宁德某体育馆气流组织模拟分析

蔡荥荧 张 旭* 张晓明 潘欣钰

1同济大学机械与能源工程学院2中船第九设计研究院工程有限公司

宁德某体育馆气流组织模拟分析

蔡荥荧1张 旭1* 张晓明2潘欣钰2

1同济大学机械与能源工程学院2中船第九设计研究院工程有限公司

本文以宁德某体育馆为例，针对比赛场馆的特殊要求，利用Airpak数值模拟的手段，对体育馆比赛大厅（包括比赛区和观众区）在典型夏季条件下有观众时的气流组织进行模拟，分析热舒适性，并分别对比送风量，喷口送风角度以及有无活动座椅对比赛区域风速和温度的影响，得到最优的设计方案，为多功能体育馆的室内环境设计优化等提供一定的理论依据。

体育馆 气流组织 数值模拟

0 引言

随着人民生活水平的提高，全民运动以及各大体育赛事都在我国热烈展开，我国对各类体育设施，特别是体育馆建设的投入不断加大。人们对体育馆等这种高大空间结构建筑的室内环境要求也越来越高。体育馆建筑属于大空间建筑，体积大、围护结构传热量大，人员、灯光密集，空调负荷较大，该类建筑应满足健康、舒适、能源有效利用和环境保护等方面的要求[1]。同时体育馆不同区域有不同的气流组织要求，如比赛场地通常对速度要求比较严格，尤其是进行乒乓球等小球比赛的情况；而观众区通常要求速度温度的分布满足人体热舒适要求。

本文中采用的送风方式为上部喷口送风（角度可调）以及矩形风口送风，中下部回风，利用数值模拟的方法验证这种设计是否满足比赛区域的风速要求以及人员区域的热舒适性，通过调节喷口的送风角度，变频风机改变送风量对设计进行优化，并对比分析。

1 体育馆及空调设计参数概况

本体育馆主要用来举行各类球类比赛（包括大球和小球），它的核心区域为比赛大厅，包含了比赛区和观众区，可容纳3000人左右，是小型综合性体育馆，属于高大空间。

根据表1体育馆比赛大厅空调设计参数表中的要求[2]，本体育馆的夏季室内设计温度取26℃，相对湿度取60%。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）[3]，宁德的夏季室外空调计算温度为30.9℃。计算的空调总送风量为111600m3/h，总的回风量为72000m3/h，新风量为39600m3/h，新风比为35%。

表1 体育馆比赛大厅空调设计参数表

2 模型建立

2.1 几何模型

对体育馆部分结构进行了简化，体育馆西北角为坐标原点，体育馆长80m（X方向），宽40m（Z方向），高20m（Y方向）。该模型包含有活动座椅，并简化为高度递增的矩形，并设有热源（活动座椅上人员负荷），蓝色的图形分别为圆形喷口和矩形送风口，顶部和中部的绿色矩形分别为排风口和回风口，各风口的参数如表2所示。顶部的8个绿色长条矩形为简化的照明。体育馆模型左侧有1个斜面为简化的观众席，右侧有2个斜面分别为主席台和观众席，如图1所示。

图1 体育馆模型图

表2 各风口送风参数设置

2.2 边界条件

1）宁德的夏季室外空调计算温度为30.9℃，室内温度取26℃。

2）外墙，屋顶定热流。体育馆的外墙传热系数K=1.3W/(m·2K)，屋顶的传热系数为K=0.52W/(m2·K)，内墙无热流。

3）人体负荷按极轻劳动强度时，26℃条件下成年男子的显热散热量73W/m2计算，群集系数为0.92计算[4]。将人体负荷简化到左右两侧斜面上。

4）按电气专业设计资料，照明总负荷为121.465kW，化简成8组长×宽×高为39.802m×0.93m× 0.25m的模块[5]。其中，中间四组的负荷为18156.25W，其余四组的负荷为12177.7W。 2.3网格划分

Airpak中网格划分是通过选择网格类型，设置网格尺寸参数，直接生成体网格，但需要对风口等重要位置进行局部加密，提高网格质量。

本文的体育馆模型设定X、Y、Z方向的最大尺寸为0.6m，采用Hexa cartesian网格类型，对风口处每个方向的节点数进行了设定（图2为左视方向风口处网格），模型总的节点数为3907902，网格质量为0.647。

图2 左视方向风口处网格

2.4 模拟结果

以上边界条件，喷口向下10°送风的工况（水平风速为10.537m/s，垂直风速为1.858m/s）作为标准工况，采用k-ε方程进行计算，比赛区域及观众区的温度和风速模拟结果如图3和图4。

从图3和图4可知，在此种工况下，比赛区域1.5m高度温度大致在23℃，在活动座椅附近温度较高，最大达到27℃。风速最大出现在偏右侧，最大值为0.28m/s，喷口侧送与矩形下送风组合，冷风更易送到下部比赛区域，比赛区域的温度更加低，但会导致比赛区域的风速偏高。

