体育馆形态非对称性对运动场地自然通风及热舒适性的影响*

李晋

(华南理工大学建筑学院∥亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640)

随着社会经济的发展，体育馆的功能不断得以拓展，从早期的以单一比赛为主，发展为集比赛、训练、展览、观演集会等于一体的多功能场所［1］．掌握体育馆设计与自然通风相互作用的规律，可有效促进自然能源向建筑内部流动，实现室内换气、降温，最终改善体育馆不同使用人群的舒适感受［2-3］．设计师在方案构思阶段若能将体育馆形态设计同室内场地自然通风结合起来，并选取合理的开窗通风策略，对于把控体育馆竞技比赛、健身训练、集会表演等不同使用模式下的自然风环境颇为有益［4-5］．

文中利用Fluent等软件对非赛事条件下的体育馆抽象模型进行模拟计算，比较研究体育馆基本形态改变对室内运动场地风速及整体换气次数的影响;然后在优化模型的基础上进一步探讨赛时不同使用模式下的开窗通风策略;最后研究了自然通风调节对使用人群热舒适性的影响，可为体育馆设计和使用提供科学依据．

1 研究模型的建立

从实际的体育馆建筑中抽象出3种模型，设定相同边界条件，运用Fluent软件对其进行风环境模拟，提取数据整理得出各进、出风口风速和运动场地风速，进而得出相应的室内换气次数及自然通风调节下运动人群的舒适扩展范围，结合图表研究体育馆非对称形态对运动场地风环境的影响．

1．1 建立CAD模型

为便于研究，将体育馆形态简化为图1所示的3种基本形态，其中平面图、剖面图左侧为进风侧．

模型a:运动场地平面尺寸为75 m×75 m，高度为30m(中型规模体育训练馆的抽象基本形态)，对称形态模型．

模型b:在模型a的基础上，保持模型体积和屋面中心高度不变，将屋顶作15°单向倾斜，降低的一侧立面作为正向进风面，形成非对称形态模型．

模型c:在模型b的基础上增加屋面挑檐，进风侧和出风侧外挑宽度均为10 m，另外两侧外挑8 m，进风侧屋檐向上折起，与水平面呈15°夹角，形成非对称挑檐形态模型．

3个模型中，窗的分布一致，同位置窗户尺寸相同，窗高均为1．5m，进、出风侧立面开窗3排(每排3个，中间窗宽25m，两侧窗宽均为15m)，其余两侧开窗3排(每排1个，窗宽均为25m)．3排窗的中线距地面依次为 2．75、5．75、15．25m．

图1 3种抽象形态模型Fig．1 Models of three abstract forms

1．2 气体流动方程的确定

采用Fluent软件模拟选用标准k-ε双方程模型，即湍流动能及其扩散率的传输方程的半经验模型．当流动为不可压，且不考虑用户自定义源时，标准k-ε模型计算公式可表示为［6-8］

标准k-ε模型中的k控制方程可表示为

标准k-ε模型中的ε控制方程可表示为

1．3 边界条件的确定

将3个实验模型分别置于长525m、宽375m、高120m的计算域中(设模型长、宽、高分别为L、W、H，为满足计算精度，计算域大小设定为7L×5W×4H)，模型进风面与计算域进风口相距150m，计算域进风口入口边界velocity-inlet选用广州城市梯度风参数．梯度风具体表达式为

其中:z1、u1分别为参考高度和参考高度处的风速，根据广州地区气象参数，分别选取10m和1．8m/s作为参考值［9］;z、u分别为流域中某高度及该高度所对应的平均风速．

风速剖面使用 Fluent的 UDF(User Defined Function)功能通过编程实现［10］．鉴于出流已接近完全发展，出风口采用自由出口边界．顶部和两侧采用symmetry对称边界条件［11］．

2 非赛事条件下的自然通风

2．1 中轴剖截面风压比较

运用Fluent计算，选取中轴对称剖截面为典型剖截面，3个模型的风场压力云图如图2所示．选取2．75、5．75 和 15．25m 3 个高度提取风压数值，并计算出相应高度上迎风面与背风面的风压差，如表1所示．结果表明，非对称的模型b和模型c在各高度上的风压差较对称形态模型a有了明显的提高，且模型c的屋面挑檐使得建筑底部、屋檐下部等区域的正负压差进一步加大．

表1 不同高度时3种模型的风压差比较Table 1 Comparison of wind pressure drop at different height in three models

图2 3种模型的中轴对称剖截面压力云图Fig．2 Pressure nephograms at middle symmetry section in three models

