寧德某體育館氣流組織模擬分析

蔡滎熒 張 旭* 張曉明 潘欣鈺

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院2中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

寧德某體育館氣流組織模擬分析

蔡滎熒1張 旭1* 張曉明2潘欣鈺2

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院2中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

本文以寧德某體育館為例，針對(duì)比賽場(chǎng)館的特殊要求，利用Airpak數(shù)值模擬的手段，對(duì)體育館比賽大廳（包括比賽區(qū)和觀眾區(qū)）在典型夏季條件下有觀眾時(shí)的氣流組織進(jìn)行模擬，分析熱舒適性，并分別對(duì)比送風(fēng)量，噴口送風(fēng)角度以及有無(wú)活動(dòng)座椅對(duì)比賽區(qū)域風(fēng)速和溫度的影響，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為多功能體育館的室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供一定的理論依據(jù)。

體育館 氣流組織 數(shù)值模擬

0 引言

隨著人民生活水平的提高，全民運(yùn)動(dòng)以及各大體育賽事都在我國(guó)熱烈展開(kāi)，我國(guó)對(duì)各類體育設(shè)施，特別是體育館建設(shè)的投入不斷加大。人們對(duì)體育館等這種高大空間結(jié)構(gòu)建筑的室內(nèi)環(huán)境要求也越來(lái)越高。體育館建筑屬于大空間建筑，體積大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量大，人員、燈光密集，空調(diào)負(fù)荷較大，該類建筑應(yīng)滿足健康、舒適、能源有效利用和環(huán)境保護(hù)等方面的要求[1]。同時(shí)體育館不同區(qū)域有不同的氣流組織要求，如比賽場(chǎng)地通常對(duì)速度要求比較嚴(yán)格，尤其是進(jìn)行乒乓球等小球比賽的情況；而觀眾區(qū)通常要求速度溫度的分布滿足人體熱舒適要求。

本文中采用的送風(fēng)方式為上部噴口送風(fēng)（角度可調(diào)）以及矩形風(fēng)口送風(fēng)，中下部回風(fēng)，利用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)是否滿足比賽區(qū)域的風(fēng)速要求以及人員區(qū)域的熱舒適性，通過(guò)調(diào)節(jié)噴口的送風(fēng)角度，變頻風(fēng)機(jī)改變送風(fēng)量對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)比分析。

1 體育館及空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)概況

本體育館主要用來(lái)舉行各類球類比賽（包括大球和小球），它的核心區(qū)域?yàn)楸荣惔髲d，包含了比賽區(qū)和觀眾區(qū)，可容納3000人左右，是小型綜合性體育館，屬于高大空間。

根據(jù)表1體育館比賽大廳空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表中的要求[2]，本體育館的夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度取26℃，相對(duì)濕度取60%。根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736-2012）[3]，寧德的夏季室外空調(diào)計(jì)算溫度為30.9℃。計(jì)算的空調(diào)總送風(fēng)量為111600m3/h，總的回風(fēng)量為72000m3/h，新風(fēng)量為39600m3/h，新風(fēng)比為35%。

表1 體育館比賽大廳空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 模型建立

2.1 幾何模型

對(duì)體育館部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，體育館西北角為坐標(biāo)原點(diǎn)，體育館長(zhǎng)80m（X方向），寬40m（Z方向），高20m（Y方向）。該模型包含有活動(dòng)座椅，并簡(jiǎn)化為高度遞增的矩形，并設(shè)有熱源（活動(dòng)座椅上人員負(fù)荷），藍(lán)色的圖形分別為圓形噴口和矩形送風(fēng)口，頂部和中部的綠色矩形分別為排風(fēng)口和回風(fēng)口，各風(fēng)口的參數(shù)如表2所示。頂部的8個(gè)綠色長(zhǎng)條矩形為簡(jiǎn)化的照明。體育館模型左側(cè)有1個(gè)斜面為簡(jiǎn)化的觀眾席，右側(cè)有2個(gè)斜面分別為主席臺(tái)和觀眾席，如圖1所示。

