某體育場館氣流組織分析

談孜超，方 舟，姜穎霞（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

隨著建筑技術的發展，室內運動的護航建筑“體育館”逐漸成為當下公共建筑的一種重要類型。體育館類建筑作為大空間類建筑，不僅需要滿足形體的美觀，還要滿足人們對室內熱舒適性要求的提高。因此，預測和研究大空間室內氣流組織的分布，有助于設計人員更好地優化設計方案。

氣流組織設計通過合理組織室內空氣流動，使得空氣溫濕度及風速等設計參數符合設計要求。氣流組織的設計效果不僅影響室內環境舒適度，更加影響著暖通空調的運行效果。通常，房間氣流組織的影響因素主要包括風口型式、數量、位置、室內熱擾、房間幾何尺寸等。當前應用于暖通空調專業及室內空氣品質方面的預測方法為計算流體動力學（CFD）。CFD 軟件可以通過數值模擬，預測室內速度場和溫度場，利于不同方案比選，對后期運行效果、實現最優化設計有著重要意義。

為使室內熱環境更為舒適，國內外學者進行了大量室內氣流組織實測和模擬相關研究。本文利用 CFD 模擬軟件，對某體育館的氣流組織進行分析，為優化體育館的空調系統設計與運行提供建議。

1 分析優化目標

氣流組織模擬分析目的是根據室內溫濕度參數、允許風速、噪聲標準、溫度梯度及空氣分布特性指標（ADPI）等要求，優化室內氣流組織設計。

優化對象包括以下內容：

（1）自然通風、機械通風或混合通風的形式選擇；

（2）送排風位置、風口選型、送風參數等確定；

（3）復雜空間氣流組織的設計驗證。

體育場館類的一般空調屬于舒適性空調。通過合理設計，使得室內氣流組織不僅使館內空氣分布符合要求，也可保證館內空調方案的節能。

2 項目概況

項目位于四川省，為乙級大型體育館，總建筑面積約2.5 萬 m2，高度 27 m，體育館共有 3 150 座固定坐席，1 230 座活動座席。該場館主要為省、市級比賽服務，平時為市民體育休閑、文藝演出、大型集會等活動使用場地。

本項目在比賽場館設置一次回風雙風機全空氣系統+排風系統。夏季開啟電動水閥，新風閥開啟（根據最小新風比設定），排風機開啟。在過渡季關閉電動水閥，新風閥開至最大，排風機開啟，以實現全新風運行。送風方式采用座椅送風（下送風）及場邊側送風，后側回風，頂部排風加排煙。

本次分析模型僅建立需要分析的比賽場館模型，不考慮在本次分析范圍外的其他區域。

3 模擬基本方法

3.1 常用模擬工具

室內氣流組織模擬法一般采用 CFD 工具，如CFdesign、Fluent、CFX、PHOENICS 等。

CFdesign 由 AutoCAD 公司開發，主要基于有限元的方法生成劃分網格，確保一些復雜模型能夠自動和迅速的生成網格。屬于前端 CFD 軟件，可供無 CFD 背景的設計工程師使用。

Fluent 及 CFX 均屬于 ANSYS 公司。Fluent 基于有限體積法，高效解決各個領域復雜流體計算問題。需要與 ICEM CFD、GAMBT 網格劃分等前處理軟件配合使用。CFX 基于有限元的有限體積離散方法，精度比較高，物理模型豐富，功能強大。

PHOENICS 采用有限體積法對控制方程進行離散處理?；谠撥浖?，用戶可最大限度使用其內部程序，并且能夠根據實際需要，添加和修改相應的程序及模型。

3.2 邊界條件設置

3.2.1 設計參數

冬夏季空調室外、室內設計參數設置主要如表 1 所示。

表 1 冬夏季室內外設計參數表

3.2.2 室內熱源設置

體育場館類建筑對空調負荷產生影響的室內熱源主要來自兩方面：一是人體，二是照明。在座椅送風模型計算時，設置人體表面熱源為每人 130 W，人體暴露于空氣中的表面積為每人 1.55 m2，從而計算可取單個人體表面熱流密度為83.7 W/m2。仿真計算時，將該散熱量均勻分布在人體所在的空間區域上(人體尺寸按照 GB 10000—1988 《中國成年人人體尺寸》設置)，使其在控制方程中作為一個能量源項進行數值計算。

