某體育館空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)CFD模擬分析

閆龍林，孔凡鑫

（1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 山東濟(jì)南，250000；2.山東大學(xué)后勤保障部，濟(jì)南，250000）

近年來，我國城市污染越加嚴(yán)重，室外運(yùn)動受之影響，為室內(nèi)運(yùn)動護(hù)航建體育館逐漸成為當(dāng)下公共建筑一種重要的建筑類型。體育館這類大空間建筑，在考慮其室內(nèi)的熱舒適性同時，也需滿足自身功能需求。體育館空間大、室內(nèi)氣流組織復(fù)雜，尤其是羽毛球場這類對室內(nèi)氣流要求高的比賽場館，分析并設(shè)置合理的空調(diào)通風(fēng)氣流組織形式是暖通設(shè)計師關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)。采用計算流體力學(xué)（computer fluiddynamic，CFD）方法進(jìn)行模擬［1］，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計上存在的問題，及時優(yōu)化改進(jìn)，滿足工程項(xiàng)目使用要求。于濤等人利用CFD模擬對危廢廠房進(jìn)行污染物氣流場分析，合理設(shè)置通風(fēng)除臭措施［2］。林亞宏等人通過CFD模擬分析游泳館泳池水平面上方的氣流場和濕度場，考察不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)下的結(jié)露情況［3］。劉峰等人對某博物館高大空間采用地板送風(fēng)和送風(fēng)柱送風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合送風(fēng)進(jìn)行CFD模擬分析，論證消除室內(nèi)余熱的方案可行性［4］。劉曉東等人基于CFD對不同形態(tài)教學(xué)建筑進(jìn)行通風(fēng)環(huán)境研究，分析不同角度下教學(xué)樓的通風(fēng)狀態(tài)，合理利用自然通風(fēng)，節(jié)能減排［5］。

本文在既有的研究基礎(chǔ)上，利用CFD技術(shù)對體育館場內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，客觀的反映出室內(nèi)氣流組織、溫度場的分布，為設(shè)計提供重要參考。

1 研究方法

本文運(yùn)用CFD軟件對體育館內(nèi)的溫度環(huán)境和和氣流組織進(jìn)行研究。在模擬的過程中，選用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，考慮重力及熱輻射，并忽略太陽輻射［6］。同時，假設(shè)體育館室內(nèi)的空氣為不可壓縮流體，且門、窗、墻壁密閉性良好。

模擬中采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型求解室內(nèi)空調(diào)區(qū)域空調(diào)通風(fēng)狀況，涉及到的控制方程主要包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，可以寫成如下通用形式［7］：

該式中的φ可以是速度、湍流動能、湍流耗散率以及溫度等。

CFD模擬是從微觀角度，針對某一區(qū)域或房間，利用質(zhì)量、能量及動量守恒等基本方程對流場模型進(jìn)行求解，分析其空氣流動狀況。采用CFD對空調(diào)、通風(fēng)模擬，主要用于通風(fēng)風(fēng)場布局優(yōu)化和室內(nèi)流場分析，通過CFD提供的直觀詳細(xì)的信息，便于設(shè)計者優(yōu)化調(diào)整通風(fēng)空調(diào)策略［8］。

2 工程概況及空調(diào)通風(fēng)設(shè)計

2.1 工程概況

本項(xiàng)目為濟(jì)南某大學(xué)新建體育館綜合體，總建筑面積14290 m2其中三層為室內(nèi)體育場，體育場室內(nèi)面積2229 m2，室內(nèi)凈高10.5m，其中包括兩個籃球場地和三個羽毛球場地。球場平面布置圖如下圖圖1。

圖1 室內(nèi)體育場平面圖

2.2 空調(diào)通風(fēng)設(shè)計

本項(xiàng)目空調(diào)采用直膨式組合式空調(diào)機(jī)組，氣流組織上送下回。空調(diào)機(jī)房設(shè)置在夾層設(shè)備機(jī)內(nèi)。通風(fēng)空調(diào)設(shè)計如下圖圖2。

體育館（籃球館、羽毛球館）屬于高大空間，采用全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)，頂部送風(fēng)，回風(fēng)集中在下部。羽毛球場館區(qū)域距地9 m以下氣流速度需≤0.2 m/s，為滿足比賽時風(fēng)速要求，羽毛球場上空的風(fēng)管增加送風(fēng)口數(shù)量，均勻布置，減少單個風(fēng)口，降低風(fēng)口風(fēng)速，滿足球類比賽對風(fēng)速的要求。具體設(shè)計參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)見下表1和表2。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)［9］

表2 設(shè)計指標(biāo)

3 模擬分析

本項(xiàng)目通過對室內(nèi)溫度和風(fēng)速模擬分析，判斷現(xiàn)有的設(shè)計是否滿足房間舒適性及使用功能的需要。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：設(shè)計夏季風(fēng)口送風(fēng)溫度18℃，冬季風(fēng)口送風(fēng)溫度33℃（忽略風(fēng)管管道散熱）。圍護(hù)結(jié)構(gòu)按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)限值［10］考慮。

