一次回風系統(tǒng)在體育館座椅送風場合中的應用及適用性分析

唐聰

空調(diào)技術(shù)

一次回風系統(tǒng)在體育館座椅送風場合中的應用及適用性分析

唐聰

（上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

體育館觀眾席座椅送風采用的傳統(tǒng)的二次回風系統(tǒng)會帶來諸如占用空調(diào)機房面積較大、控制復雜、投資較大等弊端。本文將提供一種新的思路：通過適當降低觀眾區(qū)域室內(nèi)濕度的標準同時提高溫度標準，從而使采用一次回風系統(tǒng)在座椅送風場合中成為可行。

座椅送風； 一次回風； CFD模擬

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，對體育文化娛樂的需求也越來越大，體育館作為人們體育鍛煉、競技，娛樂的重要場所正在全國各地被越來越多的建造。對于一座現(xiàn)代化的多功能體育館而言，為參賽者和觀眾提供舒適的熱濕環(huán)境是至關(guān)重要的，而其中氣流組織的合理性往往又是保持熱濕環(huán)境的關(guān)鍵。

座椅送風作為置換通風方式之一，具有節(jié)能與舒適的雙重優(yōu)點，在體育館觀眾席中被廣泛使用。目前，考慮到舒適度及置換通風的因素，通常采用二次回風系統(tǒng)作為座椅送風的空氣處理方式以減小送風溫差并同時滿足溫濕度要求，但其所固有的諸如控制復雜、對機房的空間要求較高，初始投資較大等弊端也在實際應用中逐步顯露出來。

因此，本文考慮到體育館具有間歇性及單次使用時間較短的使用特點，結(jié)合實際工程通過理論分析計算并結(jié)合數(shù)值模擬探討將一次回風系統(tǒng)應用于座椅送風的可行性，并將其與二次回風進行對比，以論證一次回風系統(tǒng)對體育館的座椅送風同樣具有可實施性，能夠滿足多數(shù)觀眾對熱舒適度的要求。

1一次回風系統(tǒng)的適用性分析

1.1 傳統(tǒng)空氣處理方式的弊端及限制因素

體育館的座椅送風通常是通過專用的座椅旋流風口將經(jīng)過空調(diào)機組處理的冷風直接吹至觀眾膝蓋處。為防止相關(guān)人員產(chǎn)生不適感覺，需對送風的風速以及送風溫差有較嚴格的限制。根據(jù)工程經(jīng)驗，送風風速一般不大于0.25m/s，送風溫差控制在4～6℃。由于送風溫差的限制，傳統(tǒng)上采用二次回風系統(tǒng)作為其主要的空氣處理方式，其主要優(yōu)點在于：1）節(jié)能；2）可通過二次回風降低送風溫差，提高人員舒適度；3）在滿負荷即人員滿座的前提下可同時滿足目標區(qū)域溫濕度的要求。

但在工程實際應用中會發(fā)現(xiàn)二次回風的弊端同樣顯而易見。首先，其在人員非滿座（體育建筑經(jīng)常出現(xiàn)的工況）即負荷發(fā)生變化時，需采用變動一，二次回風量進行控制，控制系統(tǒng)過于復雜，往往由于被控風閥制作精度而影響室內(nèi)溫濕度的穩(wěn)定，造成運行效果與設(shè)計目標偏離。其次，體育館作為高大公共建筑，空間結(jié)構(gòu)復雜，供座椅送風的空調(diào)機房其面積及空間高度往往受到諸多限制，在很多具體項目中并不具備可實施的土建條件。再者，投資問題如今也越來越受到業(yè)主的關(guān)注。一個大型體育場館用于座椅送風的空調(diào)機組數(shù)量達數(shù)十臺之多，其機組全部加裝二次回風段對業(yè)主來說是一筆不小的預算開支，如能簡化空氣處理方式，對整個項目的投資總價控制來說也是大有裨益的。

