夏熱冬冷地區(qū)體育館自然通風(fēng)設(shè)計(jì)及潛力分析

趙福云 成瑾 劉寶 徐穎 申廣 王漢青，3 寇廣孝

1 湖南工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院

2 武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院

3 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

體育館作為一類特殊的公共建筑類型，具有建筑面積大、跨度空間大等特點(diǎn)。隨著體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，其能耗問題引起人們的廣泛關(guān)注，體育館等公共建筑每平方米的能耗約為居住建筑的10 倍左右，而作為全年正常運(yùn)行的暖通空調(diào)，屬于建筑能耗中的主要部分，為了更好的節(jié)約能源和可持續(xù)發(fā)展，在不影響體育館內(nèi)人員熱舒適及比賽場地的使用要求下，可考慮在特定時(shí)間段使用自然通風(fēng)代替空調(diào)送風(fēng)。

李靜[1]通過數(shù)值模擬的方法研究了高校內(nèi)體育館采用自然采光和自然通風(fēng)下的節(jié)能潛力，總結(jié)出體育館優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)高校體育館的節(jié)能設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。體育館[2]的窗地比，建筑體形和建筑朝向會(huì)極大地影響自然采光和自然通風(fēng)的效果，有研究[3]發(fā)現(xiàn)，隨著窗地比的增加，比賽場地的照度與照度均勻度呈線性增加。有學(xué)者提出，建筑的非對(duì)稱挑檐形態(tài)效果強(qiáng)于非對(duì)稱形態(tài)和對(duì)稱形態(tài)，同時(shí)針對(duì)非對(duì)稱挑檐形態(tài)提出了適應(yīng)賽時(shí)使用的開口通風(fēng)策略[4]。研究高大建筑內(nèi)自然通風(fēng)的方法有實(shí)驗(yàn)調(diào)查，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬等，發(fā)現(xiàn)較多文獻(xiàn)利用數(shù)值模擬的方法，通過研究自然通風(fēng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面來降低建筑能耗[5-7]。相比于其他方式，數(shù)值模擬在研究自然通風(fēng)中使用較多[8-10]，但體育館中的自然通風(fēng)只有在特定氣候條件下才適用[11]，這也是大多數(shù)研究中所忽視的。本文擬在前人的研究基礎(chǔ)上，以我國夏熱冬冷地區(qū)典型的四座城市（長沙、合肥、武漢、重慶）為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，研究不同氣候條件下體育館內(nèi)風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略及通風(fēng)潛力。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型

通過了解國內(nèi)外現(xiàn)有體育館的屋面形狀，發(fā)現(xiàn)相比于規(guī)則矩形體育館，屋面類圓形體育館較多，綜合考慮室內(nèi)參數(shù)及綜合適合度[12]，本文選擇典型的對(duì)稱凹面下凹式屋面的體育館，物理模型如圖1 所示。設(shè)體育館平面半徑R=50 m，該體育館長為100 m，最高高度為50 m，屋面邊緣與水平呈50°，屋面有一截面高度為1.5 m 的天窗。館內(nèi)兩側(cè)均勻布置寬為25 m，高為1.5 m 的窗戶，窗戶距離地面具體位置如圖1 所示。

圖1 體育館二維物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文假設(shè)空氣為不可壓縮的等溫流體，運(yùn)用Fluent 軟件模擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的流場，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程模型，壁面處使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力-速度耦合方程的求解選擇SIMPLE 算法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，收斂殘差均小于10-6。

1.3 計(jì)算域和邊界條件

入口邊界為velocity-inlet，并采用梯度風(fēng)。出風(fēng)口邊界條件設(shè)為自由出口邊界outflow。流域頂部和兩側(cè)采用symmetry 對(duì)稱邊界。計(jì)算域的大小直接影響網(wǎng)格數(shù)量的多少，網(wǎng)格數(shù)量又直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為了更真實(shí)的模擬體育館風(fēng)環(huán)境，設(shè)計(jì)算域的長寬高分別為15R=700 m、6R=300 m，同時(shí)模型進(jìn)風(fēng)面放置于計(jì)算區(qū)域進(jìn)風(fēng)口3R=150 m 處。如圖2 所示。

