夏熱冬冷地區體育館自然通風設計及潛力分析

趙福云 成瑾 劉寶 徐穎 申廣 王漢青，3 寇廣孝

1 湖南工業大學土木學院

2 武漢大學動力與機械學院

3 南華大學土木工程學院

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。隨著體育事業的蓬勃發展，其能耗問題引起人們的廣泛關注，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，而作為全年正常運行的暖通空調，屬于建筑能耗中的主要部分，為了更好的節約能源和可持續發展，在不影響體育館內人員熱舒適及比賽場地的使用要求下，可考慮在特定時間段使用自然通風代替空調送風。

李靜[1]通過數值模擬的方法研究了高校內體育館采用自然采光和自然通風下的節能潛力，總結出體育館優化設計的方法，對高校體育館的節能設計具有指導意義。體育館[2]的窗地比，建筑體形和建筑朝向會極大地影響自然采光和自然通風的效果，有研究[3]發現，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。有學者提出，建筑的非對稱挑檐形態效果強于非對稱形態和對稱形態，同時針對非對稱挑檐形態提出了適應賽時使用的開口通風策略[4]。研究高大建筑內自然通風的方法有實驗調查，經驗模型和數值模擬等，發現較多文獻利用數值模擬的方法，通過研究自然通風、圍護結構等方面來降低建筑能耗[5-7]。相比于其他方式，數值模擬在研究自然通風中使用較多[8-10]，但體育館中的自然通風只有在特定氣候條件下才適用[11]，這也是大多數研究中所忽視的。本文擬在前人的研究基礎上，以我國夏熱冬冷地區典型的四座城市（長沙、合肥、武漢、重慶）為研究對象，運用數值模擬的方法，研究不同氣候條件下體育館內風壓驅動的自然通風設計策略及通風潛力。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

通過了解國內外現有體育館的屋面形狀，發現相比于規則矩形體育館，屋面類圓形體育館較多，綜合考慮室內參數及綜合適合度[12]，本文選擇典型的對稱凹面下凹式屋面的體育館，物理模型如圖1 所示。設體育館平面半徑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。館內兩側均勻布置寬為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 數學模型

本文假設空氣為不可壓縮的等溫流體，運用Fluent 軟件模擬穩態流動下的流場，采用標準k-ε 兩方程模型，壁面處使用標準壁面函數。壓力-速度耦合方程的求解選擇SIMPLE 算法，對流項采用二階迎風格式，收斂殘差均小于10-6。

1.3 計算域和邊界條件

入口邊界為velocity-inlet，并采用梯度風。出風口邊界條件設為自由出口邊界outflow。流域頂部和兩側采用symmetry 對稱邊界。計算域的大小直接影響網格數量的多少，網格數量又直接影響計算結果的準確性，為了更真實的模擬體育館風環境，設計算域的長寬高分別為15R=700 m、6R=300 m，同時模型進風面放置于計算區域進風口3R=150 m 處。如圖2 所示。

圖2 體育館二維計算域

入口邊界設為velocity-inlet，入口風速采用梯度風，如下式。出風口邊界條件設為自由出口邊界outflow。

1.4 網格獨立性驗證

網格的疏密與最后模擬結果是否準確有直接的關系。為更好的體現壁面邊界層的特征，一般會在壁面處通過改變第一層網格與壁面的間距來加密網格，第一層網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格數：76104，132855 和291903，比較三種網格數下Y=7.25 m 時的速度分布，如圖3 所示，當網格數量由132855 增大到291903 時，速度分布不再變化，獲得網格獨立解。

圖3 體育館模型網格獨立性驗證

2 結果與討論

自然通風在不同氣候區所起的作用是不同的，如自然通風在濕熱氣候區起到排濕的作用，而在干熱氣候區主要是降溫的作用。因此，在體育館的設計階段，為了使自然通風發揮最大的潛力，應考慮體育館所在氣候區在哪些時間段內可以使用自然通風，以及如何才能充分利用自然通風等問題。本文選取我國典型的夏熱冬冷地區的四座城市（長沙、武漢、合肥、重慶）為研究對象，根據不同城市的平均風速和最佳朝向，建立模型對不同城市的體育館風環境進行模擬研究，對比分析不同城市不同季節的速度分布，提出合理的自然通風設計策略，并在此基礎上運用Ecotect 軟件分析不同地區自然通風的潛力。

2.1 自然通風模擬分析

不同城市不同季節平均風速如表1 所示，入口梯度風風速為每個城市不同季節的平均風速。對不同城市不同季節的速度場進行模擬，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所經歷的路程即為體育館最優的設計跨度。

表1 不同城市不同季節平均風速

2.1.1 長沙

根據表1 中長沙市每個季節的平均風速，運用CFD 模擬的方法得到每個季節不同高度的速度分布，如圖4。對比結果發現，長沙市體育館全年自然通風入口平均風速為1 m/s。室內平均風速為0.13 m/s。全年最低風速對應的坐標均為X=655 m，因此建議將該地區體育館最大跨度設為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

