體育館置換通風設計分析

劉 弘

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

0 引 言

置換通風是一種全新的通風方式，與以往的混合通風方式相比，置換通風可增強室內空氣流動，還可提高通風設備的熱舒適性[1]。以低速在室內空間下部送風，氣流呈現類似層流的活塞流狀態緩慢向上移動，到達一定高度時，受熱源和頂板的影響，發生紊流現象，產生紊流區。下部單向流動區和上部混合區是氣流產生熱力分層現象的兩種情況，空氣溫度場和濃度場在這兩個區域有非常明顯的不同特性：下部單向流動區存在一明顯垂直溫度梯度和濃度梯度，而上部紊流混合區溫度場和濃度場則比較均勻，接近排風的溫度和污染物濃度[2]。

1 置換通風空調設計

體育館的最大特點是普遍采用半透明屋蓋設計，陽光可透過體育館屋蓋射入場館內部，同樣，夜間屋蓋亦可透出室內的光。基于這種情況，體育館內的各種專業設備及管道不得安裝在體育館屋頂及室內上部空間區域內。所以，采用下部置換通風的空調方式是最具可行性的通風系統設計方案。體育館置換通風系統的設計人員應當結合體育館的實際空間布局，在每個觀眾席固定座位下設計一個443 mm×210 mm規格的置換通風口，將經過處理的冷空氣從固定通風孔以較低速度送入體育館室內，確保置換通風口的送風溫度在20 ℃以下，最高送風溫差不得超過4.5 ℃[3]。將冷空氣團送入體育館觀眾席內，并全面覆蓋觀眾席。冷空氣下沉進入體育館賽場中央，當冷空氣遇到熱源便會產生向上的對流氣流，將體育館內的熱濁空氣抬升至體育館頂層上部區域。由此使體育館外新鮮的空氣與室內回風混合，經過降溫處理后再送入大體育館內，人而形成垂直的溫度梯度。在體育館室內溫度及空氣的上升的作用下，溫度較高的渾濁空氣上升至體育館頂部，通過體育館頂端的通風機排出。相關的設計人員應當將體育館空調排風口設計在工作區或者是靠近工作區的上部區域，借助回風溫度和相對溫度濕度，有效消除工作區少量潛在的熱量負荷，而不是體育館內的余熱。

2 負荷與風量控制

人體散熱和設備散熱是體育館室內溫度及熱量聚集的主要原因，人體產生的熱量及呼出的水蒸氣在置換通風作用下往往分散于工作區域上部，再通過體育館屋頂排風口排出。因此在體育館置換通風設計過程中，將人體的潛在熱量及工作區外圍結構傳入熱量忽略不計，保證體育館內熱濕比接近∞。體育館半透明的屋頂設計相比于不透明的屋頂設計將熱量聚集得更多更快，在置換系統負荷及風量控制方面取者之間較大的數值，且體育館屋頂燈管散熱忽略不計。體育館的競賽廳不能設置通風口，所以置換通風口只能設計在觀眾席區域內。為消除競賽廳內積攢的熱量，需增加觀眾席的送風量，使冷空氣水平流向體育館競賽廳。體育館回風狀態點應設定在離觀眾席過道3.5 m高的位置范圍內，以保證回風溫度在25℃左右，且空氣相對濕度小于等于60%。參考置換通風設計數據資料可得，一般通風口的送風溫差要保持在2～4℃，但是在實際的體育館置換通風系統設置中，按照4℃送風溫差計算通風口風量，此時通風口聚集的風量要比預期的大，風管截面的尺寸也應隨之變大，所以需要將送風溫差控制在4.5℃左右。

3 通風末端設備與布置

在體育館中央競賽廳及觀眾席各設置一個空調機房，在每個空調機房安裝至少5臺空氣處理機。在此基礎上，每個機房內添設1臺新風處理機，由新風處理機將產生的新風輸送給5臺空氣處理機。利用自帶水泵改變回水溫度，實現空氣處理機的降溫處理。通風末端設備是機電一體化產品，機電安裝采購人員可結合體育館置換通風系統的設計方案及施工安裝技術要求進行招標采購。