圖2 體育館二維計(jì)算域

入口邊界設(shè)為velocity-inlet，入口風(fēng)速采用梯度風(fēng)，如下式。出風(fēng)口邊界條件設(shè)為自由出口邊界outflow。

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

網(wǎng)格的疏密與最后模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確有直接的關(guān)系。為更好的體現(xiàn)壁面邊界層的特征，一般會(huì)在壁面處通過改變第一層網(wǎng)格與壁面的間距來加密網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格與壁面的間距可用無量綱距離y+來表示，通常將y+控制在11.5≤y+≤400。因此得到三種不同的網(wǎng)格數(shù)：76104，132855 和291903，比較三種網(wǎng)格數(shù)下Y=7.25 m 時(shí)的速度分布，如圖3 所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由132855 增大到291903 時(shí)，速度分布不再變化，獲得網(wǎng)格獨(dú)立解。

圖3 體育館模型網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2 結(jié)果與討論

自然通風(fēng)在不同氣候區(qū)所起的作用是不同的，如自然通風(fēng)在濕熱氣候區(qū)起到排濕的作用，而在干熱氣候區(qū)主要是降溫的作用。因此，在體育館的設(shè)計(jì)階段，為了使自然通風(fēng)發(fā)揮最大的潛力，應(yīng)考慮體育館所在氣候區(qū)在哪些時(shí)間段內(nèi)可以使用自然通風(fēng)，以及如何才能充分利用自然通風(fēng)等問題。本文選取我國典型的夏熱冬冷地區(qū)的四座城市（長沙、武漢、合肥、重慶）為研究對(duì)象，根據(jù)不同城市的平均風(fēng)速和最佳朝向，建立模型對(duì)不同城市的體育館風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬研究，對(duì)比分析不同城市不同季節(jié)的速度分布，提出合理的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)策略，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Ecotect 軟件分析不同地區(qū)自然通風(fēng)的潛力。

2.1 自然通風(fēng)模擬分析

不同城市不同季節(jié)平均風(fēng)速如表1 所示，入口梯度風(fēng)風(fēng)速為每個(gè)城市不同季節(jié)的平均風(fēng)速。對(duì)不同城市不同季節(jié)的速度場進(jìn)行模擬，分析比較高度為Y=3.75 m、Y=7.25 m、Y=22.25 m 平面上速度變化，速度的衰減為最小時(shí)所經(jīng)歷的路程即為體育館最優(yōu)的設(shè)計(jì)跨度。

表1 不同城市不同季節(jié)平均風(fēng)速

2.1.1 長沙

根據(jù)表1 中長沙市每個(gè)季節(jié)的平均風(fēng)速，運(yùn)用CFD 模擬的方法得到每個(gè)季節(jié)不同高度的速度分布，如圖4。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長沙市體育館全年自然通風(fēng)入口平均風(fēng)速為1 m/s。室內(nèi)平均風(fēng)速為0.13 m/s。全年最低風(fēng)速對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)均為X=655 m，因此建議將該地區(qū)體育館最大跨度設(shè)為655-560=95 m。

圖4 長沙體育館春夏秋冬四季不同高度速度分布

2.1.2 武漢

以武漢地區(qū)不同季節(jié)平均風(fēng)速為入口風(fēng)速，運(yùn)用CFD 模擬得到不同高度速度場的分布，如圖5。該地區(qū)體育館入口處全年平均風(fēng)速為2 m/s，館內(nèi)平均風(fēng)速為0.35 m/s。春、秋季風(fēng)速最低點(diǎn)為X=620 m，夏季風(fēng)速最低點(diǎn)為X=615 m，冬季風(fēng)速最低點(diǎn)為X=645 m。不同季節(jié)對(duì)應(yīng)的送風(fēng)速度最低點(diǎn)位置不同，因此，若考慮在春、秋季使用自然通風(fēng)，可以將體育館最大跨度設(shè)為60 m。若考慮夏季的風(fēng)速要求，可以將體育館最大跨度設(shè)為55 m。冬季可將體育館最大跨度設(shè)為85 m。

