北京市建筑设计研究院有限公司体育建筑研究中心 蒋帅
【摘 要】本文从实际工程设计出发，结合大型体育空间特性，通过对实际案例方案介绍、设计分析并对空调系统进行模拟，提出一种高效节能并满足室内设计工况的空调形式。首先，根据体育馆内观众区及比赛区的空调送风方式和气流组织进行设计分析与模拟计算；
通过对体育馆空调比赛区采用一次回风全空气系统、下供上回送风形式；观众区采用二次回风全空气系统、座椅送风形式的空调系统模拟结果的分析得出：此送风方式满足设计热舒适性要求且空调直接作用于人员活动区，并且形成一定热力分层，并通过CFD数据模拟，验证此送风方案设计合理，该系统满足湿热不利气候条件下的工况要求。
【关键词】体育馆 气流组织 置换送风计算流体动力学
1 概述
随着近几年体育事业的蓬勃发展，全民健身已逐步进入人们的日常生活。健身，运动已经跟我们的生活密不可分，发展体育事业，增强体魄，提高全民身体和精神文化素质是我们现阶段发展的重要方向。体育文化事业关系着民族的发展，建设高品质、多功能、能结合日常全民健身的建筑及功能场所是我们迫在眉睫的需要。为响应国家号召，为体育事业的发展出谋划策是我们建筑人需要承担的义务跟责任。
在此背景下，多功能的体育建筑应运而生，随着场馆功能的特殊性，承接球类运动，花样滑冰、冰壶、文艺演出、展览、商业汇演等各类活动。其内部空间结构复杂，空调系统也具有多种形式。建设低能耗，节能并满足绿色建筑标准的比赛场馆也是我们研究的方向。本工程建设在重庆市，属夏热冬冷地区，夏季湿度大，气候炎热。以此案例分析，具有代表性。结合本文所论述的气流组织形式，此种送风方式直接作用于空调区域，验证是否满足设计工况。并且结合本场馆空调水系统特点，选取合适的水系统。
本文通过对体育馆空调系统气流组织设计分析及数据模拟，对体育馆项目类型的工程设计提供设计及参考；并根据空调水系统实际运行情况及系统投资进行对比，对空调水系统选择进行评价，得出结论。
2 体育馆空调风系统设计
2.1 体育馆送风的理论及其应用
体育馆内部比赛区及观众区多数为单层大空间格局，其送风形式独具特点。近年来建成的大型场馆多数观众区采用座椅送风气流形式，其座椅送风与传统的空调送风方式不同，其送风射流方式对二者进行比较，其运动机理及流动规律不同，在室内变化也不同。因此，有必要进行分析及计算模拟才能设计使用。
座椅送风一般认为是“置换送风 ”的通风方式。因此，对其研究按照“置换送风 ”进行研究。它是基于热源（人体）与周围空气存在温差、形成人体附近空气与远处空气的密度差，从而在人体附近形成了不同于混合通风的较好的气流组织。因而能在消耗较少能量的前提下，达到理想的空气品质和效果。
体育馆内观众区池座及楼座空调区采用座椅送风，送风量，热源位置、大小，空间高度，送风温差等都会影响热力分层高度，置换通风设计应力求使工作区处于下区之中以保证空气质量。
置换通风作为一种气流组织形式，并不是任何一种下送风装置都能实现的，也不是对任何地域的任何建筑都适用。因此，它有独具的形成条件及适用条件。
首先，要实现置换送风，设计中必须满足低速，低温差，低位送风和高位排风四个条件。送风器出风速度一般为0.3~0.5m/s,至人脚踝处不能超过0.2m/s，在地面上形成稳定的冷空气层，空气靠热浮升力上升,使人没有吹风感。送风温度通常比室内设计温度低2至4摄氏度，低温空气才能沉降在地面上，同时保证满足热舒适要求。不具备以上条件，只是一般的下送风方式，而非置换送风[1]。
置换通风一般应用于具有以下室内特点的房间。
热源以人员，设备，灯光为主且人员密度变化不大，人员多为坐姿，活动量较轻；
污染源与热源位置相近，浓度不大且稳定；
房间空间层高较高，空间较大；能够形成较好的气流组织。
后文案例工程座椅送风按座椅高度及区域分设池座空调系统及楼座空调系统；通过座椅后侧梯座空腔做成土建静压箱（完善防火及保温），在每个座椅下方处，开设150mm圆送风孔，经测试出风风速为0.4m/s(详见CFD模型)；座椅送风系统采用全空气二次回风系统，减小送风温差，小温差大风量送风口空气22摄氏度左右；因观众区为体育馆建筑物内区，不受外界围护结构影响负荷较少，且室内污染源稳定，人员以坐姿为主；此座椅送风回风在此送风区域上方；基于以上几点，设计计算时满足置换通风形成的条件。
2.2 工程案例及空调风系统方案
项目是由重庆市政府主导建设的大型综合室内体育建筑。建成后将为竞技体育、商业体育、文艺演出、体育综合配套的体育演艺及服务配套综合体。该馆将成为“升级版的五棵松体育中心”，将成为西南地区最大的、可举办NBA赛事的体育馆。
新建体育馆为面积87449平米，能承担1.6万座的甲级体育馆，建筑层数总计6层：地下1层，地上5层(不含夹层)，高度35米。比赛大厅为单层大空间设计，屋面钢结构最高处到比赛场地地面40.2米。与其配套的赛事服务区（休息厅、卫生间、配餐间、观众服务售卖点等必要功能需求）围绕比赛大厅布置，以为观众提供便捷的服务.
