度方向溫度分層明顯。比賽區(qū)氣流溫度分布均勻，為 22 ℃ 左右。

4.2 夏季工況分析

圖 4 和圖 5 分別是場館縱向截斷面的溫度場和速度場分布圖。圖 6 是人員活動區(qū)速度場分布圖。

圖 4 場館內(nèi)縱向截面溫度場分布圖

圖 5 人員活動區(qū)溫度場分布圖

圖 6 場館內(nèi)縱向截面速度場分布圖

（1）氣流速度。比賽場區(qū) 9 m 高度以下多數(shù)區(qū)域風(fēng)速在 0.15～0.5 m/s 之間，滿足進行籃球、排球大球比賽的要求。但在羽毛球、乒乓球比賽時，比賽場地的風(fēng)速不得超過0.2 m/s，故該場地的氣流速度不滿足羽毛球比賽的要求。觀眾區(qū)氣流速度為 0.4 m/s，吹風(fēng)感在較舒適的水平，基本滿足規(guī)范。

（2）溫度分布。在場館比賽區(qū)，下層冷射流不斷向外進行擴散，同時卷吸周邊相對較高溫度的熱空氣，使得射流具備的動量持續(xù)減小，因浮力作用，射流開始向上流動。在熱氣流上升過程中，繼續(xù)卷吸因屋頂天窗和燈光得熱產(chǎn)生的熱空氣，使得氣流溫度持續(xù)增加，最高可達 35 ℃，而后通過屋頂排風(fēng)口排出。但是由于場館層高較高，夏季屋頂溫度高于設(shè)計值，并不能保證體育館的整體舒適性，而夏季降低送風(fēng)溫度則會大大提高空調(diào)能耗，且不利于體育賽事的正常進行。觀眾區(qū)溫度在 26～27 ℃ 之間，滿足舒適性要求。

5 結(jié) 語

本文基于 CFD 方法，針對某體育場館采用的“座椅送風(fēng)+頂部回風(fēng)”方式，數(shù)值模擬了場館內(nèi)的氣流組織形式，獲得了場館內(nèi)送風(fēng)末端的速度場和溫度場的分布，主要結(jié)論如下：

（1）在冬季和夏季工況的送風(fēng)模式下，體育場館內(nèi)氣流分布整體均勻，滿足人體舒適度要求。由于采用了座椅送風(fēng)（下送風(fēng)）及場邊側(cè)送風(fēng)，后側(cè)回風(fēng)，頂部排風(fēng)方式，當(dāng)觀眾人數(shù)很多，總的人體散熱量較大時，直接從座椅下方送出冷空氣，從而使觀眾周邊的空氣能夠以最快速度進行冷卻，提供觀眾最清新空氣，有效避免了上送風(fēng)方式可能會導(dǎo)致的熱污氣流吹向觀眾的現(xiàn)象。

（2）比賽區(qū)域風(fēng)速的控制。進行乒乓球、羽毛球等小球比賽時，賽區(qū)氣流速度控制要求將非常嚴(yán)格，導(dǎo)致賽區(qū)風(fēng)速難以控制。本文采用座椅送風(fēng)旋流風(fēng)口，送風(fēng)溫度為20 ℃，送風(fēng)速度 0.5 m/s 時，比賽活動區(qū)氣流速度在 0.15～0.5 m/s 之間，不滿足風(fēng)速要求，需要降低風(fēng)速。

（3）冬季送熱風(fēng)，空氣密度隨著溫度升高而變小，熱空氣上升，導(dǎo)致底部活動區(qū)域溫度偏冷，形成明顯的分層現(xiàn)象。

（4）由于場館層高較高，夏季工況下，屋頂溫度高于設(shè)計值，不能保證體育館的整體舒適性，建議增加排風(fēng)口的設(shè)置或者合理的降低層高。