圖5 武漢體育館春夏秋冬四季不同高度速度分布

2.1.3 合肥

入口風(fēng)速取合肥地區(qū)不同季節(jié)的平均風(fēng)速，模擬發(fā)現(xiàn)，體育館自然通風(fēng)入口處平均風(fēng)速為3 m/s，館室內(nèi)平均風(fēng)速為0.57 m/s。由圖6 發(fā)現(xiàn)，全年館內(nèi)風(fēng)速最低點(diǎn)均為X=615 m，可不考慮季節(jié)的變化，故可以將體育館最大跨度設(shè)為55 m。

圖6 合肥體育館春夏秋冬四季不同高度速度分布

2.1.4 重慶

通過CFD 模擬發(fā)現(xiàn)，重慶地區(qū)體育館自然通風(fēng)入口處平均風(fēng)速為7 m/s，館內(nèi)平均風(fēng)速為1.7 m/s。夏、秋和冬季的風(fēng)速最低點(diǎn)為X=660 m，春季的風(fēng)速最低點(diǎn)為X=620 m。若在夏、秋和冬季考慮使用自然通風(fēng)，可以將體育館最大跨度設(shè)為100 m?？紤]春季時(shí)可將體育館最大跨度設(shè)為60 m。

圖7 重慶體育館春夏秋冬四季不同高度速度分布

以上，由CFD 數(shù)值模擬的方法，探討了夏熱冬冷地區(qū)典型城市在考慮不同季節(jié)使用自然通風(fēng)時(shí)的最優(yōu)跨度，匯總?cè)绫?。

表2 不同地區(qū)的典型城市體育館建筑在不同季節(jié)的最優(yōu)跨度

2.2 自然通風(fēng)潛力分析

自然通風(fēng)潛力（Natural Ventilation Potential，簡稱NVP），指自然通風(fēng)具有可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)良好空氣質(zhì)量和熱舒適性的潛力[13]。目前現(xiàn)有的國內(nèi)外潛力分析方法主要有多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法，氣候適應(yīng)性評(píng)估方法和有效壓差分析法。本文使用CFD 數(shù)值模擬的平均風(fēng)速為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽甑臍庀筚Y料和人體典型著裝作為分析依據(jù)，考慮體育館內(nèi)典型的人員活動(dòng)情況（較少活動(dòng)、中等活動(dòng)、重度活動(dòng)），使用Ecotect 軟件分析人員熱舒適性和自然通風(fēng)可利用率。分析結(jié)果用焓濕圖和通風(fēng)可利用率表示。

2.2.1 長沙

基于2.1 中對(duì)長沙地區(qū)的速度場模擬得知，體育館室內(nèi)平均風(fēng)速為0.13 m/s，基于此平均風(fēng)速，探討?zhàn)^內(nèi)人員活動(dòng)水平不同時(shí)對(duì)應(yīng)的熱舒適區(qū)域和自然通風(fēng)潛力，由焓濕圖和通風(fēng)可利用率表示，如圖8～10。結(jié)合焓濕圖和通風(fēng)可利用率圖發(fā)現(xiàn)，長沙地區(qū)夏、秋季體育館自然通風(fēng)的可利用率較高。隨著人員活動(dòng)水平的增加，夏、秋季通風(fēng)可利用率降低，而春、冬季的通風(fēng)可利用率增加。

圖8 長沙地區(qū)體育館內(nèi)人較少活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖9 長沙地區(qū)體育館內(nèi)人中等活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖10 長沙地區(qū)體育館內(nèi)人重度活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

