體育館置換通風(fēng)設(shè)計與分析

■王宏韜

（遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院 遼寧沈陽110000）

體育館置換通風(fēng)設(shè)計與分析

■王宏韜

（遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計院 遼寧沈陽110000）

本文介紹沈陽市一體育館置換通風(fēng)設(shè)計的送風(fēng)量、送風(fēng)溫差、濕度梯度的計算，以及風(fēng)口的型式和布局。

體育館送風(fēng)量置換通風(fēng)（空調(diào)）

1　概述

置換通風(fēng)是借助空氣浮力作用的機械通風(fēng)方式，空氣以低風(fēng)速、高送風(fēng)溫度狀態(tài)送入人員活動區(qū)下部，在送風(fēng)及室內(nèi)散熱源的上升氣流共同作用下將污濁空氣提升至頂部排出。與傳統(tǒng)的全室通風(fēng)相比，具有既可保證工作區(qū)的空氣品質(zhì)，又可有效利用空間上下溫度分層的特點以達(dá)到節(jié)能的目的，適用于大空間建筑。本文介紹范圍指體育館比賽（訓(xùn)練）場地與觀眾席的整體空間。

該體育館位于遼寧省沈陽市，建成于2003年，總建筑面積7930m2，其中比賽（訓(xùn)練）場館建筑面積6400m2，附屬辦公建筑面積1530m2，共有座席2324個。限于當(dāng)時經(jīng)濟條件，原設(shè)計只考慮簡易機械排風(fēng)設(shè)施。隨著體育事業(yè)的進步，原有排風(fēng)設(shè)施已不能滿足需要，在夏季舉辦多次大型賽事中由于室內(nèi)溫度過高已經(jīng)造成負(fù)面社會影響。近年本區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速，區(qū)委區(qū)政府決定改造本體育館機械通風(fēng)系統(tǒng)并于2011年初立項。經(jīng)過對比權(quán)衡確定采用置換通風(fēng)（空調(diào)）方式。

2　通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計與計算

2.1原通風(fēng)系統(tǒng)概述

本工程原通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計采用自然進風(fēng)機械排風(fēng)方式。既在夏季舉辦大型賽事時開啟觀眾廳層的外門及幕墻外窗作為自然進風(fēng)，設(shè)在屋頂?shù)?臺排風(fēng)機運行。由于場館外門窗可開啟面積有限（近120m2），且通過外門窗洞口風(fēng)速控制在1m/s左右，所以總排風(fēng)量控制在不大于432000m3/h，折算換氣次數(shù)勉強3次/h。網(wǎng)架下弦距地面凈高度為13.6m，室內(nèi)空間上部有照明熱負(fù)荷和圍護結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，下部觀眾席則集中了人員熱濕負(fù)荷。

2.2置換通風(fēng)工作原理及特點

置換空調(diào)的工作原理：由房間低處送出的冷風(fēng)低速進入工作區(qū)內(nèi)，因為密度大而像湖水一樣彌漫了整個房間地板上，遇到室內(nèi)熱源產(chǎn)生向上的對流氣流，使室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度梯度，向上的熱對流將污染物和大部分的照明和圍護結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷帶到高處，由排風(fēng)直接帶走。由于室內(nèi)形成垂直的溫度分層，使上部的得熱量減少，與全室空調(diào)相比，大大降低了空調(diào)除熱負(fù)荷。2.3空調(diào)/通風(fēng)主要設(shè)計參數(shù)（1）室外設(shè)計氣象參數(shù)：

夏季空調(diào)室外計算干球溫度：31.6℃，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度：25.0℃；

夏季通風(fēng)室外計算干球溫度：28.2℃，夏季通風(fēng)室外計算相對濕度：65%；

（2）夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)：

溫度：26—28°C（制冷系統(tǒng)未投入使用前按30°C確定），相對濕度：夏季55—65%；

室內(nèi)噪聲級：比賽大廳、擴聲控制室NR 40

最小新風(fēng)量：30 m3/h·人 氣流速度：≯0.2m/s

2.4置換通風(fēng)系統(tǒng)的評價指標(biāo)

坐姿頭腳溫差：θhf≤2℃站姿頭腳溫差：θhf≤3℃

吹風(fēng)風(fēng)速不滿意率：PD≤15%熱舒適不滿意率：PPD≤15%

置換通風(fēng)房間內(nèi)的溫度梯度：Δθ≤2℃/m

2.5冷負(fù)荷及風(fēng)量計算

2.5.1空間高度分區(qū)及各區(qū)余熱量計算

劃分空間高度分區(qū)主要是為滿足人員活動區(qū)的舒適性。比賽（訓(xùn)練）館地面標(biāo)高為±0.000，觀眾看臺地面最高點標(biāo)高為6.430，觀眾按坐姿考慮，確定室內(nèi)熱力分層高度Hoz=7.73m。