3.1 氣流組織模擬分析

一、夏季工況：

①籃球場區(qū)域夏季工況氣流組織分布如下所示：

圖3～4為籃球場區(qū)域氣流組織豎直方向截面分布情況，圖中可見：流場分布較均勻，整體未出現(xiàn)渦流區(qū)域，送風(fēng)口出風(fēng)口風(fēng)速較大，送風(fēng)至距地3米高度處風(fēng)速降至0.35 m/s以下，其余區(qū)域風(fēng)速均在0.2 m/s以下，籃球場區(qū)域整體工況滿足風(fēng)速要求。

圖3 籃球場送風(fēng)口區(qū)域速度云分布圖（夏季）

圖4 籃球場區(qū)域回風(fēng)口速度場分布圖（夏季）

②羽毛球場區(qū)域氣流組織分布如下所示：

圖5 羽毛球場區(qū)域送風(fēng)口速度云分布圖（夏季）

圖6～8為羽毛球場區(qū)域送風(fēng)口下方風(fēng)速豎直方向分布情況，圖中可見：流場分布較均勻，除靠近回風(fēng)口（場區(qū)外）和送風(fēng)口附近外，整體羽毛球場區(qū)域9m高度范圍內(nèi)可保證風(fēng)速在0.2m/s以下，其中絕大區(qū)域速度場在0.1m/s以下，滿足賽事使用的要求。

圖6 羽毛球場區(qū)域回風(fēng)口速度場分布圖（夏季）

圖7 籃球場區(qū)域送風(fēng)口速度云分布圖（冬季）

圖8 籃球場區(qū)域回風(fēng)口速度場分布圖（冬季）

二、冬季工況：

①籃球場區(qū)域冬季氣流組織分布如下所示：

由圖7～8可知，流場分布較為均勻，與夏季送風(fēng)相比，速度衰減較快，送風(fēng)至8m高度時，速度衰減至0.2 m/s，在高度4 m范圍內(nèi)，整體風(fēng)速保持在0.15m/s以下，與夏季工況相比，冬季送風(fēng)工況對體育館風(fēng)速要求鍥合度更好。

圖9 羽毛球場區(qū)域送風(fēng)口速度云分布圖（冬季）

圖10 羽毛球場區(qū)域回風(fēng)口速度場分布圖（冬季）

羽毛球場送風(fēng)出風(fēng)口風(fēng)速低，送風(fēng)至1 m處，速度迅速衰減至0.2m/s以下。氣流由上方風(fēng)口吹出后到達(dá)地面后由回風(fēng)口吸走，回風(fēng)口附近（觀眾區(qū)域）1米作左右風(fēng)速為0.3 m/s，球場區(qū)域內(nèi)可保證整體風(fēng)速低于0.1m/s。

3.2 溫度模擬分析

根據(jù)圖11-14的模擬結(jié)果，冬夏季均能滿足室內(nèi)溫度要求。冬季人員活動處保證最低溫度＞16℃，夏季活動處保證最高溫度小于28℃。夏季館內(nèi)溫度更均勻，舒適度更好，模擬結(jié)果跟經(jīng)驗(yàn)和理論保持一致。

圖11 籃球場區(qū)域溫度云分布圖（夏季）

圖12 籃球場區(qū)域溫度云分布圖（冬季）

圖13 羽毛球場區(qū)域溫度云分布圖（夏季）

圖14 羽毛球場區(qū)域溫度云分布圖（冬季）

籃球場區(qū)域出風(fēng)口風(fēng)速大，對區(qū)域內(nèi)氣流擾動好，表現(xiàn)為籃球場區(qū)域冬季溫度分布均勻性要優(yōu)于羽毛球場區(qū)域。由于熱空氣上浮效應(yīng)，夏季送風(fēng)與冬季送風(fēng)工況相比，館內(nèi)溫度更均勻，舒適性更高。由于本項(xiàng)目進(jìn)行CFD模擬時，按人員靜態(tài)工況考慮（僅考慮人員靜立散熱，不考慮運(yùn)行），實(shí)際在比賽過程中，人員的跑動會增強(qiáng)對局部區(qū)域的氣流擾動，更有利于周圍的溫度趨于均勻。

3.3 總結(jié)

從冬季工況來看，籃球場較羽毛球場，由于風(fēng)口少，單個風(fēng)口送風(fēng)量大，風(fēng)口風(fēng)速更高，在氣流組織上顯示為送風(fēng)距離更遠(yuǎn)。從整個場館來看，籃球場區(qū)域平均溫度也更高，下送過程中熱損失更少。從夏季工況來看，籃球場較羽毛球場，送風(fēng)距離同樣相對更遠(yuǎn)，但從整個場區(qū)的溫度場來看，多風(fēng)口小風(fēng)量的羽毛球場溫度分布更合理，制冷效果更好。

冬夏季工況對比，可以發(fā)現(xiàn)，夏季比冬季送風(fēng)距離更遠(yuǎn)，溫度場也更均勻。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目采用上送下回空調(diào)送風(fēng)形式，通過合理布置送風(fēng)，可以滿足體育場館對室內(nèi)溫度和風(fēng)速的要求。通過CFD模擬，可以清晰反映出整個場館內(nèi)各處溫度場和氣流情況，為設(shè)計的合理性和可行性提供保證。