某體育館分層空調數值模擬及其優化

黃棟 文遠高 李政桐 明廷臻

1武漢理工大學土木工程與建筑學院

2華中科技大學能源與動力工程學院

0 引言

近年來， 我國運動員在各大體育賽事上取得了諸多令人矚目的成績，體育產業受到了前所未有的關注， 國家政府也因此不惜投巨資在全國范圍內大量修建體育場館 [1] 。雖然體育館類建筑在造型， 尺寸等多方面實現了突破， 但是由于體育館內的空調設計卻與一般建筑存在明顯差異[2]， 考慮到體育館建筑具有建筑高度高， 空調負荷大， 圍護結構材料特殊,使用功能多樣化等特點， 也考慮到體育館的觀眾看臺區與比賽區對氣流組織要求的差異化， 體育館的空調設計在結構設計上更加復雜， 氣流組織也難以得到有效控制[3]。因此， 大型體育館作為高度大于 5m， 體積大于10000m3的高大空間建筑， 對于其氣流組織的設計， 設計者們通常需要付出更多的努力[4-7]。

由于館內的人員散熱占體育館余熱的70%左右[8]， 因而觀眾的上座率很大程度上影響到了空調負荷的確定。實際上， 體育館的運行工況與其設計條件是不同的， 考慮到體育館內的上座率很難達到 100%，但此時送風工況仍然采用 100%上座率下的工況， 因而會產生很大的能源浪費。本文以某體育館為研究對象， 利用計算流體軟件Airpak 對館中側送下回的空調運行狀況進行模擬。在模擬時， 截取某一具有代表性的部分模型， 并對該模型做了相應的簡化處理， 研究了在不同送風速度， 不同送風角度， 不同上座率工況下， 體育館內的氣流組織分布。最后依據其氣流組織分布， 得出了適用于該體育館的優化方案。結果顯示，優化方案不僅能節約運行成本， 還能提高體育館內觀眾與運動員的舒適性， 為工程實踐提供了參考。

1 物理數學模型

1.1 物理模型

考慮到有限的計算能力， 因此在不影響模擬結果準確性的前提下， 截取了該體育館的部分區域進行了建模。 模型實際尺寸如圖1所示： 長度X方向為16m，寬度Z方向為10m， 高度Y方向為18m。 靠體育館南側布置有 15 層觀賽臺階， 沿 X 從 0 到 8.5m， 沿 Z方向0到10m， 高度沿Y方向從0到4.6m。 在最上層臺階的上方布置風管和5個送風口，最下層臺階腳下有3個回風口， 臺階的正上方布置6個燈管。 進行數值模擬時， 假設將室內空氣視為連續性介質， 室內空氣密度保持不變， 將室內空氣設為理想氣體， 認為室內流動為定常流動[9]。

圖1 體育館內物理模型

1.2 數學模型

考慮到室內氣流組織的復雜程度， 因而其空氣流動狀態多為湍流流動。 本文采用 湍流模型對室內空氣的流動特性進行數值模擬， 根據室內空氣的流動特點作出以下合理的假設：1） 室內空氣不可壓縮且為充分發展的湍流流動。2）流 體物性不發生變化。3)忽略重力影響。4）考 慮固體與流體流動間的耦合傳熱問題。5）入口的溫度、速度分布均勻。則需要求解的連續性方程，動 量方程與能量方程分別表示如下：

湍流模型采用標準的k-ε數學模型，其中k和ε是兩個基本未知量， 其輸運方程為：

式中：Gk表示由于速度梯度引起的湍動能產出，可以定義為和σε表 示湍流普朗特數，其中σ=0.9，σ=1.0i，σ=1.3；其 中C與C為湍流常數TKε12C1= 1.44，C2= 1.92。μi= (cμρ k2/ε)，且Cμ= 0.09。

1.3 邊界條件與計算模型

計算模型的邊界條件如表1所示，表中涉及相應的邊界類型， 布置位置， 尺寸參數以及相應的數量。對計算空間進行有限體積法離散， 收斂標準取為 1×10 -4 。計算時采用雙精度的分離隱式算法，運用 SIMPLE算法對壓力與速度進行耦合，對流項的離散格式為QUICK， 其余各項均采用二階迎風差分格式， 固體壁面采用無滑移邊界條件。通過進行網格獨立性驗證，增加了計算網格的準確性與穩定性， 在保證計算效率的前提下， 該模型的最佳網格數為428598。

表1 計算模型的邊界條件

2 計算結果與分析

2.1 送風速度的影響

送風速度是空調系統設計和運行中的一個重要參數， 它不僅關系到館內人員的舒適性， 而且還影響館內的氣流組織分布、 噪聲大小等。本節針對該空調系統在送風參數不變 （送風溫差△t=8 ℃， 水平送風）的前提下， 分析其送風速度對館內溫度場的影響。其中送風速度V設置為 4m/s，4.5m/s， 與 5m/s(原設計工況)。

