北京市建筑設計研究院有限公司體育建筑研究中心  蔣帥

       【摘   要】本文從實際工程設計出發，結合大型體育空間特性，通過對實際案例方案介紹、設計分析并對空調系統進行模擬，提出一種高效節能并滿足室內設計工況的空調形式。首先，根據體育館內觀眾區及比賽區的空調送風方式和氣流組織進行設計分析與模擬計算；
通過對體育館空調比賽區采用一次回風全空氣系統、下供上回送風形式；觀眾區采用二次回風全空氣系統、座椅送風形式的空調系統模擬結果的分析得出：此送風方式滿足設計熱舒適性要求且空調直接作用于人員活動區，并且形成一定熱力分層，并通過CFD數據模擬，驗證此送風方案設計合理，該系統滿足濕熱不利氣候條件下的工況要求。

       【關鍵詞】體育館  氣流組織  置換送風計算流體動力學  

1 概述

       隨著近幾年體育事業的蓬勃發展，全民健身已逐步進入人們的日常生活。健身，運動已經跟我們的生活密不可分，發展體育事業，增強體魄，提高全民身體和精神文化素質是我們現階段發展的重要方向。體育文化事業關系著民族的發展，建設高品質、多功能、能結合日常全民健身的建筑及功能場所是我們迫在眉睫的需要。為響應國家號召，為體育事業的發展出謀劃策是我們建筑人需要承擔的義務跟責任。

       在此背景下，多功能的體育建筑應運而生，隨著場館功能的特殊性，承接球類運動，花樣滑冰、冰壺、文藝演出、展覽、商業匯演等各類活動。其內部空間結構復雜，空調系統也具有多種形式。建設低能耗，節能并滿足綠色建筑標準的比賽場館也是我們研究的方向。本工程建設在重慶市，屬夏熱冬冷地區，夏季濕度大，氣候炎熱。以此案例分析，具有代表性。結合本文所論述的氣流組織形式，此種送風方式直接作用于空調區域，驗證是否滿足設計工況。并且結合本場館空調水系統特點，選取合適的水系統。

       本文通過對體育館空調系統氣流組織設計分析及數據模擬，對體育館項目類型的工程設計提供設計及參考；并根據空調水系統實際運行情況及系統投資進行對比，對空調水系統選擇進行評價，得出結論。

2 體育館空調風系統設計

       2.1 體育館送風的理論及其應用

       體育館內部比賽區及觀眾區多數為單層大空間格局，其送風形式獨具特點。近年來建成的大型場館多數觀眾區采用座椅送風氣流形式，其座椅送風與傳統的空調送風方式不同，其送風射流方式對二者進行比較，其運動機理及流動規律不同，在室內變化也不同。因此，有必要進行分析及計算模擬才能設計使用。

       座椅送風一般認為是“置換送風 ”的通風方式。因此，對其研究按照“置換送風 ”進行研究。它是基于熱源（人體）與周圍空氣存在溫差、形成人體附近空氣與遠處空氣的密度差，從而在人體附近形成了不同于混合通風的較好的氣流組織。因而能在消耗較少能量的前提下，達到理想的空氣品質和效果。

       體育館內觀眾區池座及樓座空調區采用座椅送風，送風量，熱源位置、大小，空間高度，送風溫差等都會影響熱力分層高度，置換通風設計應力求使工作區處于下區之中以保證空氣質量。

       置換通風作為一種氣流組織形式，并不是任何一種下送風裝置都能實現的，也不是對任何地域的任何建筑都適用。因此，它有獨具的形成條件及適用條件。

       首先，要實現置換送風，設計中必須滿足低速，低溫差，低位送風和高位排風四個條件。送風器出風速度一般為0.3~0.5m/s,至人腳踝處不能超過0.2m/s，在地面上形成穩定的冷空氣層，空氣靠熱浮升力上升,使人沒有吹風感。送風溫度通常比室內設計溫度低2至4攝氏度，低溫空氣才能沉降在地面上，同時保證滿足熱舒適要求。不具備以上條件，只是一般的下送風方式，而非置換送風^[1]。

       置換通風一般應用于具有以下室內特點的房間。

       熱源以人員，設備，燈光為主且人員密度變化不大，人員多為坐姿，活動量較輕；

       污染源與熱源位置相近，濃度不大且穩定；

       房間空間層高較高，空間較大；能夠形成較好的氣流組織。

       后文案例工程座椅送風按座椅高度及區域分設池座空調系統及樓座空調系統；通過座椅后側梯座空腔做成土建靜壓箱（完善防火及保溫），在每個座椅下方處，開設150mm圓送風孔，經測試出風風速為0.4m/s(詳見CFD模型)；座椅送風系統采用全空氣二次回風系統，減小送風溫差，小溫差大風量送風口空氣22攝氏度左右；因觀眾區為體育館建筑物內區，不受外界圍護結構影響負荷較少，且室內污染源穩定，人員以坐姿為主；此座椅送風回風在此送風區域上方；基于以上幾點，設計計算時滿足置換通風形成的條件。