表1　分區(qū)余熱量計算

表中余熱量的計算不包括人員的潛熱，因為促成溫度分層的因素是顯熱。人員呼出的水蒸汽可由向上的熱氣流帶走。場館圍護結(jié)構(gòu)3面為外墻（窗），采光條件非常好，根據(jù)使用方經(jīng)驗，夏季晴天早8點至下午16點舉行賽事只開啟40%燈具即可滿足照度，根據(jù)逐時冷負(fù)荷計算，下午14時（最大）照明負(fù)荷有限。場館內(nèi)日照負(fù)荷較大。

2.5.2送風(fēng)量計算

室內(nèi)工作區(qū)熱舒適性：

θmin=22℃ （±0.000）θmax=27℃ （Hoz=7.73m）θoz=24℃Δθhf=2～3℃ Δθ≤2℃/mvoz=0.2m/s室內(nèi)工作區(qū)空氣質(zhì)量：Coz≤1000ppm

圖1　夏季室內(nèi)垂直方向溫度分布圖

本工程人員停留區(qū)（室內(nèi)熱力分層高度以下）允許溫升取為5℃，根據(jù)33%法則繪制“室內(nèi)垂直方向溫度分布圖”，如圖1所示。由圖得出：

θe-θs=17.6℃；θe=33.7℃；θs=16.1℃

室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)量

由公式：qs=3600Q/ρcp（θe-θs）

式中，qs—最小送風(fēng)量（m3/h）；

Q—工作區(qū)余熱量（kw）；

cp-空氣定壓比熱容，1.01kJ/kg℃；

ρ—空氣密度，1.2kg/m3；

綜合各類別的預(yù)測框聚類結(jié)果,使用(7/2,2,3/2,1,1/2,1/4)作為DSSD算法的預(yù)測框?qū)捀弑取?/p>

θe—室內(nèi)空氣排風(fēng)溫度，℃

θs—室內(nèi)空氣送風(fēng)溫度，℃

最小送風(fēng)量qs=3600×2368.44/(1.2×1.01×17.6)=399714m3/h

室內(nèi)地面處送風(fēng)溫度θf=k（θe-θs）+θs=0.33×17.6℃+ 16.1=21.91℃

2.5.3各分區(qū)溫升計算

可以用由公式（1）變化而來的Δt=3600Qy/(ρcp L)計算各分區(qū)余熱量造成的空氣溫升：底部區(qū)：1℃，工作區(qū)：4℃，中間區(qū)：0.22℃，上部區(qū)：2.53℃。則工作區(qū)溫度梯度為4/2.2=1.82℃/m。設(shè)工作區(qū)頂部控制溫度為27℃，則地面處送風(fēng)溫度為22℃，頂部排(回)風(fēng)溫度為33.7℃。溫度分布情況見圖1。

2.5.4相對濕度計算

設(shè)工作區(qū)頂部為室內(nèi)控制點參數(shù)狀態(tài)，即室內(nèi)N點，干球溫度t N=27℃，相對濕度60%，濕球溫度t NS=20.8℃，焓h N=75.2kJ/kg，含濕量d N=18.70g/kg。根據(jù)公式：

L=3600W/1.3Δd

式中：W—室內(nèi)余濕（kg/h）；L—送風(fēng)量（m3/h）；Δd—含濕量變化（g/kg）。

比賽狀態(tài)下室內(nèi)散濕量計算：觀眾按中等活動計取，比賽場地按重度活動計取；計算數(shù)值為436.97kg/h。濕度隨空間高度變化呈線形分布，則水蒸氣濃度梯度值為0.35 g/kg×m，以室內(nèi)工作區(qū)頂部為室內(nèi)控制點參數(shù)為基準(zhǔn)，送、排風(fēng)點的含濕量分別為15.99g/kg、

20.75g/kg，這樣在焓濕圖上即可定出送風(fēng)點O點的狀態(tài)為：t O=16.1℃，h O=57.1kJ/kg，dO=15.99g/kg，送風(fēng)狀態(tài)點為機器露點；排風(fēng)點P的狀態(tài)為：tP=33.7℃，h P=87.5kJ/kg，d P=20.75g/kg。室外空氣狀態(tài)點W：t W=31.5℃，t WS=25.3℃，相對濕度65%，h W=100kJ/kg。

送風(fēng)量計算：L=3600W/Δd=3600×436.97kg/h/1.3 （20.75-15.99）g/kg=254217 m3/h，2.5.2章節(jié)中計算最小送風(fēng)量能夠滿足要求。

2.5.5根據(jù)焓濕圖計算其余參數(shù)

館內(nèi)設(shè)計容納2374人，新風(fēng)按每人20 m3/h計算，則新風(fēng)量為L w=20×2374=47480 m3/h，按50000 m3/h計取。則新風(fēng)負(fù)荷：Q w=ρL w(hw-hp)=1.2×50000×(100-87.5)/3600=208kW

室內(nèi)負(fù)荷：QN=ρL(hp-ho)=1.2×399714×(87.5-57.1)/3600= 2016.79kW；

則總負(fù)荷為：QZ=Qw+QN=1958kW；排風(fēng)負(fù)荷：排風(fēng)量與新風(fēng)量基本相等，按50000 m3/h計取，QP=ρLP(h P-h O)=160.6kW。