4 自 控

國內大多數體育館的空氣處理機都是國產的機電一體化設備，其具備獨立的PLC控制單元，還包括傳感器、自動報警接口等。PLC控制單元的系統構成簡單，便于管理和操作，具有一定的可靠性。利用PLC控制單元發出的PID變頻指令可調節風機的轉速，以此實現調節回風溫度的目的。一旦過濾網前后壓差大于設定的標準值，PLC自動報警系統便會發出警示信號。當體育館空調機房內的空氣處理機處于停止運行的狀態時，新風門、回風門及冷水電動閥會立即恢復至全關位置。

5 運行效果及測試

體育館置換通風設備管理人員可結合體育館實際的通風散熱需求調整設備的回風溫度。不同時間段內的太陽輻射熱量是不同的。下午體育館內空場空席，在陽光的照射下溫度梯度逐漸變大，受較強太陽輻射的影響，觀眾席上部區域的空氣溫度會上升，所以白天體育館內觀眾席的送風量應持續加大。體育館觀眾席送風口的溫度及風速直接影響著觀眾的舒適感，因此有關人員應當反復試驗體育管置換通風系統的送風孔的口徑大小、開孔率及風口的風速，在保證體育館里溫度適宜的同時增加場館內新鮮空氣的流動。在沒有體育競賽或者是觀眾席空位的情況下進行置換通風系統運行測試，逐步調整機電設備及系統工程運行的參數設置，從而為運動員和廣大觀眾創造舒適的活動空間。

6 存在的問題與分析

目前，體育館置換通風系統設計還存在著諸多的問題，需要有關工作人員給予高度重視。置換通風空調系統設計的影響因素體現在以下4個方面：

(1)體育館空調置換通風系統設計參數不夠充分，缺少有效的設計參考依據。盡管系統原理構成簡單，但是在實際設計過程中，置換通風系統工作區內的余溫、空氣濕度及余熱等都是不可控的因素，現有的置換通風系統設計方案及資料沒有做出詳細的規劃，這在一定程度上增加了系統設計的難度。

(2)工作區的余溫、余熱、相對濕度和送風溫差等都影響著送風口送風量的計算結果。工作區上部空調系統風量是以體育館內余熱、余濕和恰當的送風溫差來衡量的。一般情況下，通風系統按此種方式計算，送風溫差設定為4℃，如此計算出的送風口送風量需增加50%左右。體育館主場館的送風量計算所選取的余熱值不應當是體育館室內的余熱，而是競賽場人員密集區停留產生余熱的顯熱部分。同時余濕值確定為0，由此設定置換通風系統送風溫差為4.5℃，通過這樣計算得出的送風量能夠滿足體育館降溫制冷的需求。在置換通風系統設計后續發展中是否存在更為科學合理的設計方案,還有待進一步研究。

(3)安裝置換通風系統首先應確保擁有充足的空間高度，利用空氣密度差，在體育館內部形成自下而上的空氣對流，如此才能達到更好的置換通風效果。相對比較大的空間高度，所對應的置換通風系統排氣口風更容易排走聚集于工作區上部的溫度高且濕度大的熱濁空氣。

(4)按照體育館內的活動類型及人員密集程度確定場館內的水平溫度梯度以及單位制冷負荷面積，若是有很多人員在體育館內活動，則需要加到置換通風系統的冷負荷中，以此實現更好的通風效果。

7 結束語

綜上所述，在體育館置換通風系統設計規劃過程中，有關人員需要充分考慮各種因素的影響，結合設計參數確定空調運行方式、通風末端設備與布置，加強負荷與風量控制及系統自控，以達到最佳的通風效果 。