圖1 體育館模型圖

表2 各風(fēng)口送風(fēng)參數(shù)設(shè)置

2.2 邊界條件

1）寧德的夏季室外空調(diào)計(jì)算溫度為30.9℃，室內(nèi)溫度取26℃。

2）外墻，屋頂定熱流。體育館的外墻傳熱系數(shù)K=1.3W/(m·2K)，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)為K=0.52W/(m2·K)，內(nèi)墻無(wú)熱流。

3）人體負(fù)荷按極輕勞動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，26℃條件下成年男子的顯熱散熱量73W/m2計(jì)算，群集系數(shù)為0.92計(jì)算[4]。將人體負(fù)荷簡(jiǎn)化到左右兩側(cè)斜面上。

4）按電氣專業(yè)設(shè)計(jì)資料，照明總負(fù)荷為121.465kW，化簡(jiǎn)成8組長(zhǎng)×寬×高為39.802m×0.93m× 0.25m的模塊[5]。其中，中間四組的負(fù)荷為18156.25W，其余四組的負(fù)荷為12177.7W。 2.3網(wǎng)格劃分

Airpak中網(wǎng)格劃分是通過(guò)選擇網(wǎng)格類型，設(shè)置網(wǎng)格尺寸參數(shù)，直接生成體網(wǎng)格，但需要對(duì)風(fēng)口等重要位置進(jìn)行局部加密，提高網(wǎng)格質(zhì)量。

本文的體育館模型設(shè)定X、Y、Z方向的最大尺寸為0.6m，采用Hexa cartesian網(wǎng)格類型，對(duì)風(fēng)口處每個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行了設(shè)定（圖2為左視方向風(fēng)口處網(wǎng)格），模型總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為3907902，網(wǎng)格質(zhì)量為0.647。

圖2 左視方向風(fēng)口處網(wǎng)格

2.4 模擬結(jié)果

以上邊界條件，噴口向下10°送風(fēng)的工況（水平風(fēng)速為10.537m/s，垂直風(fēng)速為1.858m/s）作為標(biāo)準(zhǔn)工況，采用k-ε方程進(jìn)行計(jì)算，比賽區(qū)域及觀眾區(qū)的溫度和風(fēng)速模擬結(jié)果如圖3和圖4。

從圖3和圖4可知，在此種工況下，比賽區(qū)域1.5m高度溫度大致在23℃，在活動(dòng)座椅附近溫度較高，最大達(dá)到27℃。風(fēng)速最大出現(xiàn)在偏右側(cè)，最大值為0.28m/s，噴口側(cè)送與矩形下送風(fēng)組合，冷風(fēng)更易送到下部比賽區(qū)域，比賽區(qū)域的溫度更加低，但會(huì)導(dǎo)致比賽區(qū)域的風(fēng)速偏高。

由圖5和圖6所示的右側(cè)觀眾席的溫度在25℃左右，在噴口射流區(qū)的溫度較低，風(fēng)速較大，最大處達(dá)到1m/s以上，觀眾的吹風(fēng)感明顯。為了簡(jiǎn)化截圖，只在觀眾席上部1.5m處做了一個(gè)大截面，所以右側(cè)截面距主席臺(tái)較遠(yuǎn)，不能很好地反應(yīng)主席臺(tái)處溫度和風(fēng)速，實(shí)際風(fēng)速要比截圖中小。

圖3 1.5m高度處比賽區(qū)域溫度分布圖

圖4 1.5m高度處比賽區(qū)域速度矢量圖

圖5 右側(cè)觀眾席附近溫度分布圖

圖6 右側(cè)觀眾席附近速度矢量圖

3 變工況分析

3.1 噴口角度改變

由于體育館的面積很大，利用頂部送風(fēng)不能將空氣均勻送到或達(dá)不到效果時(shí)，這種情況考慮安裝噴口在側(cè)面送風(fēng)，該體育館的送風(fēng)采用的是球形噴口側(cè)送風(fēng)與矩形風(fēng)口送風(fēng)（側(cè)送和下送）組合的方式，在送風(fēng)與室溫溫差不斷發(fā)生變化的情況下，送風(fēng)氣流將向上（熱風(fēng)）或向下（冷風(fēng)）偏移，且送風(fēng)方向還可能受外部因素干擾，所以球形噴口設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)方式，送風(fēng)方向可以在±30°的范圍內(nèi)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，還可根據(jù)需要提供氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行器。