       2.2 工程案例及空調風系統方案

       項目是由重慶市政府主導建設的大型綜合室內體育建筑。建成后將為競技體育、商業體育、文藝演出、體育綜合配套的體育演藝及服務配套綜合體。該館將成為“升級版的五棵松體育中心”，將成為西南地區最大的、可舉辦NBA賽事的體育館。

       新建體育館為面積87449平米，能承擔1.6萬座的甲級體育館，建筑層數總計6層：地下1層，地上5層(不含夾層)，高度35米。比賽大廳為單層大空間設計，屋面鋼結構最高處到比賽場地地面40.2米。與其配套的賽事服務區（休息廳、衛生間、配餐間、觀眾服務售賣點等必要功能需求）圍繞比賽大廳布置，以為觀眾提供便捷的服務.

       本文以本項目進行案例驗證。本場館位于夏熱冬冷地區，夏季濕熱工況較為突出。以此工程研究比賽大廳采用一次回風全空氣系統，過渡季可實現75%全新風下側送風，人員疏散口上部回風，輔助上部機械排風；觀眾區采用二次回風全空氣系統，過渡季可實現75%全新風，座椅送風，分區域側上回風系統；能滿足設計需要的工況，且本文主要以比賽區及觀眾區作為研究對象進行實際工程分析及驗證。

       本工程室內外參數均按《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012及《體育建筑設計規范》JGJ31-2003中相應規范取值設計。

       2.3 觀眾區及比賽大廳送風形式及特點

       本工程人員坐席分為臨時活動看臺，池座固定看臺，樓座固定看臺。臨時活動看臺采用比賽場地全空氣一次回風系統，送風方式為下送上回式；池座固定看臺及樓座固定看臺采用全空氣二次回風系統，送風方式采用座椅送風上部回風。空調機房均設置在地下一層機房區域，因體育館為橢圓形結構，看臺圍繞比賽區域環繞一周。所以，地下一層空調機房均勻分布在地下一層各個方向。共設置10個空調機房，共21臺組合式空調機組，其中為比賽場地大廳服務4臺、一層觀眾區池座6臺、觀眾區四層樓座8臺、其余為南北大廳服務。

       比賽大廳場地下做一圈送風地溝，圍繞在比賽場地外圍做一圈送風溝，通過場地周圍夾壁墻上的送風口為場地送風，場地主入口上部回風。如下圖1.1所示。

 

       樓座觀眾區及池座觀眾區因高度位置不同，組合式空調二次回風系統分別設置座椅送風管道一層觀眾池座6臺，四層觀眾區設置8臺。空調風管道在一層頂板下及四層頂板下形成環狀送風管道，通過分支管道送到座椅下方后靜壓箱，提供座椅送風，頂部回風。以觀眾池座為例，如下圖1.2所示。

       觀眾區采用椅下送風方式能提高下部工作區的空氣質量；上回風方式能夠使風量全部通過上部帶走燈光及人員潛熱量。以下主要對座椅送風進行研究。

       考慮本工程不同高度的池座和樓座所受熱壓的影響，按照高度劃分不同的空調區域，分設空調機組系統，空調送風管道呈環狀互為備用，以便各區域座椅不同的送風量，使用時也能分別采用不同的送風量。

       體育館內觀眾區負荷見下表1-2。

       由此可見體育館內部負荷，主要為人體及新風負荷，滿足觀眾區域周邊活動空間范圍內空調的送風品質及溫度，是非常必要的。

       現以觀眾區樓座區域座椅送風計算為例，見焓濕圖2-1。

       N--室內點；N'--回風管道溫升點；W--室外點；C--一次混合點；L--露點；M--二次混合點；O--送風點

       1）風量關系:

       一次回風量:60566.627(m³/h) 二次回風量:101635.334(m³/h)

       總回風量:162201.96(m³/h)   新風量:70815(m³/h)（4721人、15m³/h）

       送風量:233016.96(m³/h)

       2）冷/熱負荷關系:

       室內冷負荷:694(kW)   送風管道溫升冷負荷:107.641(kW)

       新風冷負荷:550.499(kW)   回風管道溫升冷負荷:25.06(kW)

       空調機組承擔總耗冷量:1377.2(kW)

       3）濕負荷關系:

       室內濕負荷:131.51(g/s)   新風濕負荷:133.508(g/s)

       空調機組承擔除濕濕負荷:265.018(g/s)

       熱濕比:5277.2(kJ/kg)