圖2 在不同送風速度V下 z=5m處溫度分布云圖

如圖 2 所示， 本文截取了z=5m 處溫度分布云圖進行分析， 結果顯示送風速度能夠對溫度場的分布產生很大的影響。當送風速度為原設計送風速度 （V=5m/s） 時， 比賽場地及其上方的溫度維持在 23 ℃， 屋頂得熱對觀眾區的溫度影響很小， 由于偏大的送風速度， 導致射流彎曲程度減小， 即射流半徑增大。在熱舒適性上， 前四排觀眾的頭部溫度為 23 ℃， 觀眾會感覺稍冷， 不滿足設計要求 （26 ℃）。而后排觀眾頭部溫度在 26 ℃， 基本符合設計要求。當減小送風速度 （V=4.5m/s） 時， 比賽場地及其上方溫度保持在24 ℃， 雖然低于設計溫度， 但是考慮到比賽期間運動員活動量比較大， 散熱相應增加， 稍低的溫度反而能夠產生更好的舒適感， 而且整個觀眾席上觀眾頭部附近的溫度維持在26 ℃左右， 基本滿足設計要求。當繼續減小送風速度 （V=4m/s） 時， 整個比賽場地及上空溫度為25 ℃， 由于送風速度偏小， 冷空氣射流彎曲嚴重， 導致觀眾席前七排溫度偏高， 頭部附近溫度增加至 28℃， 感覺偏熱，不符合設計要求， 而且， 屋頂得熱對館內上部空間的溫度分布影響開始偏大。綜上所述， 當觀眾上座率為100%時， 送風速度為 4.5m/s， 在送風溫差△t=8 ℃工況條件下， 能夠滿足設計要求。

2.2 送風角度的影響

合理的送風角度能夠優化館內氣流組織分布以及降低空調能耗， 因而對于側送下回氣流組織系統， 送風角度在空調設計中起著至關重要的作用。基于優化后的送風速度 （V=4.5m/s）,在送風溫差保持 8 ℃不變的前提下，研究不同送風角度對溫度場的影響。其中送風角度設置為向下傾斜15° 以及向上傾斜15° 。

圖3 在不同送風角度下 z=5m處溫度分布云圖

如圖3所示，截取了z=5m處溫度分布云圖進行分析， 結果顯示送風角度也能夠對溫度場的分布產生很大的影響。因為送風角度會影響到氣流組織的分布， 特別是重點關注區域 （觀眾席頭部） 的溫度。當送風角度向下傾斜時，結果顯示由于從第七排觀眾開始， 后面的觀眾頭部附近溫度維持在24 ℃， 感覺稍冷，所以不符合設計要求。當送風角度向上傾斜時， 冷風到達觀眾席的時間增加，前排觀眾席頭部溫度偏低，同樣不符合設計要求。只有在水平送風工況下， 才能滿足各方面舒適性設計要求。

2.3 觀眾上座率的影響

由于體育館內人員數量眾多， 而人員產生的熱負荷占整個體育館空調負荷的比重較大， 不同上座率對體育館內溫度分布能夠產生相應的影響， 因此上座率對館內的溫度分布產生的影響需要進行相應的研究與分析。 本節針對館內低上座率 （30%） 的情況， 對比滿負荷工況（△t=8 ℃，V=4.5m/s)以及優化工況 （△t=6.5 ℃，V=4.5m/s)下溫度分布情況。

圖4 低上座率（30%）時不同工況下z=5m處溫度分布云圖

如圖 4 所示， 由于人員所占負荷比重大， 上座率能夠影響體育館內的溫度分布。當上座率為30%采用滿負荷工況時， 體育館內的整體溫度維持在 22 ℃。其中， 前排觀眾附近的溫度在 23 ℃左右， 遠低于設計溫度26 ℃。為了緩解過低的室內溫度， 相應的減少送風溫差。結果顯示， 在觀眾頭部附近的溫度控制在 26 ℃左右， 達到設計溫度要求。 綜上所述， 當上座率降低時，仍然采用滿負荷的設計工況， 不僅觀眾席舒適度無法達到要求，也造成很大程度上的能源浪費。需要通過優化設計方案， 例如降低送風溫差 （提高送風溫度） 解決不同上座率的工況設計問題。

3 結論

本文以某體育館為研究對象，利 用計算流體軟件Airpak 對館中側送下回的空調運行狀況進行模擬，分 析不同送風速度，送 風角度對館內溫度分布的影響，以 及在體育館低上座率情況下，提 出了相應的優化運行方案。

1）隨 著送風速度的增加，射 流彎曲程度越小，射 流長度越長，射 流彎曲的地方會出現漩渦，原 設計工況下，雖 然能使觀眾席的空氣齡變小，舒 適性提高，但 是會使整個體育館空間的溫度偏低，速 度也偏大，因 而最佳的送風速度為4.5m/s。

2）送 風口角度對體育館觀眾席以及氣流組織的影響很大，向 下傾斜15°送 風時，雖 然送出來的冷風能快速到達觀眾席區域，提 高了舒適性，會 使后三排觀眾席頭部風速達到了0.7m/s。當送風工況為向上傾斜15°時，觀 眾席頭部風速更加均勻。相比水平送風工況，這 種送風方式使得送出來的冷風需要更長的時間才能到達觀眾席區域。因而最佳的送風角度為水平送風。

3）隨 著觀眾上座率的增加，熱 浮力增加，散 熱量也隨著增加，所 以針對不同的上座率情況，應 采取不同的送風溫差，這 樣既能提高舒適性，又 能達到節約運行能耗的目的。得出優化方案：3 0%上座率取送風溫差了6.5 ℃，100%上座率取8℃。

參考文獻

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