2.2.2 武漢

由CFD 模擬可知武漢地區(qū)室內(nèi)平均風(fēng)速為0.35 m/s，以此為依據(jù)得到該地區(qū)體育館自然通風(fēng)的舒適度區(qū)域和通風(fēng)可利用率，如圖11～13 所示。結(jié)合該兩種圖發(fā)現(xiàn)，人員活動(dòng)情況無論是較少、中度還是重度活動(dòng)，夏、秋季通風(fēng)可利用率相對(duì)較高。而隨著人員活動(dòng)劇烈情況的增加，夏、秋季的通風(fēng)可利用率降低，春、冬季增加。

圖11 武漢地區(qū)體育館內(nèi)人較少活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖12 武漢地區(qū)體育館內(nèi)人中等活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖13 武漢地區(qū)體育館內(nèi)人重度活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

2.2.3 合肥

基于風(fēng)環(huán)境模擬得到的合肥地區(qū)平均室內(nèi)風(fēng)速為0.57 m/s，以該平均風(fēng)速為基礎(chǔ)分析該地區(qū)自然通風(fēng)潛力發(fā)現(xiàn)，春、秋季通風(fēng)可利用率較高，并且隨著人員活動(dòng)劇烈程度的增加，夏、秋季的通風(fēng)可利用率降低，春、冬季增加（圖14～16）。

圖14 合肥地區(qū)體育館內(nèi)人較少活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖15 合肥地區(qū)體育館內(nèi)人中等活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖16 合肥地區(qū)體育館內(nèi)人重度活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

2.2.4 重慶

通過比較焓濕圖和通風(fēng)可利用率發(fā)現(xiàn)，夏、秋季通風(fēng)可利用率相對(duì)較高。并且隨著人員活動(dòng)的增加，夏、秋季通風(fēng)可利用率降低，春、冬季增加（圖17～19）。

圖17 重慶地區(qū)體育館內(nèi)人較少活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖18 重慶地區(qū)體育館內(nèi)人中等活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

圖19 重慶地區(qū)體育館內(nèi)人重度活動(dòng)時(shí)自然通風(fēng)潛力分析

通過分析不同地區(qū)的自然通風(fēng)潛力后，計(jì)算各個(gè)地區(qū)不同人員活動(dòng)的全年自然通風(fēng)潛力，計(jì)算結(jié)果如表3。

表3 不同地區(qū)的城市體育館不同人員活動(dòng)的年自然通風(fēng)利用率

3 結(jié)論

本文以我國夏熱冬冷地區(qū)典型的四座城市為例，模擬了各個(gè)城市體育館的自然通風(fēng)潛力，根據(jù)分析結(jié)果得到各個(gè)地區(qū)體育館的最優(yōu)設(shè)計(jì)跨度，為合理利用自然通風(fēng)的建筑設(shè)計(jì)提出了理論依據(jù)。本文得到的主要結(jié)論有：

1）長沙和合肥地區(qū)在考慮自然通風(fēng)時(shí)，設(shè)計(jì)跨度可不用考慮季節(jié)的變化，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)跨度分別為95 m 和55 m。而武漢、重慶地區(qū)的最優(yōu)設(shè)計(jì)跨度需要考慮季節(jié)的變化。如在武漢地區(qū)，若考慮在春、秋季節(jié)使用自然通風(fēng)，最優(yōu)跨度可設(shè)計(jì)為60 m，若主要在夏季使用，最優(yōu)跨度為55 m，冬季為85 m。同樣地，在重慶地區(qū)，若在春季使用，最優(yōu)設(shè)計(jì)跨度為60 m，夏、秋季為100 m，冬季為55 m。

2）四座城市自然通風(fēng)潛力相對(duì)最大的季節(jié)是夏、秋季。長沙、武漢地區(qū)體育館年自然通風(fēng)潛力隨著人員活動(dòng)劇烈程度的增加變化較少，自然通風(fēng)率分別在6%～8%、10%～12%之間。合肥、重慶地區(qū)自然通風(fēng)率隨著人員活動(dòng)的增加而降低，自然通風(fēng)率分別在12%～15%、24%～26%之間。其中，重慶地區(qū)自然通風(fēng)潛力最大。