李晉

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院∥亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，體育館的功能不斷得以拓展，從早期的以單一比賽為主，發(fā)展為集比賽、訓(xùn)練、展覽、觀演集會(huì)等于一體的多功能場(chǎng)所［1］．掌握體育館設(shè)計(jì)與自然通風(fēng)相互作用的規(guī)律，可有效促進(jìn)自然能源向建筑內(nèi)部流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)換氣、降溫，最終改善體育館不同使用人群的舒適感受［2-3］．設(shè)計(jì)師在方案構(gòu)思階段若能將體育館形態(tài)設(shè)計(jì)同室內(nèi)場(chǎng)地自然通風(fēng)結(jié)合起來(lái)，并選取合理的開(kāi)窗通風(fēng)策略，對(duì)于把控體育館競(jìng)技比賽、健身訓(xùn)練、集會(huì)表演等不同使用模式下的自然風(fēng)環(huán)境頗為有益［4-5］．

文中利用Fluent等軟件對(duì)非賽事條件下的體育館抽象模型進(jìn)行模擬計(jì)算，比較研究體育館基本形態(tài)改變對(duì)室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)速及整體換氣次數(shù)的影響;然后在優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討賽時(shí)不同使用模式下的開(kāi)窗通風(fēng)策略;最后研究了自然通風(fēng)調(diào)節(jié)對(duì)使用人群熱舒適性的影響，可為體育館設(shè)計(jì)和使用提供科學(xué)依據(jù)．

1 研究模型的建立

從實(shí)際的體育館建筑中抽象出3種模型，設(shè)定相同邊界條件，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，提取數(shù)據(jù)整理得出各進(jìn)、出風(fēng)口風(fēng)速和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)速，進(jìn)而得出相應(yīng)的室內(nèi)換氣次數(shù)及自然通風(fēng)調(diào)節(jié)下運(yùn)動(dòng)人群的舒適擴(kuò)展范圍，結(jié)合圖表研究體育館非對(duì)稱形態(tài)對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境的影響．

1．1 建立CAD模型

為便于研究，將體育館形態(tài)簡(jiǎn)化為圖1所示的3種基本形態(tài)，其中平面圖、剖面圖左側(cè)為進(jìn)風(fēng)側(cè)．

模型a:運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地平面尺寸為75 m×75 m，高度為30m(中型規(guī)模體育訓(xùn)練館的抽象基本形態(tài))，對(duì)稱形態(tài)模型．

模型b:在模型a的基礎(chǔ)上，保持模型體積和屋面中心高度不變，將屋頂作15°單向傾斜，降低的一側(cè)立面作為正向進(jìn)風(fēng)面，形成非對(duì)稱形態(tài)模型．

模型c:在模型b的基礎(chǔ)上增加屋面挑檐，進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)外挑寬度均為10 m，另外兩側(cè)外挑8 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)屋檐向上折起，與水平面呈15°夾角，形成非對(duì)稱挑檐形態(tài)模型．

3個(gè)模型中，窗的分布一致，同位置窗戶尺寸相同，窗高均為1．5m，進(jìn)、出風(fēng)側(cè)立面開(kāi)窗3排(每排3個(gè)，中間窗寬25m，兩側(cè)窗寬均為15m)，其余兩側(cè)開(kāi)窗3排(每排1個(gè)，窗寬均為25m)．3排窗的中線距地面依次為 2．75、5．75、15．25m．

圖1 3種抽象形態(tài)模型Fig．1 Models of three abstract forms

1．2 氣體流動(dòng)方程的確定

采用Fluent軟件模擬選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，即湍流動(dòng)能及其擴(kuò)散率的傳輸方程的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?dāng)流動(dòng)為不可壓，且不考慮用戶自定義源時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算公式可表示為［6-8］

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的k控制方程可表示為

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中的ε控制方程可表示為

1．3 邊界條件的確定

將3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e置于長(zhǎng)525m、寬375m、高120m的計(jì)算域中(設(shè)模型長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H，為滿足計(jì)算精度，計(jì)算域大小設(shè)定為7L×5W×4H)，模型進(jìn)風(fēng)面與計(jì)算域進(jìn)風(fēng)口相距150m，計(jì)算域進(jìn)風(fēng)口入口邊界velocity-inlet選用廣州城市梯度風(fēng)參數(shù)．梯度風(fēng)具體表達(dá)式為

其中:z1、u1分別為參考高度和參考高度處的風(fēng)速，根據(jù)廣州地區(qū)氣象參數(shù)，分別選取10m和1．8m/s作為參考值［9］;z、u分別為流域中某高度及該高度所對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速．

風(fēng)速剖面使用 Fluent的 UDF(User Defined Function)功能通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)［10］．鑒于出流已接近完全發(fā)展，出風(fēng)口采用自由出口邊界．頂部和兩側(cè)采用symmetry對(duì)稱邊界條件［11］．

2 非賽事條件下的自然通風(fēng)

