某体育馆空调通风系统CFD模拟分析

闫龙林，孔凡鑫

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司 山东济南，250000；2.山东大学后勤保障部，济南，250000）

近年来，我国城市污染越加严重，室外运动受之影响，为室内运动护航建体育馆逐渐成为当下公共建筑一种重要的建筑类型。体育馆这类大空间建筑，在考虑其室内的热舒适性同时，也需满足自身功能需求。体育馆空间大、室内气流组织复杂，尤其是羽毛球场这类对室内气流要求高的比赛场馆，分析并设置合理的空调通风气流组织形式是暖通设计师关注的技术难点。采用计算流体力学（computer fluiddynamic，CFD）方法进行模拟［1］，可以提前发现设计上存在的问题，及时优化改进，满足工程项目使用要求。于涛等人利用CFD模拟对危废厂房进行污染物气流场分析，合理设置通风除臭措施［2］。林亚宏等人通过CFD模拟分析游泳馆泳池水平面上方的气流场和湿度场，考察不同围护结构下的结露情况［3］。刘峰等人对某博物馆高大空间采用地板送风和送风柱送风相结合的复合送风进行CFD模拟分析，论证消除室内余热的方案可行性［4］。刘晓东等人基于CFD对不同形态教学建筑进行通风环境研究，分析不同角度下教学楼的通风状态，合理利用自然通风，节能减排［5］。

本文在既有的研究基础上，利用CFD技术对体育馆场内的环境进行数值模拟，客观的反映出室内气流组织、温度场的分布，为设计提供重要参考。

1 研究方法

本文运用CFD软件对体育馆内的温度环境和和气流组织进行研究。在模拟的过程中，选用的湍流模型为标准κ-ε模型，考虑重力及热辐射，并忽略太阳辐射［6］。同时，假设体育馆室内的空气为不可压缩流体，且门、窗、墙壁密闭性良好。

模拟中采用标准κ-ε模型求解室内空调区域空调通风状况，涉及到的控制方程主要包括：连续性方程、动量方程、能量方程，可以写成如下通用形式［7］：

该式中的φ可以是速度、湍流动能、湍流耗散率以及温度等。

CFD模拟是从微观角度，针对某一区域或房间，利用质量、能量及动量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其空气流动状况。采用CFD对空调、通风模拟，主要用于通风风场布局优化和室内流场分析，通过CFD提供的直观详细的信息，便于设计者优化调整通风空调策略［8］。

2 工程概况及空调通风设计

2.1 工程概况

本项目为济南某大学新建体育馆综合体，总建筑面积14290 m2其中三层为室内体育场，体育场室内面积2229 m2，室内净高10.5m，其中包括两个篮球场地和三个羽毛球场地。球场平面布置图如下图图1。

图1 室内体育场平面图

2.2 空调通风设计

本项目空调采用直膨式组合式空调机组，气流组织上送下回。空调机房设置在夹层设备机内。通风空调设计如下图图2。

体育馆（篮球馆、羽毛球馆）属于高大空间，采用全空气定风量系统，顶部送风，回风集中在下部。羽毛球场馆区域距地9 m以下气流速度需≤0.2 m/s，为满足比赛时风速要求，羽毛球场上空的风管增加送风口数量，均匀布置，减少单个风口，降低风口风速，满足球类比赛对风速的要求。具体设计参数和设计指标见下表1和表2。

表1 室内设计参数［9］

表2 设计指标

3 模拟分析

本项目通过对室内温度和风速模拟分析，判断现有的设计是否满足房间舒适性及使用功能的需要。

基础数据：设计夏季风口送风温度18℃，冬季风口送风温度33℃（忽略风管管道散热）。围护结构按照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015围护结构热工参数限值［10］考虑。

3.1 气流组织模拟分析

一、夏季工况：

①篮球场区域夏季工况气流组织分布如下所示：

图3～4为篮球场区域气流组织竖直方向截面分布情况，图中可见：流场分布较均匀，整体未出现涡流区域，送风口出风口风速较大，送风至距地3米高度处风速降至0.35 m/s以下，其余区域风速均在0.2 m/s以下，篮球场区域整体工况满足风速要求。

图3 篮球场送风口区域速度云分布图（夏季）

图4 篮球场区域回风口速度场分布图（夏季）

②羽毛球场区域气流组织分布如下所示：

图5 羽毛球场区域送风口速度云分布图（夏季）

图6～8为羽毛球场区域送风口下方风速竖直方向分布情况，图中可见：流场分布较均匀，除靠近回风口（场区外）和送风口附近外，整体羽毛球场区域9m高度范围内可保证风速在0.2m/s以下，其中绝大区域速度场在0.1m/s以下，满足赛事使用的要求。

图6 羽毛球场区域回风口速度场分布图（夏季）

图7 篮球场区域送风口速度云分布图（冬季）

图8 篮球场区域回风口速度场分布图（冬季）

二、冬季工况：

①篮球场区域冬季气流组织分布如下所示：

由图7～8可知，流场分布较为均匀，与夏季送风相比，速度衰减较快，送风至8m高度时，速度衰减至0.2 m/s，在高度4 m范围内，整体风速保持在0.15m/s以下，与夏季工况相比，冬季送风工况对体育馆风速要求锲合度更好。

图9 羽毛球场区域送风口速度云分布图（冬季）

图10 羽毛球场区域回风口速度场分布图（冬季）

羽毛球场送风出风口风速低，送风至1 m处，速度迅速衰减至0.2m/s以下。气流由上方风口吹出后到达地面后由回风口吸走，回风口附近（观众区域）1米作左右风速为0.3 m/s，球场区域内可保证整体风速低于0.1m/s。

3.2 温度模拟分析

根据图11-14的模拟结果，冬夏季均能满足室内温度要求。冬季人员活动处保证最低温度＞16℃，夏季活动处保证最高温度小于28℃。夏季馆内温度更均匀，舒适度更好，模拟结果跟经验和理论保持一致。

图11 篮球场区域温度云分布图（夏季）

图12 篮球场区域温度云分布图（冬季）

图13 羽毛球场区域温度云分布图（夏季）

图14 羽毛球场区域温度云分布图（冬季）

篮球场区域出风口风速大，对区域内气流扰动好，表现为篮球场区域冬季温度分布均匀性要优于羽毛球场区域。由于热空气上浮效应，夏季送风与冬季送风工况相比，馆内温度更均匀，舒适性更高。由于本项目进行CFD模拟时，按人员静态工况考虑（仅考虑人员静立散热，不考虑运行），实际在比赛过程中，人员的跑动会增强对局部区域的气流扰动，更有利于周围的温度趋于均匀。

3.3 总结

从冬季工况来看，篮球场较羽毛球场，由于风口少，单个风口送风量大，风口风速更高，在气流组织上显示为送风距离更远。从整个场馆来看，篮球场区域平均温度也更高，下送过程中热损失更少。从夏季工况来看，篮球场较羽毛球场，送风距离同样相对更远，但从整个场区的温度场来看，多风口小风量的羽毛球场温度分布更合理，制冷效果更好。

冬夏季工况对比，可以发现，夏季比冬季送风距离更远，温度场也更均匀。

4 结语

本项目采用上送下回空调送风形式，通过合理布置送风，可以满足体育场馆对室内温度和风速的要求。通过CFD模拟，可以清晰反映出整个场馆内各处温度场和气流情况，为设计的合理性和可行性提供保证。