       根據計算出的各參數物理量，輸入到體育館CFD模型中進行實際模擬，校核是否滿足設計參數，對夏季工況進行模擬；

3 體育館CFD模型計算

       3.1 控制方程

       結合本文實驗中氣流狀況，首先對物理模型建立如下假設：

       ① 空氣為不可壓縮常物性牛頓流體且處于穩態流動；

       ② 考慮到空氣的浮升力，對空氣密度引入Boussinesq假設；

       ③ 使用理想氣體方程；

       ④ 輻射供冷壁面溫度分布均勻，各向發射率相同。

       由于本文涉及到的流體均為不可壓縮粘性流體，則控制方程為：

       (1) 連續性方程

     

       (2) 動量守恒方程

       

       (3) 能量方程

       

       其中，

       式中，u_i—流場中某點速度，m/s；μ—流體動力粘性系數，m²/s；p—流體質點所處位置的平均壓強，Pa；ρ—密度，kg/m³；T —溫度，K；λ—流體導熱系數，W/(m·K)；cv—定容比熱，J/（kg·K）。

       3.2 幾何模型

       本文中實驗房間的功能屬性為體育建筑，以重慶地區夏季的室外氣象參數為依據，并根據《輻射供暖供冷技術規程》（JGJ142-2012）中規定，室內設計溫度為26℃，相對濕度為60%。根據實際情況將該實驗房間做合理簡化，忽略體育館中次要因素，在此基礎上建立幾何模型如圖3-1所示。

       3.3 網格劃分

       該模型面網格及體網格分別采用三角形及非結構四面體劃分，對于送回風口等部位進行局部加密。節點數為1486127個，格數為8488953個。

       3.3.1 邊界條件

       由于體育館中空間均與室內空調房間相鄰，故忽略戶間傳熱，采用第二類邊界條件，設定墻體熱流密度值為0。根據實測數據，體育館屋面采用convection邊界類型，設定室外溫度為35.5℃，屋面傳熱系數為0.4。室內的人體簡化為穩定面熱源，熱流密度值為200 W/m²。座椅及場心送風口邊界條件類型為velocity inlet，風速分別為0.3m/s與5.0m/s，溫度分別為22℃與19℃。回風口均采用outflow邊界條件類型。

       3.4 模擬結果及分析

       3.4.1 溫度場

       由圖可看出，觀眾區為人員負荷集中區域，該區域采用座椅送風，溫度可達到26-27℃，滿足設計要求。同時池座區域溫度相對較低，這是因為樓座區冷空氣密度較低從而向下流動導致。在場心區域，溫度低于周圍環境的送風由風口送出，該區域溫度分布較為均勻，平均溫度為26℃，滿足設計要求。而在場心比賽以及觀眾區域以外，溫度較高，其中在靠近屋頂位置溫度這一趨勢更明顯，這是因為靠近該位置區域由于設備、屋頂負荷及大空間高度熱力分層等影響導致。

       采用座椅送風及下送風方式，在場館內形成下冷上熱的熱力分層，人員負荷集中區域溫度滿足熱舒適性要求，而其余非人員停留區域溫度相對較高，有利于空調系統的節能，此種系統滿足系統設計溫度工況。

       3.4.2 速度場

       由圖可看出，送風氣流貼附地面由房間下部送風口送出，一部分擴散至回風口，而一部分擴散至外墻處，在壁面附近形成氣流漩渦，卷吸周圍空氣，產生浮升力而逐漸向房間上部聚集。而離風口較遠的空氣速度則無明顯規律，較為混亂。在房間熱源及供冷端之間有氣流的漩渦，空氣隨送風氣流擴散至墻壁，同時由于熱源處空氣產生的浮升力使熱空氣上升從而產生渦流。風速場分布較為均勻且均在熱舒適范圍內。

       3.5 結論

       對體育館空調采用比賽區采用一次回風全空氣系統、下供上回送風方式；觀眾區采用二次回風全空氣系統、座椅送風方式，能形成很好的氣流組織和形成條件并對空調形式下的溫度場和速度場進行模擬，并對模擬結果進行分析可知。在該種空調送風形式下，觀眾區溫度可達到26-27℃，比賽場地平均溫度為26℃，比賽場地以及觀眾區域以外，溫度相對較高，可達到29℃，基本設計工況及節能設計要求。觀眾區的空氣流速均較小，在0.3m/s以下，符合ASHRAE標準規定的熱舒適性要求。另一方面采用此種送風方式，直接將空調送風供給到人員活動區域，形成熱力分層，能夠滿足高濕熱地區空調設計工況，避免大空間無效區域能源消耗，從而達到節能目的。

參考文獻

       （1）孫敏生 王威 萬水娥.國家大劇院觀眾廳空調系統和氣流組織方式的設計和分析暖通空調，2003年第33卷第3期

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。