2．1 中軸剖截面風(fēng)壓比較

運(yùn)用Fluent計(jì)算，選取中軸對(duì)稱剖截面為典型剖截面，3個(gè)模型的風(fēng)場(chǎng)壓力云圖如圖2所示．選取2．75、5．75 和 15．25m 3 個(gè)高度提取風(fēng)壓數(shù)值，并計(jì)算出相應(yīng)高度上迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差，如表1所示．結(jié)果表明，非對(duì)稱的模型b和模型c在各高度上的風(fēng)壓差較對(duì)稱形態(tài)模型a有了明顯的提高，且模型c的屋面挑檐使得建筑底部、屋檐下部等區(qū)域的正負(fù)壓差進(jìn)一步加大．

表1 不同高度時(shí)3種模型的風(fēng)壓差比較Table 1 Comparison of wind pressure drop at different height in three models

圖2 3種模型的中軸對(duì)稱剖截面壓力云圖Fig．2 Pressure nephograms at middle symmetry section in three models

2．2 采樣點(diǎn)風(fēng)速提取分析

運(yùn)用Fluent計(jì)算得3個(gè)模型在中軸對(duì)稱剖截面的風(fēng)速模擬結(jié)果，如圖3所示，在該剖截面上對(duì)窗口和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地選點(diǎn)采樣．窗口采樣點(diǎn)選取依據(jù):進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)立面3排窗口與中軸對(duì)稱剖截面相交所成各線段的中點(diǎn)，分別記為 Wδ-1、Wζ-2 或 Wη-2(δ、ζ、η分別代表 2．75、5．75 和15．25m 處的窗中點(diǎn)，1 代表進(jìn)風(fēng)側(cè)，2代表出風(fēng)側(cè))，將同側(cè)3個(gè)中點(diǎn)的風(fēng)速平均值近似認(rèn)為是該側(cè)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，記為W-x1或者W-x2(x為模型編號(hào)，1代表進(jìn)風(fēng)側(cè)，2代表出風(fēng)側(cè))．運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地采樣點(diǎn)選取依據(jù):從進(jìn)風(fēng)側(cè)墻面開(kāi)始向出風(fēng)側(cè)方向，每隔7．5 m取場(chǎng)地上方1．5 m高處(相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)人群站立時(shí)胸口處平均高度)［12-13］的采樣點(diǎn)風(fēng)速值，3個(gè)模型的場(chǎng)地采樣點(diǎn)均為9個(gè)，并用C-XX表示運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地上所有的采樣點(diǎn)，XX為連續(xù)數(shù)字編號(hào)(從01到09)，如圖4所示．

圖3 3種模型的中軸對(duì)稱剖截面風(fēng)速模擬圖Fig．3 Simulation of wind velocity at middle symmetry section in three models

圖4 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig．4 Schematic diagram of sampling points’distribution

2．2．1 窗口風(fēng)速比較

3個(gè)模型各窗口采樣點(diǎn)風(fēng)速如表2所示，其平均風(fēng)速大小依次為W-c1(1．18m/s) ＞W(wǎng)-b1(0．83m/s) ＞W(wǎng)-a1(0．75m/s)，W-c2(0．59m/s) ＞W(wǎng)-b2(0．41m/s) ＞W(wǎng)-a2(0．32m/s)．可見(jiàn)，非對(duì)稱形態(tài)模型 b、c進(jìn)風(fēng)窗平均風(fēng)速均高于對(duì)稱形態(tài)模型a，其中模型c進(jìn)風(fēng)窗平均風(fēng)速較模型a提高了57%、較模型b提高了42%．這是由于模型c在形態(tài)調(diào)整基礎(chǔ)上增加了屋面出檐，使得迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差加大，從而在開(kāi)窗大小、位置相同的情況下進(jìn)風(fēng)窗處的平均風(fēng)速較其他兩者高．

表2 3個(gè)模型各窗口采樣點(diǎn)風(fēng)速比較Table 2 Wind velocity comparison of window sampling points in three models

2．2．2 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)速比較

3種模型運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地采樣點(diǎn)風(fēng)速如圖5所示．由圖5可見(jiàn)，進(jìn)風(fēng)側(cè)墻面至場(chǎng)地中部這段范圍內(nèi)，受進(jìn)風(fēng)風(fēng)速影響，模型c各采樣點(diǎn)風(fēng)速普遍高于其他模型，模型a和模型b相差不大;場(chǎng)地中部至出風(fēng)側(cè)墻面，受模型迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間壓差的影響，模型c各采樣點(diǎn)的風(fēng)速最高，模型b次之，模型a最小．非對(duì)稱挑檐模型c的氣流在室內(nèi)較遠(yuǎn)進(jìn)深范圍能夠維持較高的風(fēng)速，在自然通風(fēng)調(diào)節(jié)情況下其運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)速整體上高于模型a、b．

圖5 3種模型運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地采樣點(diǎn)風(fēng)速比較Fig．5 Wind velocity comparison of sampling points in exercise site of three models

2．3 室內(nèi)換氣次數(shù)統(tǒng)計(jì)