本文以本项目进行案例验证。本场馆位于夏热冬冷地区，夏季湿热工况较为突出。以此工程研究比赛大厅采用一次回风全空气系统，过渡季可实现75%全新风下侧送风，人员疏散口上部回风，辅助上部机械排风；观众区采用二次回风全空气系统，过渡季可实现75%全新风，座椅送风，分区域侧上回风系统；能满足设计需要的工况，且本文主要以比赛区及观众区作为研究对象进行实际工程分析及验证。
本工程室内外参数均按《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012及《体育建筑设计规范》JGJ31-2003中相应规范取值设计。
2.3 观众区及比赛大厅送风形式及特点
本工程人员坐席分为临时活动看台，池座固定看台，楼座固定看台。临时活动看台采用比赛场地全空气一次回风系统，送风方式为下送上回式；池座固定看台及楼座固定看台采用全空气二次回风系统，送风方式采用座椅送风上部回风。空调机房均设置在地下一层机房区域，因体育馆为椭圆形结构，看台围绕比赛区域环绕一周。所以，地下一层空调机房均匀分布在地下一层各个方向。共设置10个空调机房，共21台组合式空调机组，其中为比赛场地大厅服务4台、一层观众区池座6台、观众区四层楼座8台、其余为南北大厅服务。
比赛大厅场地下做一圈送风地沟，围绕在比赛场地外围做一圈送风沟，通过场地周围夹壁墙上的送风口为场地送风，场地主入口上部回风。如下图1.1所示。
楼座观众区及池座观众区因高度位置不同，组合式空调二次回风系统分别设置座椅送风管道一层观众池座6台，四层观众区设置8台。空调风管道在一层顶板下及四层顶板下形成环状送风管道，通过分支管道送到座椅下方后静压箱，提供座椅送风，顶部回风。以观众池座为例，如下图1.2所示。
观众区采用椅下送风方式能提高下部工作区的空气质量；上回风方式能够使风量全部通过上部带走灯光及人员潜热量。以下主要对座椅送风进行研究。
考虑本工程不同高度的池座和楼座所受热压的影响，按照高度划分不同的空调区域，分设空调机组系统，空调送风管道呈环状互为备用，以便各区域座椅不同的送风量，使用时也能分别采用不同的送风量。
体育馆内观众区负荷见下表1-2。
由此可见体育馆内部负荷，主要为人体及新风负荷，满足观众区域周边活动空间范围内空调的送风品质及温度，是非常必要的。
现以观众区楼座区域座椅送风计算为例，见焓湿图2-1。
N--室内点；N'--回风管道温升点；W--室外点；C--一次混合点；L--露点；M--二次混合点；O--送风点
1）风量关系:
一次回风量:60566.627(m3/h) 二次回风量:101635.334(m3/h)
总回风量:162201.96(m3/h) 新风量:70815(m3/h)（4721人、15m3/h）
送风量:233016.96(m3/h)
2）冷/热负荷关系:
室内冷负荷:694(kW) 送风管道温升冷负荷:107.641(kW)
新风冷负荷:550.499(kW) 回风管道温升冷负荷:25.06(kW)
空调机组承担总耗冷量:1377.2(kW)
3）湿负荷关系:
室内湿负荷:131.51(g/s) 新风湿负荷:133.508(g/s)
空调机组承担除湿湿负荷:265.018(g/s)
热湿比:5277.2(kJ/kg)
根据计算出的各参数物理量，输入到体育馆CFD模型中进行实际模拟，校核是否满足设计参数，对夏季工况进行模拟；
3 体育馆CFD模型计算
3.1 控制方程
结合本文实验中气流状况，首先对物理模型建立如下假设：
① 空气为不可压缩常物性牛顿流体且处于稳态流动；
② 考虑到空气的浮升力，对空气密度引入Boussinesq假设；
③ 使用理想气体方程；
④ 辐射供冷壁面温度分布均匀，各向发射率相同。