以武漢地區不同季節平均風速為入口風速，運用CFD 模擬得到不同高度速度場的分布，如圖5。該地區體育館入口處全年平均風速為2 m/s，館內平均風速為0.35 m/s。春、秋季風速最低點為X=620 m，夏季風速最低點為X=615 m，冬季風速最低點為X=645 m。不同季節對應的送風速度最低點位置不同，因此，若考慮在春、秋季使用自然通風，可以將體育館最大跨度設為60 m。若考慮夏季的風速要求，可以將體育館最大跨度設為55 m。冬季可將體育館最大跨度設為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

入口風速取合肥地區不同季節的平均風速，模擬發現，體育館自然通風入口處平均風速為3 m/s，館室內平均風速為0.57 m/s。由圖6 發現，全年館內風速最低點均為X=615 m，可不考慮季節的變化，故可以將體育館最大跨度設為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 模擬發現，重慶地區體育館自然通風入口處平均風速為7 m/s，館內平均風速為1.7 m/s。夏、秋和冬季的風速最低點為X=660 m，春季的風速最低點為X=620 m。若在夏、秋和冬季考慮使用自然通風，可以將體育館最大跨度設為100 m。考慮春季時可將體育館最大跨度設為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 數值模擬的方法，探討了夏熱冬冷地區典型城市在考慮不同季節使用自然通風時的最優跨度，匯總如表2。

表2 不同地區的典型城市體育館建筑在不同季節的最優跨度

2.2 自然通風潛力分析

自然通風潛力（Natural Ventilation Potential，簡稱NVP），指自然通風具有可實現室內良好空氣質量和熱舒適性的潛力[13]。目前現有的國內外潛力分析方法主要有多標準評估方法，氣候適應性評估方法和有效壓差分析法。本文使用CFD 數值模擬的平均風速為基礎，結合當地典型氣象年的氣象資料和人體典型著裝作為分析依據，考慮體育館內典型的人員活動情況（較少活動、中等活動、重度活動），使用Ecotect 軟件分析人員熱舒適性和自然通風可利用率。分析結果用焓濕圖和通風可利用率表示。

2.2.1 長沙

基于2.1 中對長沙地區的速度場模擬得知，體育館室內平均風速為0.13 m/s，基于此平均風速，探討館內人員活動水平不同時對應的熱舒適區域和自然通風潛力，由焓濕圖和通風可利用率表示，如圖8～10。結合焓濕圖和通風可利用率圖發現，長沙地區夏、秋季體育館自然通風的可利用率較高。隨著人員活動水平的增加，夏、秋季通風可利用率降低，而春、冬季的通風可利用率增加。

圖8 長沙地區體育館內人較少活動時自然通風潛力分析

圖9 長沙地區體育館內人中等活動時自然通風潛力分析

圖10 長沙地區體育館內人重度活動時自然通風潛力分析

2.2.2 武漢

由CFD 模擬可知武漢地區室內平均風速為0.35 m/s，以此為依據得到該地區體育館自然通風的舒適度區域和通風可利用率，如圖11～13 所示。結合該兩種圖發現，人員活動情況無論是較少、中度還是重度活動，夏、秋季通風可利用率相對較高。而隨著人員活動劇烈情況的增加，夏、秋季的通風可利用率降低，春、冬季增加。

圖11 武漢地區體育館內人較少活動時自然通風潛力分析

圖12 武漢地區體育館內人中等活動時自然通風潛力分析

圖13 武漢地區體育館內人重度活動時自然通風潛力分析

2.2.3 合肥

基于風環境模擬得到的合肥地區平均室內風速為0.57 m/s，以該平均風速為基礎分析該地區自然通風潛力發現，春、秋季通風可利用率較高，并且隨著人員活動劇烈程度的增加，夏、秋季的通風可利用率降低，春、冬季增加（圖14～16）。

圖14 合肥地區體育館內人較少活動時自然通風潛力分析

圖15 合肥地區體育館內人中等活動時自然通風潛力分析

圖16 合肥地區體育館內人重度活動時自然通風潛力分析

2.2.4 重慶

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

圖17 重慶地區體育館內人較少活動時自然通風潛力分析

圖18 重慶地區體育館內人中等活動時自然通風潛力分析

圖19 重慶地區體育館內人重度活動時自然通風潛力分析

通過分析不同地區的自然通風潛力后，計算各個地區不同人員活動的全年自然通風潛力，計算結果如表3。

表3 不同地區的城市體育館不同人員活動的年自然通風利用率

3 結論

本文以我國夏熱冬冷地區典型的四座城市為例，模擬了各個城市體育館的自然通風潛力，根據分析結果得到各個地區體育館的最優設計跨度，為合理利用自然通風的建筑設計提出了理論依據。本文得到的主要結論有：

1）長沙和合肥地區在考慮自然通風時，設計跨度可不用考慮季節的變化，對應的最優設計跨度分別為95 m 和55 m。而武漢、重慶地區的最優設計跨度需要考慮季節的變化。如在武漢地區，若考慮在春、秋季節使用自然通風，最優跨度可設計為60 m，若主要在夏季使用，最優跨度為55 m，冬季為85 m。同樣地，在重慶地區，若在春季使用，最優設計跨度為60 m，夏、秋季為100 m，冬季為55 m。

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