气流组织形式对体育馆建筑室内热舒适影响的研究

2018-05-31高强李帆

机电信息 2018年15期

高强李帆

（中国建筑科学研究院有限公司，北京100013）

0 引言

随着人们健康舒适意识的加强，对室内热环境的舒适性要求越来高[1]，而空调系统是调节室内热环境最常用的方法。一幢现代化的体育建筑必须具有良好的空调设施，特别是对于比赛大厅而言，其空调设施更是体育建筑设计的重点，而室内气流组织又是决定体育建筑比赛大厅空调设计成败的关键之一[2]。合理的气流组织形式既可以使馆内空气分布满足比赛和观众的要求，同时又能保证空调系统能耗较低，因此，室内气流组织成为空调系统设计必须认真考虑的重点问题。

本文利用计算流体力学模拟软件CFD（Computational Fluid Dynamics）对不同气流组织形式下人体热舒适问题进行了模拟研究。

1 物理模型

本文以北京某高校体育馆作为物理原型来进行研究。该体育馆主场馆长、宽、高尺寸为105 m×76 m×18.4 m，比赛区为60 m×40 m，观众坐席约8 000个。

考虑到该场馆的对称性以及模型的简化处理，本次模拟取该场馆的一半，其尺寸为105 m×38 m×18.4 m，同时设置回风口在环境温度条件下回风[3]。

观众席阶梯模型数据由设计院图纸做参考（图1），并按CFD软件进行简化。

图1 比赛大厅CAD基础模型图

经过简化的基础模型图如图2所示。

图2 合理简化后的基础模型图

在本文的研究中，考虑了如下三种典型的体育场馆气流组织形式（表1）。

表1 典型的气流组织形式

2 湍流模型和边界条件

计算中，湍流模型采用k-ε模型[4]，计算用网格体系为结构化网格。通过网格无关解检验，最终选择计算网格数目为250万。计算中，送风口设置为速度入口，风口处速度依据送风量及风口面积确定，回风口设为压力出口，其压力、温度为环境温度及环境压力。采用Simple算法求解离散方程。

3 模拟结果及分析

针对三种方案，对速度场、温度场和热舒适性进行对比分析。

3.1 速度场对比分析

取Y=5 m的截面，分别分析三种方案的速度场云图和矢量图。

通过图3、图4可以看出，采用方案一、二的情况下，体育馆内存在少部分区域位于送风口下方，导致送风速度稍高，会使人产生不适的吹风感。

通过图5可以看出，采用方案三的情况下，送风气流在观众区域和比赛区域速度场均匀，气流组织分布合理。

3.2 温度场对比分析

图6为采用不同送风温度时，人员活动区域（观众席区域高1.1 m及比赛场地高1.5 m以下的区域）的平均温度。

从图6可以看出，采用方案一时，送风要承担整个馆内的负荷，需要较低的送风温度才能满足人体对热舒适性的要求，理想送风温度为20℃，此时观众席区及比赛场区的温度基本维持在25℃左右。

采用方案二时，侧送风大部分承担观众席区域的负荷，与方案一相比，顶送风承担的负荷减少，送风到达人员活动区的损耗减少，此时人员活动区的温度比送风温度约高出3℃，比较理想的送风温度为21℃，此时观众席区及比赛场区的温度基本维持在24.5℃左右。

图3 方案一速度矢量及云图分布（Y=5 m）

图4 方案二速度矢量及云图分布（Y=5 m）

图5 方案三速度矢量及云图分布（Y=5 m）

采用方案三时，座椅送风只承担观众的负荷，理想的送风温度为22℃，此时观众席区及比赛场区的温度基本维持在25℃左右。

所以，对于体育馆类高大空间建筑来说，由于人员活动区域只是整个建筑空间的其中一部分，若采用单一顶送的空调方式把整个场馆作为空调对象，就会不可避免地出现冷量浪费。所以，应尽量采用不同送风方式相结合的方式送风，这样可以提高送风温度，从而节约能耗。

3.3 热舒适性对比分析

图7为不同送风温度时，三种送风方式PMV和PPD之间的对比。

图7 不同送风温度人员活动区PMV和PPD

图6 不同送风温度人员活动区温度

由图7可知，对于方案一，采用18℃的送风温度时，人员活动区的PMV约为-1.05，PPD约为28%，观众会产生一定的冷感，热舒适性较差，而且为降低送风温度浪费了更多的能量；送风温度为20℃时，人员活动区的PMV约为0.35，PPD约为7.5%，此时人体热舒适性适宜，较好地满足了ISO 7730标准。此后随送风温度的升高，人体热感觉明显增强，热舒适性下降。

对于方案二，采用20℃送风温度时，人员活动区的PMV约为-0.2，PPD约5.8%，此时人体热舒适性适宜，较好地满足了ISO 7730标准。当采用22℃送风温度时，人员活动区的PMV约为0.75，PPD约17%，PMV及PPD变化显著，人体热舒适性下降。

对于方案三，采用22℃送风温度时，人员活动区的PMV约为0.1，PPD约5.2%，较好地符合了ISO 7730标准。