体育馆置换通风设计分析

刘 弘

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

0 引 言

置换通风是一种全新的通风方式，与以往的混合通风方式相比，置换通风可增强室内空气流动，还可提高通风设备的热舒适性[1]。以低速在室内空间下部送风，气流呈现类似层流的活塞流状态缓慢向上移动，到达一定高度时，受热源和顶板的影响，发生紊流现象，产生紊流区。下部单向流动区和上部混合区是气流产生热力分层现象的两种情况，空气温度场和浓度场在这两个区域有非常明显的不同特性：下部单向流动区存在一明显垂直温度梯度和浓度梯度，而上部紊流混合区温度场和浓度场则比较均匀，接近排风的温度和污染物浓度[2]。

1 置换通风空调设计

体育馆的最大特点是普遍采用半透明屋盖设计，阳光可透过体育馆屋盖射入场馆内部，同样，夜间屋盖亦可透出室内的光。基于这种情况，体育馆内的各种专业设备及管道不得安装在体育馆屋顶及室内上部空间区域内。所以，采用下部置换通风的空调方式是最具可行性的通风系统设计方案。体育馆置换通风系统的设计人员应当结合体育馆的实际空间布局，在每个观众席固定座位下设计一个443 mm×210 mm规格的置换通风口，将经过处理的冷空气从固定通风孔以较低速度送入体育馆室内，确保置换通风口的送风温度在20 ℃以下，最高送风温差不得超过4.5 ℃[3]。将冷空气团送入体育馆观众席内，并全面覆盖观众席。冷空气下沉进入体育馆赛场中央，当冷空气遇到热源便会产生向上的对流气流，将体育馆内的热浊空气抬升至体育馆顶层上部区域。由此使体育馆外新鲜的空气与室内回风混合，经过降温处理后再送入大体育馆内，人而形成垂直的温度梯度。在体育馆室内温度及空气的上升的作用下，温度较高的浑浊空气上升至体育馆顶部，通过体育馆顶端的通风机排出。相关的设计人员应当将体育馆空调排风口设计在工作区或者是靠近工作区的上部区域，借助回风温度和相对温度湿度，有效消除工作区少量潜在的热量负荷，而不是体育馆内的余热。

2 负荷与风量控制

人体散热和设备散热是体育馆室内温度及热量聚集的主要原因，人体产生的热量及呼出的水蒸气在置换通风作用下往往分散于工作区域上部，再通过体育馆屋顶排风口排出。因此在体育馆置换通风设计过程中，将人体的潜在热量及工作区外围结构传入热量忽略不计，保证体育馆内热湿比接近∞。体育馆半透明的屋顶设计相比于不透明的屋顶设计将热量聚集得更多更快，在置换系统负荷及风量控制方面取者之间较大的数值，且体育馆屋顶灯管散热忽略不计。体育馆的竞赛厅不能设置通风口，所以置换通风口只能设计在观众席区域内。为消除竞赛厅内积攒的热量，需增加观众席的送风量，使冷空气水平流向体育馆竞赛厅。体育馆回风状态点应设定在离观众席过道3.5 m高的位置范围内，以保证回风温度在25℃左右，且空气相对湿度小于等于60%。参考置换通风设计数据资料可得，一般通风口的送风温差要保持在2～4℃，但是在实际的体育馆置换通风系统设置中，按照4℃送风温差计算通风口风量，此时通风口聚集的风量要比预期的大，风管截面的尺寸也应随之变大，所以需要将送风温差控制在4.5℃左右。

3 通风末端设备与布置

在体育馆中央竞赛厅及观众席各设置一个空调机房，在每个空调机房安装至少5台空气处理机。在此基础上，每个机房内添设1台新风处理机，由新风处理机将产生的新风输送给5台空气处理机。利用自带水泵改变回水温度，实现空气处理机的降温处理。通风末端设备是机电一体化产品，机电安装采购人员可结合体育馆置换通风系统的设计方案及施工安装技术要求进行招标采购。

4 自 控

国内大多数体育馆的空气处理机都是国产的机电一体化设备，其具备独立的PLC控制单元，还包括传感器、自动报警接口等。PLC控制单元的系统构成简单，便于管理和操作，具有一定的可靠性。利用PLC控制单元发出的PID变频指令可调节风机的转速，以此实现调节回风温度的目的。一旦过滤网前后压差大于设定的标准值，PLC自动报警系统便会发出警示信号。当体育馆空调机房内的空气处理机处于停止运行的状态时，新风门、回风门及冷水电动阀会立即恢复至全关位置。

5 运行效果及测试

体育馆置换通风设备管理人员可结合体育馆实际的通风散热需求调整设备的回风温度。不同时间段内的太阳辐射热量是不同的。下午体育馆内空场空席，在阳光的照射下温度梯度逐渐变大，受较强太阳辐射的影响，观众席上部区域的空气温度会上升，所以白天体育馆内观众席的送风量应持续加大。体育馆观众席送风口的温度及风速直接影响着观众的舒适感，因此有关人员应当反复试验体育管置换通风系统的送风孔的口径大小、开孔率及风口的风速，在保证体育馆里温度适宜的同时增加场馆内新鲜空气的流动。在没有体育竞赛或者是观众席空位的情况下进行置换通风系统运行测试，逐步调整机电设备及系统工程运行的参数设置，从而为运动员和广大观众创造舒适的活动空间。

6 存在的问题与分析

目前，体育馆置换通风系统设计还存在着诸多的问题，需要有关工作人员给予高度重视。置换通风空调系统设计的影响因素体现在以下4个方面：

(1)体育馆空调置换通风系统设计参数不够充分，缺少有效的设计参考依据。尽管系统原理构成简单，但是在实际设计过程中，置换通风系统工作区内的余温、空气湿度及余热等都是不可控的因素，现有的置换通风系统设计方案及资料没有做出详细的规划，这在一定程度上增加了系统设计的难度。

(2)工作区的余温、余热、相对湿度和送风温差等都影响着送风口送风量的计算结果。工作区上部空调系统风量是以体育馆内余热、余湿和恰当的送风温差来衡量的。一般情况下，通风系统按此种方式计算，送风温差设定为4℃，如此计算出的送风口送风量需增加50%左右。体育馆主场馆的送风量计算所选取的余热值不应当是体育馆室内的余热，而是竞赛场人员密集区停留产生余热的显热部分。同时余湿值确定为0，由此设定置换通风系统送风温差为4.5℃，通过这样计算得出的送风量能够满足体育馆降温制冷的需求。在置换通风系统设计后续发展中是否存在更为科学合理的设计方案,还有待进一步研究。

(3)安装置换通风系统首先应确保拥有充足的空间高度，利用空气密度差，在体育馆内部形成自下而上的空气对流，如此才能达到更好的置换通风效果。相对比较大的空间高度，所对应的置换通风系统排气口风更容易排走聚集于工作区上部的温度高且湿度大的热浊空气。

(4)按照体育馆内的活动类型及人员密集程度确定场馆内的水平温度梯度以及单位制冷负荷面积，若是有很多人员在体育馆内活动，则需要加到置换通风系统的冷负荷中，以此实现更好的通风效果。

7 结束语

综上所述，在体育馆置换通风系统设计规划过程中，有关人员需要充分考虑各种因素的影响，结合设计参数确定空调运行方式、通风末端设备与布置，加强负荷与风量控制及系统自控，以达到最佳的通风效果 。