某体育馆分层空调数值模拟及其优化

黄栋 文远高 李政桐 明廷臻

1武汉理工大学土木工程与建筑学院

2华中科技大学能源与动力工程学院

0 引言

近年来， 我国运动员在各大体育赛事上取得了诸多令人瞩目的成绩，体育产业受到了前所未有的关注， 国家政府也因此不惜投巨资在全国范围内大量修建体育场馆 [1] 。虽然体育馆类建筑在造型， 尺寸等多方面实现了突破， 但是由于体育馆内的空调设计却与一般建筑存在明显差异[2]， 考虑到体育馆建筑具有建筑高度高， 空调负荷大， 围护结构材料特殊,使用功能多样化等特点， 也考虑到体育馆的观众看台区与比赛区对气流组织要求的差异化， 体育馆的空调设计在结构设计上更加复杂， 气流组织也难以得到有效控制[3]。因此， 大型体育馆作为高度大于 5m， 体积大于10000m3的高大空间建筑， 对于其气流组织的设计， 设计者们通常需要付出更多的努力[4-7]。

由于馆内的人员散热占体育馆余热的70%左右[8]， 因而观众的上座率很大程度上影响到了空调负荷的确定。实际上， 体育馆的运行工况与其设计条件是不同的， 考虑到体育馆内的上座率很难达到 100%，但此时送风工况仍然采用 100%上座率下的工况， 因而会产生很大的能源浪费。本文以某体育馆为研究对象， 利用计算流体软件Airpak 对馆中侧送下回的空调运行状况进行模拟。在模拟时， 截取某一具有代表性的部分模型， 并对该模型做了相应的简化处理， 研究了在不同送风速度， 不同送风角度， 不同上座率工况下， 体育馆内的气流组织分布。最后依据其气流组织分布， 得出了适用于该体育馆的优化方案。结果显示，优化方案不仅能节约运行成本， 还能提高体育馆内观众与运动员的舒适性， 为工程实践提供了参考。

1 物理数学模型

1.1 物理模型

考虑到有限的计算能力， 因此在不影响模拟结果准确性的前提下， 截取了该体育馆的部分区域进行了建模。 模型实际尺寸如图1所示： 长度X方向为16m，宽度Z方向为10m， 高度Y方向为18m。 靠体育馆南侧布置有 15 层观赛台阶， 沿 X 从 0 到 8.5m， 沿 Z方向0到10m， 高度沿Y方向从0到4.6m。 在最上层台阶的上方布置风管和5个送风口，最下层台阶脚下有3个回风口， 台阶的正上方布置6个灯管。 进行数值模拟时， 假设将室内空气视为连续性介质， 室内空气密度保持不变， 将室内空气设为理想气体， 认为室内流动为定常流动[9]。

图1 体育馆内物理模型

1.2 数学模型

考虑到室内气流组织的复杂程度， 因而其空气流动状态多为湍流流动。 本文采用 湍流模型对室内空气的流动特性进行数值模拟， 根据室内空气的流动特点作出以下合理的假设：1） 室内空气不可压缩且为充分发展的湍流流动。2）流 体物性不发生变化。3)忽略重力影响。4）考 虑固体与流体流动间的耦合传热问题。5）入口的温度、速度分布均匀。则需要求解的连续性方程，动 量方程与能量方程分别表示如下：

湍流模型采用标准的k-ε数学模型，其中k和ε是两个基本未知量， 其输运方程为：

式中：Gk表示由于速度梯度引起的湍动能产出，可以定义为和σε表 示湍流普朗特数，其中σ=0.9，σ=1.0i，σ=1.3；其 中C与C为湍流常数TKε12C1= 1.44，C2= 1.92。μi= (cμρ k2/ε)，且Cμ= 0.09。

1.3 边界条件与计算模型

计算模型的边界条件如表1所示，表中涉及相应的边界类型， 布置位置， 尺寸参数以及相应的数量。对计算空间进行有限体积法离散， 收敛标准取为 1×10 -4 。计算时采用双精度的分离隐式算法，运用 SIMPLE算法对压力与速度进行耦合，对流项的离散格式为QUICK， 其余各项均采用二阶迎风差分格式， 固体壁面采用无滑移边界条件。通过进行网格独立性验证，增加了计算网格的准确性与稳定性， 在保证计算效率的前提下， 该模型的最佳网格数为428598。

表1 计算模型的边界条件

2 计算结果与分析

2.1 送风速度的影响

送风速度是空调系统设计和运行中的一个重要参数， 它不仅关系到馆内人员的舒适性， 而且还影响馆内的气流组织分布、 噪声大小等。本节针对该空调系统在送风参数不变 （送风温差△t=8 ℃， 水平送风）的前提下， 分析其送风速度对馆内温度场的影响。其中送风速度V设置为 4m/s，4.5m/s， 与 5m/s(原设计工况)。