通過(guò)對(duì)比以下兩種工況（表3）來(lái)分析噴口角度對(duì)比賽區(qū)域和觀眾區(qū)域風(fēng)速的影響。以上兩種工況的模擬結(jié)果表明，噴口角度的改變對(duì)1.5m高處比賽區(qū)域的風(fēng)速影響并不大，但對(duì)觀眾區(qū)域的風(fēng)速影響較大，根據(jù)觀眾區(qū)的速度云圖，選取左側(cè)觀眾席中速度較大區(qū)域一條特征直線上速度的大小來(lái)進(jìn)行對(duì)比，該特征值線在觀眾席以上1.2m，即觀眾頭部區(qū)域，方向?yàn)閆軸方向。

表3 變角度工況設(shè)置

從圖7可知，當(dāng)噴口向下10°送風(fēng)時(shí)，部分觀眾頭部所在高度處在噴口的射流區(qū)域，最大風(fēng)速達(dá)到1m/s，有很強(qiáng)的吹風(fēng)感，整個(gè)觀眾區(qū)的風(fēng)速分布非常不均勻。而當(dāng)噴口水平送風(fēng)時(shí)，整個(gè)觀眾區(qū)不在噴口射流區(qū)，風(fēng)速均在0.3m/s以下，分布較均勻，觀眾無(wú)吹風(fēng)感。

圖7 噴口送風(fēng)角度對(duì)觀眾區(qū)特征直線上速度大小影響的對(duì)比

3.2 送風(fēng)量改變

由于該體育館需要進(jìn)行小球比賽，所以對(duì)于比賽區(qū)域的風(fēng)速要求較為嚴(yán)格，需要在0.2m/s以下，通過(guò)采用變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，對(duì)比以下兩種工況（表4），分析風(fēng)量對(duì)比賽區(qū)域風(fēng)速及溫度的影響。以上兩種工況的模擬結(jié)果顯示，風(fēng)量減小為75%后，比賽區(qū)域及觀眾區(qū)的平均溫度均升高了近2℃，仍在表1中對(duì)溫度要求的范圍內(nèi)，風(fēng)速也有所下降，重點(diǎn)考慮對(duì)比賽區(qū)域風(fēng)速的影響。根據(jù)比賽區(qū)的速度云圖，選取1.5m高度處速度較大區(qū)域一條特征直線上速度的大小來(lái)進(jìn)行對(duì)比。

表4 變風(fēng)量工況設(shè)置

從圖8可知，比賽場(chǎng)地的兩側(cè)區(qū)域風(fēng)速較大，在100%風(fēng)量下，最大風(fēng)速已接近0.3m/s，中間區(qū)域也有部分超過(guò)0.2m/s。風(fēng)量較少為75%，整體的風(fēng)速均有下降，比賽場(chǎng)地的中間區(qū)域風(fēng)速均在0.2m/s以下，能夠滿足小球比賽的要求。

圖8 送風(fēng)量對(duì)比賽區(qū)特征直線上速度大小影響的對(duì)比

3.3 有無(wú)活動(dòng)座椅

該體育館在進(jìn)行預(yù)賽時(shí)，不需要設(shè)置活動(dòng)座椅，在總決賽時(shí)才會(huì)擺上活動(dòng)座椅，所以對(duì)有無(wú)活動(dòng)座椅對(duì)比賽區(qū)域風(fēng)速影響的研究是有必要的。設(shè)置以下兩種工況（表5）進(jìn)行對(duì)比研究。

