夏热冬冷地区体育馆自然通风设计及潜力分析

赵福云 成瑾 刘宝 徐颖 申广 王汉青，3 寇广孝

1 湖南工业大学土木学院

2 武汉大学动力与机械学院

3 南华大学土木工程学院

0 引言

体育馆作为一类特殊的公共建筑类型，具有建筑面积大、跨度空间大等特点。随着体育事业的蓬勃发展，其能耗问题引起人们的广泛关注，体育馆等公共建筑每平方米的能耗约为居住建筑的10 倍左右，而作为全年正常运行的暖通空调，属于建筑能耗中的主要部分，为了更好的节约能源和可持续发展，在不影响体育馆内人员热舒适及比赛场地的使用要求下，可考虑在特定时间段使用自然通风代替空调送风。

李静[1]通过数值模拟的方法研究了高校内体育馆采用自然采光和自然通风下的节能潜力，总结出体育馆优化设计的方法，对高校体育馆的节能设计具有指导意义。体育馆[2]的窗地比，建筑体形和建筑朝向会极大地影响自然采光和自然通风的效果，有研究[3]发现，随着窗地比的增加，比赛场地的照度与照度均匀度呈线性增加。有学者提出，建筑的非对称挑檐形态效果强于非对称形态和对称形态，同时针对非对称挑檐形态提出了适应赛时使用的开口通风策略[4]。研究高大建筑内自然通风的方法有实验调查，经验模型和数值模拟等，发现较多文献利用数值模拟的方法，通过研究自然通风、围护结构等方面来降低建筑能耗[5-7]。相比于其他方式，数值模拟在研究自然通风中使用较多[8-10]，但体育馆中的自然通风只有在特定气候条件下才适用[11]，这也是大多数研究中所忽视的。本文拟在前人的研究基础上，以我国夏热冬冷地区典型的四座城市（长沙、合肥、武汉、重庆）为研究对象，运用数值模拟的方法，研究不同气候条件下体育馆内风压驱动的自然通风设计策略及通风潜力。

1 数值计算模型

1.1 物理模型

通过了解国内外现有体育馆的屋面形状，发现相比于规则矩形体育馆，屋面类圆形体育馆较多，综合考虑室内参数及综合适合度[12]，本文选择典型的对称凹面下凹式屋面的体育馆，物理模型如图1 所示。设体育馆平面半径R=50 m，该体育馆长为100 m，最高高度为50 m，屋面边缘与水平呈50°，屋面有一截面高度为1.5 m 的天窗。馆内两侧均匀布置宽为25 m，高为1.5 m 的窗户，窗户距离地面具体位置如图1 所示。

图1 体育馆二维物理模型

1.2 数学模型

本文假设空气为不可压缩的等温流体，运用Fluent 软件模拟稳态流动下的流场，采用标准k-ε 两方程模型，壁面处使用标准壁面函数。压力-速度耦合方程的求解选择SIMPLE 算法，对流项采用二阶迎风格式，收敛残差均小于10-6。

1.3 计算域和边界条件

入口边界为velocity-inlet，并采用梯度风。出风口边界条件设为自由出口边界outflow。流域顶部和两侧采用symmetry 对称边界。计算域的大小直接影响网格数量的多少，网格数量又直接影响计算结果的准确性，为了更真实的模拟体育馆风环境，设计算域的长宽高分别为15R=700 m、6R=300 m，同时模型进风面放置于计算区域进风口3R=150 m 处。如图2 所示。

图2 体育馆二维计算域

入口边界设为velocity-inlet，入口风速采用梯度风，如下式。出风口边界条件设为自由出口边界outflow。

1.4 网格独立性验证

网格的疏密与最后模拟结果是否准确有直接的关系。为更好的体现壁面边界层的特征，一般会在壁面处通过改变第一层网格与壁面的间距来加密网格，第一层网格与壁面的间距可用无量纲距离y+来表示，通常将y+控制在11.5≤y+≤400。因此得到三种不同的网格数：76104，132855 和291903，比较三种网格数下Y=7.25 m 时的速度分布，如图3 所示，当网格数量由132855 增大到291903 时，速度分布不再变化，获得网格独立解。