图2 在不同送风速度V下 z=5m处温度分布云图

如图 2 所示， 本文截取了z=5m 处温度分布云图进行分析， 结果显示送风速度能够对温度场的分布产生很大的影响。当送风速度为原设计送风速度 （V=5m/s） 时， 比赛场地及其上方的温度维持在 23 ℃， 屋顶得热对观众区的温度影响很小， 由于偏大的送风速度， 导致射流弯曲程度减小， 即射流半径增大。在热舒适性上， 前四排观众的头部温度为 23 ℃， 观众会感觉稍冷， 不满足设计要求 （26 ℃）。而后排观众头部温度在 26 ℃， 基本符合设计要求。当减小送风速度 （V=4.5m/s） 时， 比赛场地及其上方温度保持在24 ℃， 虽然低于设计温度， 但是考虑到比赛期间运动员活动量比较大， 散热相应增加， 稍低的温度反而能够产生更好的舒适感， 而且整个观众席上观众头部附近的温度维持在26 ℃左右， 基本满足设计要求。当继续减小送风速度 （V=4m/s） 时， 整个比赛场地及上空温度为25 ℃， 由于送风速度偏小， 冷空气射流弯曲严重， 导致观众席前七排温度偏高， 头部附近温度增加至 28℃， 感觉偏热，不符合设计要求， 而且， 屋顶得热对馆内上部空间的温度分布影响开始偏大。综上所述， 当观众上座率为100%时， 送风速度为 4.5m/s， 在送风温差△t=8 ℃工况条件下， 能够满足设计要求。

2.2 送风角度的影响

合理的送风角度能够优化馆内气流组织分布以及降低空调能耗， 因而对于侧送下回气流组织系统， 送风角度在空调设计中起着至关重要的作用。基于优化后的送风速度 （V=4.5m/s）,在送风温差保持 8 ℃不变的前提下，研究不同送风角度对温度场的影响。其中送风角度设置为向下倾斜15° 以及向上倾斜15° 。

图3 在不同送风角度下 z=5m处温度分布云图

如图3所示，截取了z=5m处温度分布云图进行分析， 结果显示送风角度也能够对温度场的分布产生很大的影响。因为送风角度会影响到气流组织的分布， 特别是重点关注区域 （观众席头部） 的温度。当送风角度向下倾斜时，结果显示由于从第七排观众开始， 后面的观众头部附近温度维持在24 ℃， 感觉稍冷，所以不符合设计要求。当送风角度向上倾斜时， 冷风到达观众席的时间增加，前排观众席头部温度偏低，同样不符合设计要求。只有在水平送风工况下， 才能满足各方面舒适性设计要求。

2.3 观众上座率的影响

由于体育馆内人员数量众多， 而人员产生的热负荷占整个体育馆空调负荷的比重较大， 不同上座率对体育馆内温度分布能够产生相应的影响， 因此上座率对馆内的温度分布产生的影响需要进行相应的研究与分析。 本节针对馆内低上座率 （30%） 的情况， 对比满负荷工况（△t=8 ℃，V=4.5m/s)以及优化工况 （△t=6.5 ℃，V=4.5m/s)下温度分布情况。

图4 低上座率（30%）时不同工况下z=5m处温度分布云图

如图 4 所示， 由于人员所占负荷比重大， 上座率能够影响体育馆内的温度分布。当上座率为30%采用满负荷工况时， 体育馆内的整体温度维持在 22 ℃。其中， 前排观众附近的温度在 23 ℃左右， 远低于设计温度26 ℃。为了缓解过低的室内温度， 相应的减少送风温差。结果显示， 在观众头部附近的温度控制在 26 ℃左右， 达到设计温度要求。 综上所述， 当上座率降低时，仍然采用满负荷的设计工况， 不仅观众席舒适度无法达到要求，也造成很大程度上的能源浪费。需要通过优化设计方案， 例如降低送风温差 （提高送风温度） 解决不同上座率的工况设计问题。

3 结论

本文以某体育馆为研究对象，利 用计算流体软件Airpak 对馆中侧送下回的空调运行状况进行模拟，分 析不同送风速度，送 风角度对馆内温度分布的影响，以 及在体育馆低上座率情况下，提 出了相应的优化运行方案。

1）随 着送风速度的增加，射 流弯曲程度越小，射 流长度越长，射 流弯曲的地方会出现漩涡，原 设计工况下，虽 然能使观众席的空气龄变小，舒 适性提高，但 是会使整个体育馆空间的温度偏低，速 度也偏大，因 而最佳的送风速度为4.5m/s。

2）送 风口角度对体育馆观众席以及气流组织的影响很大，向 下倾斜15°送 风时，虽 然送出来的冷风能快速到达观众席区域，提 高了舒适性，会 使后三排观众席头部风速达到了0.7m/s。当送风工况为向上倾斜15°时，观 众席头部风速更加均匀。相比水平送风工况，这 种送风方式使得送出来的冷风需要更长的时间才能到达观众席区域。因而最佳的送风角度为水平送风。

3）随 着观众上座率的增加，热 浮力增加，散 热量也随着增加，所 以针对不同的上座率情况，应 采取不同的送风温差，这 样既能提高舒适性，又 能达到节约运行能耗的目的。得出优化方案：3 0%上座率取送风温差了6.5 ℃，100%上座率取8℃。

参考文献

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[9] 赵彬, 李先庭. 室内空气流动数值模拟的风口模型综述[J]. 暖通空调,2000,30(5):33-37.