2．2 采样点风速提取分析

运用Fluent计算得3个模型在中轴对称剖截面的风速模拟结果，如图3所示，在该剖截面上对窗口和运动场地选点采样．窗口采样点选取依据:进风、出风立面3排窗口与中轴对称剖截面相交所成各线段的中点，分别记为 Wδ-1、Wζ-2 或 Wη-2(δ、ζ、η分别代表 2．75、5．75 和15．25m 处的窗中点，1 代表进风侧，2代表出风侧)，将同侧3个中点的风速平均值近似认为是该侧进风口风速，记为W-x1或者W-x2(x为模型编号，1代表进风侧，2代表出风侧)．运动场地采样点选取依据:从进风侧墙面开始向出风侧方向，每隔7．5 m取场地上方1．5 m高处(相当于运动人群站立时胸口处平均高度)［12-13］的采样点风速值，3个模型的场地采样点均为9个，并用C-XX表示运动场地上所有的采样点，XX为连续数字编号(从01到09)，如图4所示．

图3 3种模型的中轴对称剖截面风速模拟图Fig．3 Simulation of wind velocity at middle symmetry section in three models

图4 采样点分布示意图Fig．4 Schematic diagram of sampling points’distribution

2．2．1 窗口风速比较

3个模型各窗口采样点风速如表2所示，其平均风速大小依次为W-c1(1．18m/s) ＞W-b1(0．83m/s) ＞W-a1(0．75m/s)，W-c2(0．59m/s) ＞W-b2(0．41m/s) ＞W-a2(0．32m/s)．可见，非对称形态模型 b、c进风窗平均风速均高于对称形态模型a，其中模型c进风窗平均风速较模型a提高了57%、较模型b提高了42%．这是由于模型c在形态调整基础上增加了屋面出檐，使得迎风面与背风面的风压差加大，从而在开窗大小、位置相同的情况下进风窗处的平均风速较其他两者高．

表2 3个模型各窗口采样点风速比较Table 2 Wind velocity comparison of window sampling points in three models

2．2．2 运动场地风速比较

3种模型运动场地采样点风速如图5所示．由图5可见，进风侧墙面至场地中部这段范围内，受进风风速影响，模型c各采样点风速普遍高于其他模型，模型a和模型b相差不大;场地中部至出风侧墙面，受模型迎风面与背风面之间压差的影响，模型c各采样点的风速最高，模型b次之，模型a最小．非对称挑檐模型c的气流在室内较远进深范围能够维持较高的风速，在自然通风调节情况下其运动场地风速整体上高于模型a、b．

图5 3种模型运动场地采样点风速比较Fig．5 Wind velocity comparison of sampling points in exercise site of three models

2．3 室内换气次数统计

鉴于进风侧3排窗户每排的面积大小、相对位置一致，故将模型进风侧3排窗口与中轴对称剖截面相交所形成的3条线段上的中点风速值取其平均值，并近似地看作该模型进风窗风速平均值v，m/s;求得进风侧3排窗户的总面积F，m2．按照公式L=3600vF计算出每小时的室内进风量L，m3;除以体育馆体积V得出该模型每小时内的换气次数［14］．按上述计算方法分别求得模型a、b、c每小时的换气次数依次为 3．96、4．38、6．23，可见在形态非对称的基础上，合理增加屋面挑檐可进一步优化换气效果．对于集会、展览、观演等非比赛活动而言，提高运动场地风速对于提升使用人群的热舒适感受及改善空气质量均有益处．

3 赛时不同使用模式下的开窗通风策略

当前体育馆的赛事通风几乎完全依赖空调、机械通风等手段，造成高能耗的同时易导致空气质量下降和疾病的传播．在前一阶段研究的基础上，进一步考虑赛时条件下具体的自然通风策略，控制风速以满足不同赛事的需求，即控制不同高度进出风窗的开闭以调控运动空间风环境．基于前文的研究，在通风效果最好的模型c基础上进一步深化研究．

体育馆在不同使用模式下对于自然通风的要求不尽相同，根据JGJ31—2003《体育建筑设计规范》，乒羽项目赛时则要求场地风速不大于0．2m/s(乒乓球的高度范围取距地3 m以下，羽毛球的高度范围取距地9m以下)，其他多数项目赛时场地风速应不大于0．5m/s，赛后健身、集会表演等并无具体要求．通过前文分析发现，优化模型c在进出风窗全开情况下更适合于赛后健身及集会表演的开展，对多数运动的比赛仍有干扰，为实现运动项目赛时的正常开展仍需选取适宜的开窗通风策略．