鑒于上述不利情況，有必要探索采用一次回風系統(tǒng)應用于座椅送風的可行性。根據(jù)《體育建筑設(shè)計規(guī)范》[1]，比賽大廳包括觀眾席的空調(diào)設(shè)計參數(shù)夏季為溫度26～28℃，相對濕度55%～65%，工程上一般取tn=26℃，φ=60%。要滿足該室內(nèi)狀態(tài)點參數(shù)，采用傳統(tǒng)的一次回風系統(tǒng)，其過程必定是首先把新回風混合，然后把混合后的空氣通過冷盤管處理到機器露點，再通過電加熱把處理后的空氣溫度升到所需要的溫度送至座椅下方的靜壓箱。這一方式因冷熱抵消現(xiàn)象的發(fā)生，從節(jié)能角度考慮是不可取的，對舒適性空調(diào)而言也是禁止使用的。若不通過再熱方式將空氣直接以機器露點狀態(tài)送入，對于座椅送風會因送風溫差過大給人以嚴重的不舒適感。同時，送風溫差過大還會導致送風量過小，而觀眾席因人員密度較大，其對通風量有一定的要求。根據(jù)相關(guān)設(shè)計手冊[2]推薦，每個座椅送風口送風量宜在50m3/h左右，故亦不可取。上述兩種因素也正是導致一次回風系統(tǒng)在座椅送風中應用不多的原因。

1.2 一次回風在座椅送風中的應用分析

綜合上節(jié)分析，目前可行也是本文重點要討論的方式就是對室內(nèi)參數(shù)點做一定的調(diào)整，適當降低室內(nèi)濕度的標準，同時提高室內(nèi)溫度標準，這里取室內(nèi)參數(shù)如下：tn=25℃，φ=70%。如圖3所示，該參數(shù)點位于ASHRAE舒適圖的菱形舒適區(qū)[3]內(nèi)，該舒適區(qū)是美國堪薩斯州立大學通過基于身著0.6～0.8clo服裝坐著的人所做實驗得到的，其權(quán)威性得到了國際上的認可。需要說明的是體育館觀眾看臺的人員著裝和活動狀態(tài)正好和這一實驗工況完全吻合，因而這一室內(nèi)參數(shù)點相比傳統(tǒng)的基于《體育建筑設(shè)計規(guī)范》[1]而確定的二次回風系統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)點（該點位于菱形舒適區(qū)[3]外，如圖3所示），其對體育館觀眾席的適用性更強。確定新的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)后，采用一次回風方式處理到φ=90%線與以該室內(nèi)狀態(tài)點為基礎(chǔ)的熱濕比線的交點，隨后直接送入室內(nèi)座椅下方的靜壓箱。這種方式既能滿足座椅送風對送風量的要求又能使送風溫差控制在與二次回風方式相似的區(qū)間內(nèi)。

相比二次回風，一次回風系統(tǒng)在控制、投資以及對土建的要求上優(yōu)勢是明顯的，其令人擔憂之處主要在于其室內(nèi)參數(shù)突破了原有規(guī)范的限制，但這一突破并不會影響相關(guān)人員對舒適度的要求。原因主要如下：首先，座椅送風系統(tǒng)與傳統(tǒng)的混合通風系統(tǒng)有所區(qū)別，其通風空間濕度并不是一個定值，而是與溫度分層分布

特性相類似呈梯度分布的特點，其值隨著高度的增加（濕源一般處于通風空間底部）迅速降低[4]。這就意味著系統(tǒng)的濕度控制只要保證工作區(qū)即觀眾所坐區(qū)域的濕度滿足熱舒適性的指標即可，故而也證明了座椅送風是可以用濕度更高的空氣作為送風的。其次，由于體育館大多是間歇使用，且人員的衣著與大劇院、音樂廳也有所差異，人員對舒適度的要求相對較低，故而濕度標準的適當降低，并不會嚴重影響到體育館觀眾的PMV-PPD指標，這一點也將在稍后的數(shù)值模擬中得到驗證。

