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同濟大學機械與能源工程學院2中船第九設計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同濟大學機械與能源工程學院2中船第九設計研究院工程有限公司

本文以寧德某體育館為例，針對比賽場館的特殊要求，利用Airpak數值模擬的手段，對體育館比賽大廳（包括比賽區和觀眾區）在典型夏季條件下有觀眾時的氣流組織進行模擬，分析熱舒適性，并分別對比送風量，噴口送風角度以及有無活動座椅對比賽區域風速和溫度的影響，得到最優的設計方案，為多功能體育館的室內環境設計優化等提供一定的理論依據。

體育館 氣流組織 數值模擬

0 引言

隨著人民生活水平的提高，全民運動以及各大體育賽事都在我國熱烈展開，我國對各類體育設施，特別是體育館建設的投入不斷加大。人們對體育館等這種高大空間結構建筑的室內環境要求也越來越高。體育館建筑屬于大空間建筑，體積大、圍護結構傳熱量大，人員、燈光密集，空調負荷較大，該類建筑應滿足健康、舒適、能源有效利用和環境保護等方面的要求[1]。同時體育館不同區域有不同的氣流組織要求，如比賽場地通常對速度要求比較嚴格，尤其是進行乒乓球等小球比賽的情況；而觀眾區通常要求速度溫度的分布滿足人體熱舒適要求。

本文中采用的送風方式為上部噴口送風（角度可調）以及矩形風口送風，中下部回風，利用數值模擬的方法驗證這種設計是否滿足比賽區域的風速要求以及人員區域的熱舒適性，通過調節噴口的送風角度，變頻風機改變送風量對設計進行優化，并對比分析。

1 體育館及空調設計參數概況

本體育館主要用來舉行各類球類比賽（包括大球和小球），它的核心區域為比賽大廳，包含了比賽區和觀眾區，可容納3000人左右，是小型綜合性體育館，屬于高大空間。

根據表1體育館比賽大廳空調設計參數表中的要求[2]，本體育館的夏季室內設計溫度取26℃，相對濕度取60%。根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）[3]，寧德的夏季室外空調計算溫度為30.9℃。計算的空調總送風量為111600m3/h，總的回風量為72000m3/h，新風量為39600m3/h，新風比為35%。

表1 體育館比賽大廳空調設計參數表

2 模型建立

2.1 幾何模型

對體育館部分結構進行了簡化，體育館西北角為坐標原點，體育館長80m（X方向），寬40m（Z方向），高20m（Y方向）。該模型包含有活動座椅，并簡化為高度遞增的矩形，并設有熱源（活動座椅上人員負荷），藍色的圖形分別為圓形噴口和矩形送風口，頂部和中部的綠色矩形分別為排風口和回風口，各風口的參數如表2所示。頂部的8個綠色長條矩形為簡化的照明。體育館模型左側有1個斜面為簡化的觀眾席，右側有2個斜面分別為主席臺和觀眾席，如圖1所示。

圖1 體育館模型圖

表2 各風口送風參數設置

2.2 邊界條件

1）寧德的夏季室外空調計算溫度為30.9℃，室內溫度取26℃。

2）外墻，屋頂定熱流。體育館的外墻傳熱系數K=1.3W/(m·2K)，屋頂的傳熱系數為K=0.52W/(m2·K)，內墻無熱流。

3）人體負荷按極輕勞動強度時，26℃條件下成年男子的顯熱散熱量73W/m2計算，群集系數為0.92計算[4]。將人體負荷簡化到左右兩側斜面上。

4）按電氣專業設計資料，照明總負荷為121.465kW，化簡成8組長×寬×高為39.802m×0.93m× 0.25m的模塊[5]。其中，中間四組的負荷為18156.25W，其余四組的負荷為12177.7W。 2.3網格劃分

Airpak中網格劃分是通過選擇網格類型，設置網格尺寸參數，直接生成體網格，但需要對風口等重要位置進行局部加密，提高網格質量。

本文的體育館模型設定X、Y、Z方向的最大尺寸為0.6m，采用Hexa cartesian網格類型，對風口處每個方向的節點數進行了設定（圖2為左視方向風口處網格），模型總的節點數為3907902，網格質量為0.647。

圖2 左視方向風口處網格

2.4 模擬結果

以上邊界條件，噴口向下10°送風的工況（水平風速為10.537m/s，垂直風速為1.858m/s）作為標準工況，采用k-ε方程進行計算，比賽區域及觀眾區的溫度和風速模擬結果如圖3和圖4。

從圖3和圖4可知，在此種工況下，比賽區域1.5m高度溫度大致在23℃，在活動座椅附近溫度較高，最大達到27℃。風速最大出現在偏右側，最大值為0.28m/s，噴口側送與矩形下送風組合，冷風更易送到下部比賽區域，比賽區域的溫度更加低，但會導致比賽區域的風速偏高。