针对风速要求不大于0．2 m/s的第1种使用模式，可在模型c的基础上，进风侧仅半开15．25 m高第3排进风窗，3面出风侧半开第2排5．75m和第3排15．25m高的各出风窗，其余窗户全关闭，取其中轴对称剖截面分析，模拟结果如图6(a)所示．提取数值发现运动空间距地3m以下风速最大值约为0．18m/s，平均风速约为0．11 m/s;距地9 m以下风速最大值约为0．38m/s(出现在进风窗附近)，平均风速约为0．11m/s，按照前文1．5m高处采样点位置提取人群运动区域风速，如图7所示．按此开窗通风方式可使场地绝大部分区域满足乒羽项目的比赛要求．

针对风速要求不大于0．5m/s的第2种使用模式，可在模型c的基础上，进风侧仅开启第2排5．75m高的进风窗的1/3面积，3面出风侧仅半开第3排15．25m高的出风窗，其余窗户全关闭，取其中轴对称剖截面分析，模拟结果如图6(b)所示．提取1．5m高处各采样点风速，如图7所示，可见该高度风速最大值在0．5m/s左右，平均风速约为0．42m/s．按此开窗通风方式可使场地基本满足大球等多数项目的比赛要求．

综上所述，模型c赛时、赛后不同使用模式下的开窗通风策略如表3所示．

图6 两种使用模式下模型c中轴剖截面风速模拟图Fig．6 Simulation of wind velocity at middle section in model c in two use modes

图7 3种使用模式下不同开窗通风方式对运动场地风环境的影响Fig．7 Influence ofdifferentwindow-opening ventilation ways on wind environment of exercise site in three use modes

表3 不同使用模式下的开窗通风策略Table 3 Window-opening ventilation strategies in different use modes

4 运动场地的热舒适性分析

以风环境模拟得到的模型a、b、c各场地区1．5m高处各采样点风速为基础，取其平均值为运动场地该高度处的平均风速值，结合广州典型气象年气象数据、着衣特征及观演静坐状态作为热舒适分析的依据［15］，运用WeatherTool软件对3种形态模型进行运动场地区域热环境分析，结果以焓湿图的形式表示，如图8所示．焓湿图中横坐标为干球温度 (℃)，纵坐标为绝对湿度(mg/L)，倾斜虚曲线为相对湿度(%)(曲线自下而上依次表示10%，20%，…，100%);基础区域指不借助任何降温手段所得到的热舒适区域，将3个模型在自然通风调节下运动场地热舒适性扩展后的区域分别用区域a、区域b、区域c的相应线框表示，并认为落在热舒适及其扩展区域内的温、湿度组合可在不用空调的情况下使人体感到舒适［16-18］．

图8 3种模型运动场地热舒适扩展区域比较Fig．8 Thermal comfort extended-area comparison of exercise site in three models

由图8可见，利用自然通风提升运动区域风速可有效扩大观演人群的热舒适范围;其中非对称挑檐模型c场地热舒适范围改善状况明显优于对称模型a和非对称模型b．

以风环境模拟得到的模型c在赛时赛后、不同使用模式下开窗通风时1．5m高处各采样点的风速为基础，分别取其平均值作为运动场地在对应模式下的平均风速值，结合广州典型气象年气象数据、运动着衣特征及中等活动强度作为热舒适分析的依据，运用WeatherTool软件对模型c在上述3种通风状态时进行运动场地区域热环境分析，如图9所示．将赛时使用模式1、2及赛后健身使用3种不同模式自然通风调节时运动场地热舒适性扩展后的区域，分别用区域1、区域2、区域3的相应线框表示．由图9可见，自然通风调节可在满足运动项目正常开展的前提下，有效改善运动人群的热舒适感受．

图9 3种通风状态下模型c运动场地热舒适扩展区域比较Fig．9 Thermal comfort extended-area comparison of exercise site in model c under three ventilation situations

5 结论

利用Fluent等软件对对称形态、非对称形态及非对称挑檐形态的体育馆模型进行模拟计算，得出以下几点结论:

(1)在室外风环境相同条件下，调整体育馆形态非对称性，并在此基础上合理增加屋面挑檐，有利于增大迎风面与背风面的风压差，进而强化室内运动场地自然通风的动力，提升室内换气次数，并可改善室内使用人群热舒适范围;

(2)根据不同比赛的需求，可通过调控进出风窗开闭的面积以控制风速，最大程度实现运动空间的自然化调控，较以往比赛时一定要在空调状态下进行才能满足对风速控制的做法有了一定的进步;

(3)在湿热地区气候条件下，建议在结构合理与造型美观的基础上调整体育馆屋面挑檐宽度、挑檐角度，可采用随季节变化的可变动挑檐构造使之与遮阳作用相结合，以寻求通风、遮阳、隔热综合效益最优的挑檐方案．

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