由图5和图6所示的右侧观众席的温度在25℃左右，在喷口射流区的温度较低，风速较大，最大处达到1m/s以上，观众的吹风感明显。为了简化截图，只在观众席上部1.5m处做了一个大截面，所以右侧截面距主席台较远，不能很好地反应主席台处温度和风速，实际风速要比截图中小。

图3 1.5m高度处比赛区域温度分布图

图4 1.5m高度处比赛区域速度矢量图

图5 右侧观众席附近温度分布图

图6 右侧观众席附近速度矢量图

3 变工况分析

3.1 喷口角度改变

由于体育馆的面积很大，利用顶部送风不能将空气均匀送到或达不到效果时，这种情况考虑安装喷口在侧面送风，该体育馆的送风采用的是球形喷口侧送风与矩形风口送风（侧送和下送）组合的方式，在送风与室温温差不断发生变化的情况下，送风气流将向上（热风）或向下（冷风）偏移，且送风方向还可能受外部因素干扰，所以球形喷口设计成可旋转方式，送风方向可以在±30°的范围内通过执行机构摆动，还可根据需要提供气动或电动执行器。

通过对比以下两种工况（表3）来分析喷口角度对比赛区域和观众区域风速的影响。以上两种工况的模拟结果表明，喷口角度的改变对1.5m高处比赛区域的风速影响并不大，但对观众区域的风速影响较大，根据观众区的速度云图，选取左侧观众席中速度较大区域一条特征直线上速度的大小来进行对比，该特征值线在观众席以上1.2m，即观众头部区域，方向为Z轴方向。

表3 变角度工况设置

从图7可知，当喷口向下10°送风时，部分观众头部所在高度处在喷口的射流区域，最大风速达到1m/s，有很强的吹风感，整个观众区的风速分布非常不均匀。而当喷口水平送风时，整个观众区不在喷口射流区，风速均在0.3m/s以下，分布较均匀，观众无吹风感。

图7 喷口送风角度对观众区特征直线上速度大小影响的对比

3.2 送风量改变

由于该体育馆需要进行小球比赛，所以对于比赛区域的风速要求较为严格，需要在0.2m/s以下，通过采用变频风机进行风量调节，对比以下两种工况（表4），分析风量对比赛区域风速及温度的影响。以上两种工况的模拟结果显示，风量减小为75%后，比赛区域及观众区的平均温度均升高了近2℃，仍在表1中对温度要求的范围内，风速也有所下降，重点考虑对比赛区域风速的影响。根据比赛区的速度云图，选取1.5m高度处速度较大区域一条特征直线上速度的大小来进行对比。

表4 变风量工况设置

从图8可知，比赛场地的两侧区域风速较大，在100%风量下，最大风速已接近0.3m/s，中间区域也有部分超过0.2m/s。风量较少为75%，整体的风速均有下降，比赛场地的中间区域风速均在0.2m/s以下，能够满足小球比赛的要求。

图8 送风量对比赛区特征直线上速度大小影响的对比

3.3 有无活动座椅

该体育馆在进行预赛时，不需要设置活动座椅，在总决赛时才会摆上活动座椅，所以对有无活动座椅对比赛区域风速影响的研究是有必要的。设置以下两种工况（表5）进行对比研究。

表5 有无活动座椅变工况设置

根据比赛区的速度云图，选取1.5m高度处速度较大区域一条特征直线上速度的大小来进行对比（图9）。

图9 活动座椅对比赛区特征直线上速度大小影响的对比

从图9可知，无活动座椅时比赛区域的风速分布规律与有活动座椅时不同，并且整体风速要小，共同点是两种情况均是两侧风速要比中间区域要大。

4 结论

对于需要举办重要赛事的体育馆，比赛区域的风速要求十分严格，在不同的情况下均要保证风速在要求范围内，且要保证观众的热舒适性，本文通过变喷口送风角度，变风量等工况模拟，并进行对比分析，得到以下结论：

1）球形喷口的送风角度对比赛区域风速的影响很小，但是对观众区的风速影响较大，一旦观众区在喷口射流区，风速会很大，且不均匀，可以适当增高喷口的位置，或者增大喷口倾斜角度与观众梯台倾斜角度的差异。

2）采用变频风机适当减小风量可以减小比赛区域的风速，使其在要求范围内，同时室内温度也控制在表1中给出的范围内，减小空调能耗。

3）由于进行不同的比赛，活动座椅可以放置或者撤掉，这对比赛区域的气流组织有影响，无活动座椅的情况下，比赛区域的风速较有活动座椅时要高，在此种情况下可以考虑减小送风量，进而减小风速，这也与无活动座椅时，人员负荷减小是匹配的。

4）可以考虑分区送风的方式，更好地满足比赛区域以及观众区不同的要求。

[1] 董玉平.高大空间建筑气流组织CFD模拟研究[D].天津:天津大学,2004

[2] 马晓钧.体育建筑设计规范[M]:北京:中国建筑工业出版社, 2003

[3] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB 50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[4] 赵荣义,范存养.空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[5] 张欢,杨一尚.体育馆空调气流组织CFD模拟研究[J].暖通空调,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

张旭（1955～），男，博士，教授；上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学开物馆A314（201804）；021-69583803；E-mail:xuzhang@tongji.edu.cn