綜上所述，盡管二次回風系統(tǒng)在座椅送風中應用廣泛且效果良好，但鑒于其受到諸多限制以及體育館使用的特殊性，在體育館觀眾看臺區(qū)的座椅送風場合中，一次回風系統(tǒng)同樣可以作為座椅送風的選擇方式之一。

2 系統(tǒng)實例設(shè)計

現(xiàn)以蘇州市某體育中心的體育館觀眾看臺為實例對一次回風和二次回風系統(tǒng)在座椅送風中的應用進行理論上的計算分析和比較（因冬季工況對室內(nèi)濕度要求并不高，無需對其予以嚴格控制，故本文主要針對夏季方案進行研究和探討）。

該項目為一座地上五層、局部地下一層的體育館，建筑面積為62152m2。其觀眾看臺分為兩層，可容納13075座觀眾規(guī)模，均采用座椅送風方式，本文以該體育館二層看臺（觀眾人數(shù)3948人，室外設(shè)計參tw=34. 4℃，φ=64%）為例，對其進行理論計算。

2.1 二次回風系統(tǒng)夏季處理方案

室內(nèi)狀態(tài)點根據(jù)《體育建筑設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定取值為（tn=26℃，φ=60%）。考慮到座椅送風的舒適性要求，取送風溫差Δt=5℃，風機溫升取0.5℃。由此確定該區(qū)域室內(nèi)空調(diào)冷負荷Q為487.3kW，濕負荷W為241.6kg/h，其h-d處理過程及相關(guān)參數(shù)點如圖3所示，處理過程中相關(guān)風量數(shù)值見表1。

2.2 一次回風系統(tǒng)夏季處理方案

取室內(nèi)狀態(tài)點tn=25℃，φ=70%由此確定該區(qū)域室內(nèi)空調(diào)冷負荷Q為488.2kW，濕負荷W為216.8kg/h，其h-d處理過程及相關(guān)參數(shù)點如圖4所示，處理過程中相關(guān)風量數(shù)值見表2。

表2 一次回風系統(tǒng)冷卻除濕過程相關(guān)風量及制冷量參數(shù)

2.3 一、二次回風系統(tǒng)比較

兩種空氣處理方式在焓濕圖（圖3、圖4）上的反映可以清楚的看到通過適當降低觀眾區(qū)域室內(nèi)濕度的標準，使室內(nèi)設(shè)計點向焓濕圖的右下方做適度的偏移使一次回風系統(tǒng)在座椅送風場合的應用成為了可能，其不僅能夠保證座椅送風所需要的送風量和送風溫差，在制冷量上也因為濕負荷的減小比原有方式有所下降，達到了節(jié)能的效果。

3 實例模擬及舒適性（PMV，PPD）分析

本文模擬對象為上述理論計算對象即蘇州市某體育中心體育館二層觀眾看臺。

3.1 模擬邊界條件

1）座椅送風口送風速度的確定：由于座椅送風具有送風路徑較短這一特性，且送風口直接面對觀眾，故其送風速度有較嚴格的限制。根據(jù)工程經(jīng)驗，風速一般取0.25m/s左右。2）座椅送風口送風參數(shù)的確定：根據(jù)本文第二章節(jié)對兩種系統(tǒng)理論計算的結(jié)果，我們可以確定:二次回風系統(tǒng)送風點參數(shù)為to=21℃，φ=74%，一次回風系統(tǒng)送風點參數(shù)為to=20.3℃，φ=87%。3）座椅送風口的選定：本文依據(jù)相關(guān)產(chǎn)品樣本，選擇體育館觀眾席通常采用的側(cè)吹方式作為模型中座椅送風的送風方式，風口直徑為130mm。

3.2 模擬結(jié)果與分析

（1）溫度場

夏季工況下兩種空氣處理方式的溫度場數(shù)值模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中溫度場的模擬結(jié)果可以看出室內(nèi)空氣溫度有豎向分層現(xiàn)象，而本文主要針對的是觀眾看臺區(qū)域溫度場，可以看出，一次回風系統(tǒng)的室內(nèi)溫度略低于二次回風，在25℃左右，處于舒適區(qū)范圍之內(nèi)。