根據(jù)焓濕圖得出總負(fù)荷為QZ’=ρLL(hC-hL)=2385.39kW，與前面計算基本相符。

2.6主要空調(diào)設(shè)備

2.6.1空調(diào)送風(fēng)設(shè)備

為滿足置換空調(diào)送風(fēng)要求和節(jié)能降噪，末端系統(tǒng)采用4臺額定風(fēng)量為120000 m3/h的臥式空調(diào)機組，回風(fēng)和新風(fēng)混合后分別從4個墻角方向接入座椅送風(fēng)管道。送風(fēng)系統(tǒng)分為4部分，每部分送風(fēng)量均等，并且送風(fēng)距離較短。這樣以使每臺空調(diào)機組機外余壓較小且噪音較低?？照{(diào)機組變頻調(diào)速控制。

2.6.2排風(fēng)設(shè)備

在屋面重新均布設(shè)置6臺排風(fēng)機，其具體布置位置同原有排風(fēng)機，并改造原有排風(fēng)機洞口和基礎(chǔ)，總排風(fēng)量約50000 m3/h。

2.7風(fēng)口的型式和布局

2.7.1送風(fēng)口

置換通風(fēng)（空調(diào)）的送風(fēng)口布置應(yīng)滿足以下要求：

①.工作區(qū)人員坐姿停留處，空氣流速v oz≤0.2 m/s；

②.布置置換送風(fēng)口時，室內(nèi)人員應(yīng)在其擴散的平面臨近區(qū)以外處；

③.置換送風(fēng)口不應(yīng)布置在室內(nèi)靠外墻或靠外窗處應(yīng)盡可能布置在冷負(fù)荷集中處。

基于以上要求，本工程采用座椅旋流送風(fēng)口，沿座椅下方均勻布置。階梯座椅下方砼板下傾斜的高大空間內(nèi)設(shè)置靜壓箱。旋流風(fēng)口安裝在階梯靜壓箱的垂直側(cè)面，其出風(fēng)氣流呈旋轉(zhuǎn)氣流，旋轉(zhuǎn)氣流在旋轉(zhuǎn)過程中摻混周圍空氣，使旋轉(zhuǎn)氣流的速度和溫度迅速衰減，在人體坐姿腳踝處無吹風(fēng)感。館內(nèi)共采用4648個方形座椅旋流送風(fēng)口，實測出風(fēng)速度1.96m/s，人體坐姿穿短褲時腳踝處無吹風(fēng)感，距風(fēng)口0.3m處實測風(fēng)速v=0.17 m/s。

2.7.2排風(fēng)口和回風(fēng)口

本工程排風(fēng)口采用電動風(fēng)口，設(shè)在室內(nèi)最高處與排風(fēng)機直接連接并于排風(fēng)機聯(lián)鎖控制。回風(fēng)口設(shè)在標(biāo)高8.500處，高于熱力分層高度。

3　冬季運行

本工程冬季需要較大的熱負(fù)荷且比賽場館內(nèi)無內(nèi)外區(qū)，冬季不適合置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)的運行。置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)冬季只采用1臺空調(diào)機組變頻間歇運行供新風(fēng)，并與排風(fēng)機聯(lián)鎖控制運行。冬季運行時送風(fēng)量略大于排風(fēng)量，新風(fēng)量折合換氣次數(shù)約為0.6次/h，對室內(nèi)溫度無影響。館內(nèi)供熱采用原有散熱器系統(tǒng)，冬季室溫能夠達(dá)到17℃左右。

4　 CFD校核

為了驗證設(shè)計計算，采用CFD專業(yè)模擬軟件AirPak2.0（Fluent公司）對比賽場館進行了穩(wěn)態(tài)模擬。模擬中采用零方程建立模型，網(wǎng)格選用六面體網(wǎng)格，計算方法為有限體積離散法。模擬中邊界條件以及參數(shù)設(shè)置與設(shè)計條件保持一致。

模擬結(jié)果顯示，比賽場館內(nèi)溫度分層非常明顯，工作區(qū)上部溫度不超過27oC；比賽場館內(nèi)各點風(fēng)速不大于0.20m/s，不會產(chǎn)生因風(fēng)速較大而影響比賽。綜合溫度和風(fēng)速兩方面，可以驗證本設(shè)計完全能夠保證工作區(qū)滿足比賽要求和舒適性要求。

5　結(jié)論

筆者介紹了某區(qū)體育館的置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)的設(shè)計和計算方法，并采用CFD模擬方法對設(shè)計進行了校核，認(rèn)為本設(shè)計能夠保證置換空調(diào)比賽要求和舒適性要求。本體育館置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)于2013年4月完工并通過相關(guān)部門驗收，通近2年的實際運行效果良好，完全符合設(shè)計參數(shù)。

[1]陸耀慶.《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》 （第二版）.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》GB50736-2012.

[3]全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施《暖通空調(diào)·動力》2009年版.

P217[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-393-2