由圖5和圖6所示的右側觀眾席的溫度在25℃左右，在噴口射流區的溫度較低，風速較大，最大處達到1m/s以上，觀眾的吹風感明顯。為了簡化截圖，只在觀眾席上部1.5m處做了一個大截面，所以右側截面距主席臺較遠，不能很好地反應主席臺處溫度和風速，實際風速要比截圖中小。

圖3 1.5m高度處比賽區域溫度分布圖

圖4 1.5m高度處比賽區域速度矢量圖

圖5 右側觀眾席附近溫度分布圖

圖6 右側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，利用頂部送風不能將空氣均勻送到或達不到效果時，這種情況考慮安裝噴口在側面送風，該體育館的送風采用的是球形噴口側送風與矩形風口送風（側送和下送）組合的方式，在送風與室溫溫差不斷發生變化的情況下，送風氣流將向上（熱風）或向下（冷風）偏移，且送風方向還可能受外部因素干擾，所以球形噴口設計成可旋轉方式，送風方向可以在±30°的范圍內通過執行機構擺動，還可根據需要提供氣動或電動執行器。

通過對比以下兩種工況（表3）來分析噴口角度對比賽區域和觀眾區域風速的影響。以上兩種工況的模擬結果表明，噴口角度的改變對1.5m高處比賽區域的風速影響并不大，但對觀眾區域的風速影響較大，根據觀眾區的速度云圖，選取左側觀眾席中速度較大區域一條特征直線上速度的大小來進行對比，該特征值線在觀眾席以上1.2m，即觀眾頭部區域，方向為Z軸方向。

表3 變角度工況設置

從圖7可知，當噴口向下10°送風時，部分觀眾頭部所在高度處在噴口的射流區域，最大風速達到1m/s，有很強的吹風感，整個觀眾區的風速分布非常不均勻。而當噴口水平送風時，整個觀眾區不在噴口射流區，風速均在0.3m/s以下，分布較均勻，觀眾無吹風感。

圖7 噴口送風角度對觀眾區特征直線上速度大小影響的對比

3.2 送風量改變

由于該體育館需要進行小球比賽，所以對于比賽區域的風速要求較為嚴格，需要在0.2m/s以下，通過采用變頻風機進行風量調節，對比以下兩種工況（表4），分析風量對比賽區域風速及溫度的影響。以上兩種工況的模擬結果顯示，風量減小為75%后，比賽區域及觀眾區的平均溫度均升高了近2℃，仍在表1中對溫度要求的范圍內，風速也有所下降，重點考慮對比賽區域風速的影響。根據比賽區的速度云圖，選取1.5m高度處速度較大區域一條特征直線上速度的大小來進行對比。

表4 變風量工況設置

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

圖8 送風量對比賽區特征直線上速度大小影響的對比

3.3 有無活動座椅

該體育館在進行預賽時，不需要設置活動座椅，在總決賽時才會擺上活動座椅，所以對有無活動座椅對比賽區域風速影響的研究是有必要的。設置以下兩種工況（表5）進行對比研究。

表5 有無活動座椅變工況設置

根據比賽區的速度云圖，選取1.5m高度處速度較大區域一條特征直線上速度的大小來進行對比（圖9）。

圖9 活動座椅對比賽區特征直線上速度大小影響的對比

從圖9可知，無活動座椅時比賽區域的風速分布規律與有活動座椅時不同，并且整體風速要小，共同點是兩種情況均是兩側風速要比中間區域要大。

4 結論

對于需要舉辦重要賽事的體育館，比賽區域的風速要求十分嚴格，在不同的情況下均要保證風速在要求范圍內，且要保證觀眾的熱舒適性，本文通過變噴口送風角度，變風量等工況模擬，并進行對比分析，得到以下結論：

1）球形噴口的送風角度對比賽區域風速的影響很小，但是對觀眾區的風速影響較大，一旦觀眾區在噴口射流區，風速會很大，且不均勻，可以適當增高噴口的位置，或者增大噴口傾斜角度與觀眾梯臺傾斜角度的差異。

2）采用變頻風機適當減小風量可以減小比賽區域的風速，使其在要求范圍內，同時室內溫度也控制在表1中給出的范圍內，減小空調能耗。

3）由于進行不同的比賽，活動座椅可以放置或者撤掉，這對比賽區域的氣流組織有影響，無活動座椅的情況下，比賽區域的風速較有活動座椅時要高，在此種情況下可以考慮減小送風量，進而減小風速，這也與無活動座椅時，人員負荷減小是匹配的。

4）可以考慮分區送風的方式，更好地滿足比賽區域以及觀眾區不同的要求。

[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,2004

[2] 馬曉鈞.體育建筑設計規范[M]:北京:中國建筑工業出版社, 2003

[3] 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范(GB 50736-2012)[S].北京:中國建筑工業出版社,2012

[4] 趙榮義,范存養.空氣調節[M].北京:中國建筑工業出版社,2008

[5] 張歡,楊一尚.體育館空調氣流組織CFD模擬研究[J].暖通空調,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；上海市嘉定區曹安公路4800號同濟大學開物館A314（201804）；021-69583803；E-mail:xuzhang@tongji.edu.cn