進行照明熱源仿真計算時，按 GB 50189—2015 《公共建筑節能設計標準》的規定，取照明功率密度為 10 W/m2。

4 結果及分析

輸出的模擬計算結果為溫度分布和速度分布。為了分析模擬結果，選取兩個典型的斷面：人員活動區的截斷面，經過進風口和回風口中心的縱向截斷面。

4.1 冬季工況分析

圖 1 和圖 2 分別是場館縱向截斷面的溫度場和速度場分布圖。圖 3 是人員活動區速度場分布圖。

圖 1 場館內縱向截面溫度場分布圖

圖 2 人員活動區溫度場分布圖

圖 3 場館內縱向截面速度場分布圖

（1）氣流速度。比賽場區 9 m 高度范圍內絕大部分區域風速在 0.15～0.50 m/s 之間，可滿足籃球及排球比賽要求。但進行乒乓球或羽毛球比賽時，比賽場地的風速不得超過 0.2 /s，故該場地的氣流速度不滿足羽毛球比賽的要求。觀眾區風速大部分在 0.35～0.50 m/s 之間，局部達到0.80 m/s，基本滿足規范要求。

（2）溫度分布。由于冬季送熱風，空氣密度隨著溫度升高而變小，熱空氣上升，導致觀眾區沿高度方向溫度分層明顯。比賽區氣流溫度分布均勻，為 22 ℃ 左右。

4.2 夏季工況分析

圖 4 和圖 5 分別是場館縱向截斷面的溫度場和速度場分布圖。圖 6 是人員活動區速度場分布圖。

圖 4 場館內縱向截面溫度場分布圖

圖 5 人員活動區溫度場分布圖

圖 6 場館內縱向截面速度場分布圖

（1）氣流速度。比賽場區 9 m 高度以下多數區域風速在 0.15～0.5 m/s 之間，滿足進行籃球、排球大球比賽的要求。但在羽毛球、乒乓球比賽時，比賽場地的風速不得超過0.2 m/s，故該場地的氣流速度不滿足羽毛球比賽的要求。觀眾區氣流速度為 0.4 m/s，吹風感在較舒適的水平，基本滿足規范。

（2）溫度分布。在場館比賽區，下層冷射流不斷向外進行擴散，同時卷吸周邊相對較高溫度的熱空氣，使得射流具備的動量持續減小，因浮力作用，射流開始向上流動。在熱氣流上升過程中，繼續卷吸因屋頂天窗和燈光得熱產生的熱空氣，使得氣流溫度持續增加，最高可達 35 ℃，而后通過屋頂排風口排出。但是由于場館層高較高，夏季屋頂溫度高于設計值，并不能保證體育館的整體舒適性，而夏季降低送風溫度則會大大提高空調能耗，且不利于體育賽事的正常進行。觀眾區溫度在 26～27 ℃ 之間，滿足舒適性要求。

5 結 語

本文基于 CFD 方法，針對某體育場館采用的“座椅送風+頂部回風”方式，數值模擬了場館內的氣流組織形式，獲得了場館內送風末端的速度場和溫度場的分布，主要結論如下：

（1）在冬季和夏季工況的送風模式下，體育場館內氣流分布整體均勻，滿足人體舒適度要求。由于采用了座椅送風（下送風）及場邊側送風，后側回風，頂部排風方式，當觀眾人數很多，總的人體散熱量較大時，直接從座椅下方送出冷空氣，從而使觀眾周邊的空氣能夠以最快速度進行冷卻，提供觀眾最清新空氣，有效避免了上送風方式可能會導致的熱污氣流吹向觀眾的現象。

（2）比賽區域風速的控制。進行乒乓球、羽毛球等小球比賽時，賽區氣流速度控制要求將非常嚴格，導致賽區風速難以控制。本文采用座椅送風旋流風口，送風溫度為20 ℃，送風速度 0.5 m/s 時，比賽活動區氣流速度在 0.15～0.5 m/s 之間，不滿足風速要求，需要降低風速。

（3）冬季送熱風，空氣密度隨著溫度升高而變小，熱空氣上升，導致底部活動區域溫度偏冷，形成明顯的分層現象。

（4）由于場館層高較高，夏季工況下，屋頂溫度高于設計值，不能保證體育館的整體舒適性，建議增加排風口的設置或者合理的降低層高。