由于本文涉及到的流体均为不可压缩粘性流体，则控制方程为：
(1) 连续性方程
(2) 动量守恒方程
(3) 能量方程
其中，
式中，ui—流场中某点速度，m/s；μ—流体动力粘性系数，m2/s；p—流体质点所处位置的平均压强，Pa；ρ—密度，kg/m3；T —温度，K；λ—流体导热系数，W/(m·K)；cv—定容比热，J/（kg·K）。
3.2 几何模型
本文中实验房间的功能属性为体育建筑，以重庆地区夏季的室外气象参数为依据，并根据《辐射供暖供冷技术规程》（JGJ142-2012）中规定，室内设计温度为26℃，相对湿度为60%。根据实际情况将该实验房间做合理简化，忽略体育馆中次要因素，在此基础上建立几何模型如图3-1所示。
3.3 网格划分
该模型面网格及体网格分别采用三角形及非结构四面体划分，对于送回风口等部位进行局部加密。节点数为1486127个，格数为8488953个。
3.3.1 边界条件
由于体育馆中空间均与室内空调房间相邻，故忽略户间传热，采用第二类边界条件，设定墙体热流密度值为0。根据实测数据，体育馆屋面采用convection边界类型，设定室外温度为35.5℃，屋面传热系数为0.4。室内的人体简化为稳定面热源，热流密度值为200 W/m2。座椅及场心送风口边界条件类型为velocity inlet，风速分别为0.3m/s与5.0m/s，温度分别为22℃与19℃。回风口均采用outflow边界条件类型。
3.4 模拟结果及分析
3.4.1 温度场
由图可看出，观众区为人员负荷集中区域，该区域采用座椅送风，温度可达到26-27℃，满足设计要求。同时池座区域温度相对较低，这是因为楼座区冷空气密度较低从而向下流动导致。在场心区域，温度低于周围环境的送风由风口送出，该区域温度分布较为均匀，平均温度为26℃，满足设计要求。而在场心比赛以及观众区域以外，温度较高，其中在靠近屋顶位置温度这一趋势更明显，这是因为靠近该位置区域由于设备、屋顶负荷及大空间高度热力分层等影响导致。
采用座椅送风及下送风方式，在场馆内形成下冷上热的热力分层，人员负荷集中区域温度满足热舒适性要求，而其余非人员停留区域温度相对较高，有利于空调系统的节能，此种系统满足系统设计温度工况。
3.4.2 速度场
由图可看出，送风气流贴附地面由房间下部送风口送出，一部分扩散至回风口，而一部分扩散至外墙处，在壁面附近形成气流漩涡，卷吸周围空气，产生浮升力而逐渐向房间上部聚集。而离风口较远的空气速度则无明显规律，较为混乱。在房间热源及供冷端之间有气流的漩涡，空气随送风气流扩散至墙壁，同时由于热源处空气产生的浮升力使热空气上升从而产生涡流。风速场分布较为均匀且均在热舒适范围内。
3.5 结论
对体育馆空调采用比赛区采用一次回风全空气系统、下供上回送风方式；观众区采用二次回风全空气系统、座椅送风方式，能形成很好的气流组织和形成条件并对空调形式下的温度场和速度场进行模拟，并对模拟结果进行分析可知。在该种空调送风形式下，观众区温度可达到26-27℃，比赛场地平均温度为26℃，比赛场地以及观众区域以外，温度相对较高，可达到29℃，基本设计工况及节能设计要求。观众区的空气流速均较小，在0.3m/s以下，符合ASHRAE标准规定的热舒适性要求。另一方面采用此种送风方式，直接将空调送风供给到人员活动区域，形成热力分层，能够满足高湿热地区空调设计工况，避免大空间无效区域能源消耗，从而达到节能目的。
参考文献
（1）孙敏生 王威 万水娥.国家大剧院观众厅空调系统和气流组织方式的设计和分析暖通空调，2003年第33卷第3期
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