图3 体育馆模型网格独立性验证

2 结果与讨论

自然通风在不同气候区所起的作用是不同的，如自然通风在湿热气候区起到排湿的作用，而在干热气候区主要是降温的作用。因此，在体育馆的设计阶段，为了使自然通风发挥最大的潜力，应考虑体育馆所在气候区在哪些时间段内可以使用自然通风，以及如何才能充分利用自然通风等问题。本文选取我国典型的夏热冬冷地区的四座城市（长沙、武汉、合肥、重庆）为研究对象，根据不同城市的平均风速和最佳朝向，建立模型对不同城市的体育馆风环境进行模拟研究，对比分析不同城市不同季节的速度分布，提出合理的自然通风设计策略，并在此基础上运用Ecotect 软件分析不同地区自然通风的潜力。

2.1 自然通风模拟分析

不同城市不同季节平均风速如表1 所示，入口梯度风风速为每个城市不同季节的平均风速。对不同城市不同季节的速度场进行模拟，分析比较高度为Y=3.75 m、Y=7.25 m、Y=22.25 m 平面上速度变化，速度的衰减为最小时所经历的路程即为体育馆最优的设计跨度。

表1 不同城市不同季节平均风速

2.1.1 长沙

根据表1 中长沙市每个季节的平均风速，运用CFD 模拟的方法得到每个季节不同高度的速度分布，如图4。对比结果发现，长沙市体育馆全年自然通风入口平均风速为1 m/s。室内平均风速为0.13 m/s。全年最低风速对应的坐标均为X=655 m，因此建议将该地区体育馆最大跨度设为655-560=95 m。

图4 长沙体育馆春夏秋冬四季不同高度速度分布

2.1.2 武汉

以武汉地区不同季节平均风速为入口风速，运用CFD 模拟得到不同高度速度场的分布，如图5。该地区体育馆入口处全年平均风速为2 m/s，馆内平均风速为0.35 m/s。春、秋季风速最低点为X=620 m，夏季风速最低点为X=615 m，冬季风速最低点为X=645 m。不同季节对应的送风速度最低点位置不同，因此，若考虑在春、秋季使用自然通风，可以将体育馆最大跨度设为60 m。若考虑夏季的风速要求，可以将体育馆最大跨度设为55 m。冬季可将体育馆最大跨度设为85 m。

图5 武汉体育馆春夏秋冬四季不同高度速度分布

2.1.3 合肥

入口风速取合肥地区不同季节的平均风速，模拟发现，体育馆自然通风入口处平均风速为3 m/s，馆室内平均风速为0.57 m/s。由图6 发现，全年馆内风速最低点均为X=615 m，可不考虑季节的变化，故可以将体育馆最大跨度设为55 m。

图6 合肥体育馆春夏秋冬四季不同高度速度分布

2.1.4 重庆

通过CFD 模拟发现，重庆地区体育馆自然通风入口处平均风速为7 m/s，馆内平均风速为1.7 m/s。夏、秋和冬季的风速最低点为X=660 m，春季的风速最低点为X=620 m。若在夏、秋和冬季考虑使用自然通风，可以将体育馆最大跨度设为100 m。考虑春季时可将体育馆最大跨度设为60 m。

图7 重庆体育馆春夏秋冬四季不同高度速度分布

以上，由CFD 数值模拟的方法，探讨了夏热冬冷地区典型城市在考虑不同季节使用自然通风时的最优跨度，汇总如表2。

表2 不同地区的典型城市体育馆建筑在不同季节的最优跨度

2.2 自然通风潜力分析

自然通风潜力（Natural Ventilation Potential，简称NVP），指自然通风具有可实现室内良好空气质量和热舒适性的潜力[13]。目前现有的国内外潜力分析方法主要有多标准评估方法，气候适应性评估方法和有效压差分析法。本文使用CFD 数值模拟的平均风速为基础，结合当地典型气象年的气象资料和人体典型着装作为分析依据，考虑体育馆内典型的人员活动情况（较少活动、中等活动、重度活动），使用Ecotect 软件分析人员热舒适性和自然通风可利用率。分析结果用焓湿图和通风可利用率表示。