表5 有無(wú)活動(dòng)座椅變工況設(shè)置

根據(jù)比賽區(qū)的速度云圖，選取1.5m高度處速度較大區(qū)域一條特征直線上速度的大小來(lái)進(jìn)行對(duì)比（圖9）。

圖9 活動(dòng)座椅對(duì)比賽區(qū)特征直線上速度大小影響的對(duì)比

從圖9可知，無(wú)活動(dòng)座椅時(shí)比賽區(qū)域的風(fēng)速分布規(guī)律與有活動(dòng)座椅時(shí)不同，并且整體風(fēng)速要小，共同點(diǎn)是兩種情況均是兩側(cè)風(fēng)速要比中間區(qū)域要大。

4 結(jié)論

對(duì)于需要舉辦重要賽事的體育館，比賽區(qū)域的風(fēng)速要求十分嚴(yán)格，在不同的情況下均要保證風(fēng)速在要求范圍內(nèi)，且要保證觀眾的熱舒適性，本文通過(guò)變噴口送風(fēng)角度，變風(fēng)量等工況模擬，并進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）球形噴口的送風(fēng)角度對(duì)比賽區(qū)域風(fēng)速的影響很小，但是對(duì)觀眾區(qū)的風(fēng)速影響較大，一旦觀眾區(qū)在噴口射流區(qū)，風(fēng)速會(huì)很大，且不均勻，可以適當(dāng)增高噴口的位置，或者增大噴口傾斜角度與觀眾梯臺(tái)傾斜角度的差異。

2）采用變頻風(fēng)機(jī)適當(dāng)減小風(fēng)量可以減小比賽區(qū)域的風(fēng)速，使其在要求范圍內(nèi)，同時(shí)室內(nèi)溫度也控制在表1中給出的范圍內(nèi)，減小空調(diào)能耗。

3）由于進(jìn)行不同的比賽，活動(dòng)座椅可以放置或者撤掉，這對(duì)比賽區(qū)域的氣流組織有影響，無(wú)活動(dòng)座椅的情況下，比賽區(qū)域的風(fēng)速較有活動(dòng)座椅時(shí)要高，在此種情況下可以考慮減小送風(fēng)量，進(jìn)而減小風(fēng)速，這也與無(wú)活動(dòng)座椅時(shí)，人員負(fù)荷減小是匹配的。

4）可以考慮分區(qū)送風(fēng)的方式，更好地滿足比賽區(qū)域以及觀眾區(qū)不同的要求。

[1] 董玉平.高大空間建筑氣流組織CFD模擬研究[D].天津:天津大學(xué),2004

[2] 馬曉鈞.體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[M]:北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2003

[3] 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50736-2012)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012

[4] 趙榮義,范存養(yǎng).空氣調(diào)節(jié)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[5] 張歡,楊一尚.體育館空調(diào)氣流組織CFD模擬研究[J].暖通空調(diào),2008,38(3):87-90

The Simulation Study on Air Distribution for a Gymnasium of Ningde

CAI Ying-ying1,ZHANG Xu1*,ZHANG Xiao-ming2,PAN Xin-yu2

1 College of Mechanical Engineering,Tongji University
2 China Shipbuilding NDRI Engineering Co.,Ltd.

This paper is based on the study of the gymnasium in Ningde and according to the characteristics of the gymnasium’s structure.It is used the professional software Airpak to simulate and analyze air-flow organization of the gymnasium’s games hall(including contest area and audience area)under a typical summer condition with audience and analysis of thermal comfort.The impact of the volume of air,angle of air vents and the movable chair on the wind speed of the contest area were analyzed,and the optimal design were made.It provides theoretical basis for the indoor environmental design optimization of the multi-functional stadiums.

gymnasium,air-flow organization,numerical simulation

1003-0344（2015）04-080-4

2014-5-15

張旭（1955～），男，博士，教授；上海市嘉定區(qū)曹安公路4800號(hào)同濟(jì)大學(xué)開(kāi)物館A314（201804）；021-69583803；E-mail:xuzhang@#edu.cn