（2）濕度場

夏季工況下兩種系統(tǒng)的相對濕度場數(shù)值模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。由上述兩圖可以清楚地看到在座椅送風中，相對濕度與溫度的分層現(xiàn)象類似，但與溫度相反，其是隨著高度的增加迅速降低，因而其觀眾區(qū)域濕度要比原先設(shè)定的室內(nèi)參數(shù)要低。其中，二次回風系統(tǒng)觀眾看臺區(qū)域濕度大體都維持在56%左右，比室內(nèi)設(shè)計參數(shù)低4%左右，而一次回風系統(tǒng)觀眾看臺區(qū)域濕度則大體維持在65%左右，比室內(nèi)設(shè)計參數(shù)低5%左右?？梢钥闯鲭m然后者的濕度要明顯高過前者，但兩者都處于舒適區(qū)可接受范圍之內(nèi)。

（3）預期平均投票-PMV及預期不滿意百分率PPD

夏季工況下兩種系統(tǒng)處理后的PMV 及PPD值如圖9～圖12所示。從圖中可以看到在觀眾看臺區(qū)域，二次回風系統(tǒng)的PMV值在0.75 左 右 ，PPD值在20%左右,而一次回風系統(tǒng)的PMV值在0.85左右，PPD值在25%左右。兩者的數(shù)據(jù)均符合民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[5]中所規(guī)定的熱舒適性指標的要求。因此可以得出結(jié)論，雖然傳統(tǒng)的二次回風系統(tǒng)其舒適性效果良好，但

一次回風系統(tǒng)同樣也可以滿足體育館觀眾看臺相關(guān)人員對熱舒適性的要求，可以成為座椅送風空氣處理方式的選項之一。

4 結(jié)語

本文在不影響人員舒適感的前提下針對體育館座椅送風的空氣處理方式，提供了一種新的思路，即通過適當降低觀眾看臺區(qū)域濕度的標準，提高溫度標準，使一次回風系統(tǒng)在座椅送風的場合中同樣具有適用性。文章通過對這兩種系統(tǒng)的理論計算和數(shù)值模擬證明了這一思路的可行性。其在保證室內(nèi)特別是座椅區(qū)域范圍內(nèi)熱濕環(huán)境的同時帶來了節(jié)省機房空間、控制策略簡單、節(jié)省投資、節(jié)能等二次回風系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢。需要指出的是該思路在部分工程（上海市東方體育中心，天門體育中心）中已經(jīng)得到了實踐并且取得了良好的使用效果，從而為以后體育館看臺座椅送風的空氣處理方式提供了一種新的借鑒。

[1]JGJ31-2003,體育建筑設(shè)計規(guī)范[S].2003.

[2]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[3]ASHRAE.2003 ASHRAE Application Handbooks[M].Atlanta：ASHRAE Inc，2003.

[4]龔光彩，謝賽男，吳京龍，等.座椅送風大空間濕度分布模擬[J].湖南大學學報（自然科學版），2008，35（7）:2124.

[5]GB50736-2012，民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].2012.

Application and Applicability Analysis of Primary Return Air System in the Seat Air Supply of the Gymnasium

TANG Cong

（Shanghai Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200041，China）

Traditional secondaryreturnairsystemappliedintheSpectatorSeatsofGymnasiumwill bringsuchasthe occupationofairconditioningroomareaislarge,complicatedcontrol，highinvestmentandotherdefects.Thepaperwill provideanewidea：by appropriately loweringhumidity standardsandimprovethetemperaturestandardof audiencearea，thus makingtheprimaryreturnairsystemtobeaviableintheseatairsupply.

seatairsupply； primary return air system； CFDsimulation

TU831.8

B

2095-3429（2016）03-0054-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.03.013

2016-05-19

修回日期：2016-06-08

唐 聰（1981-），男，上海人，碩士，暖通工程師。