2.2.1 长沙

基于2.1 中对长沙地区的速度场模拟得知，体育馆室内平均风速为0.13 m/s，基于此平均风速，探讨馆内人员活动水平不同时对应的热舒适区域和自然通风潜力，由焓湿图和通风可利用率表示，如图8～10。结合焓湿图和通风可利用率图发现，长沙地区夏、秋季体育馆自然通风的可利用率较高。随着人员活动水平的增加，夏、秋季通风可利用率降低，而春、冬季的通风可利用率增加。

图8 长沙地区体育馆内人较少活动时自然通风潜力分析

图9 长沙地区体育馆内人中等活动时自然通风潜力分析

图10 长沙地区体育馆内人重度活动时自然通风潜力分析

2.2.2 武汉

由CFD 模拟可知武汉地区室内平均风速为0.35 m/s，以此为依据得到该地区体育馆自然通风的舒适度区域和通风可利用率，如图11～13 所示。结合该两种图发现，人员活动情况无论是较少、中度还是重度活动，夏、秋季通风可利用率相对较高。而随着人员活动剧烈情况的增加，夏、秋季的通风可利用率降低，春、冬季增加。

图11 武汉地区体育馆内人较少活动时自然通风潜力分析

图12 武汉地区体育馆内人中等活动时自然通风潜力分析

图13 武汉地区体育馆内人重度活动时自然通风潜力分析

2.2.3 合肥

基于风环境模拟得到的合肥地区平均室内风速为0.57 m/s，以该平均风速为基础分析该地区自然通风潜力发现，春、秋季通风可利用率较高，并且随着人员活动剧烈程度的增加，夏、秋季的通风可利用率降低，春、冬季增加（图14～16）。

图14 合肥地区体育馆内人较少活动时自然通风潜力分析

图15 合肥地区体育馆内人中等活动时自然通风潜力分析

图16 合肥地区体育馆内人重度活动时自然通风潜力分析

2.2.4 重庆

通过比较焓湿图和通风可利用率发现，夏、秋季通风可利用率相对较高。并且随着人员活动的增加，夏、秋季通风可利用率降低，春、冬季增加（图17～19）。

图17 重庆地区体育馆内人较少活动时自然通风潜力分析

图18 重庆地区体育馆内人中等活动时自然通风潜力分析

图19 重庆地区体育馆内人重度活动时自然通风潜力分析

通过分析不同地区的自然通风潜力后，计算各个地区不同人员活动的全年自然通风潜力，计算结果如表3。

表3 不同地区的城市体育馆不同人员活动的年自然通风利用率

3 结论

本文以我国夏热冬冷地区典型的四座城市为例，模拟了各个城市体育馆的自然通风潜力，根据分析结果得到各个地区体育馆的最优设计跨度，为合理利用自然通风的建筑设计提出了理论依据。本文得到的主要结论有：

1）长沙和合肥地区在考虑自然通风时，设计跨度可不用考虑季节的变化，对应的最优设计跨度分别为95 m 和55 m。而武汉、重庆地区的最优设计跨度需要考虑季节的变化。如在武汉地区，若考虑在春、秋季节使用自然通风，最优跨度可设计为60 m，若主要在夏季使用，最优跨度为55 m，冬季为85 m。同样地，在重庆地区，若在春季使用，最优设计跨度为60 m，夏、秋季为100 m，冬季为55 m。

2）四座城市自然通风潜力相对最大的季节是夏、秋季。长沙、武汉地区体育馆年自然通风潜力随着人员活动剧烈程度的增加变化较少，自然通风率分别在6%～8%、10%～12%之间。合肥、重庆地区自然通风率随着人员活动的增加而降低，自然通风率分别在12%～15%、24%～26%之间。其中，重庆地区自然通风潜力最大。