鑒于進(jìn)風(fēng)側(cè)3排窗戶每排的面積大小、相對(duì)位置一致，故將模型進(jìn)風(fēng)側(cè)3排窗口與中軸對(duì)稱剖截面相交所形成的3條線段上的中點(diǎn)風(fēng)速值取其平均值，并近似地看作該模型進(jìn)風(fēng)窗風(fēng)速平均值v，m/s;求得進(jìn)風(fēng)側(cè)3排窗戶的總面積F，m2．按照公式L=3600vF計(jì)算出每小時(shí)的室內(nèi)進(jìn)風(fēng)量L，m3;除以體育館體積V得出該模型每小時(shí)內(nèi)的換氣次數(shù)［14］．按上述計(jì)算方法分別求得模型a、b、c每小時(shí)的換氣次數(shù)依次為 3．96、4．38、6．23，可見(jiàn)在形態(tài)非對(duì)稱的基礎(chǔ)上，合理增加屋面挑檐可進(jìn)一步優(yōu)化換氣效果．對(duì)于集會(huì)、展覽、觀演等非比賽活動(dòng)而言，提高運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)速對(duì)于提升使用人群的熱舒適感受及改善空氣質(zhì)量均有益處．

3 賽時(shí)不同使用模式下的開(kāi)窗通風(fēng)策略

當(dāng)前體育館的賽事通風(fēng)幾乎完全依賴空調(diào)、機(jī)械通風(fēng)等手段，造成高能耗的同時(shí)易導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降和疾病的傳播．在前一階段研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮賽時(shí)條件下具體的自然通風(fēng)策略，控制風(fēng)速以滿足不同賽事的需求，即控制不同高度進(jìn)出風(fēng)窗的開(kāi)閉以調(diào)控運(yùn)動(dòng)空間風(fēng)環(huán)境．基于前文的研究，在通風(fēng)效果最好的模型c基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化研究．

體育館在不同使用模式下對(duì)于自然通風(fēng)的要求不盡相同，根據(jù)JGJ31—2003《體育建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》，乒羽項(xiàng)目賽時(shí)則要求場(chǎng)地風(fēng)速不大于0．2m/s(乒乓球的高度范圍取距地3 m以下，羽毛球的高度范圍取距地9m以下)，其他多數(shù)項(xiàng)目賽時(shí)場(chǎng)地風(fēng)速應(yīng)不大于0．5m/s，賽后健身、集會(huì)表演等并無(wú)具體要求．通過(guò)前文分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化模型c在進(jìn)出風(fēng)窗全開(kāi)情況下更適合于賽后健身及集會(huì)表演的開(kāi)展，對(duì)多數(shù)運(yùn)動(dòng)的比賽仍有干擾，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目賽時(shí)的正常開(kāi)展仍需選取適宜的開(kāi)窗通風(fēng)策略．

針對(duì)風(fēng)速要求不大于0．2 m/s的第1種使用模式，可在模型c的基礎(chǔ)上，進(jìn)風(fēng)側(cè)僅半開(kāi)15．25 m高第3排進(jìn)風(fēng)窗，3面出風(fēng)側(cè)半開(kāi)第2排5．75m和第3排15．25m高的各出風(fēng)窗，其余窗戶全關(guān)閉，取其中軸對(duì)稱剖截面分析，模擬結(jié)果如圖6(a)所示．提取數(shù)值發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)空間距地3m以下風(fēng)速最大值約為0．18m/s，平均風(fēng)速約為0．11 m/s;距地9 m以下風(fēng)速最大值約為0．38m/s(出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)窗附近)，平均風(fēng)速約為0．11m/s，按照前文1．5m高處采樣點(diǎn)位置提取人群運(yùn)動(dòng)區(qū)域風(fēng)速，如圖7所示．按此開(kāi)窗通風(fēng)方式可使場(chǎng)地絕大部分區(qū)域滿足乒羽項(xiàng)目的比賽要求．

針對(duì)風(fēng)速要求不大于0．5m/s的第2種使用模式，可在模型c的基礎(chǔ)上，進(jìn)風(fēng)側(cè)僅開(kāi)啟第2排5．75m高的進(jìn)風(fēng)窗的1/3面積，3面出風(fēng)側(cè)僅半開(kāi)第3排15．25m高的出風(fēng)窗，其余窗戶全關(guān)閉，取其中軸對(duì)稱剖截面分析，模擬結(jié)果如圖6(b)所示．提取1．5m高處各采樣點(diǎn)風(fēng)速，如圖7所示，可見(jiàn)該高度風(fēng)速最大值在0．5m/s左右，平均風(fēng)速約為0．42m/s．按此開(kāi)窗通風(fēng)方式可使場(chǎng)地基本滿足大球等多數(shù)項(xiàng)目的比賽要求．

綜上所述，模型c賽時(shí)、賽后不同使用模式下的開(kāi)窗通風(fēng)策略如表3所示．

圖6 兩種使用模式下模型c中軸剖截面風(fēng)速模擬圖Fig．6 Simulation of wind velocity at middle section in model c in two use modes

圖7 3種使用模式下不同開(kāi)窗通風(fēng)方式對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境的影響Fig．7 Influence ofdifferentwindow-opening ventilation ways on wind environment of exercise site in three use modes

表3 不同使用模式下的開(kāi)窗通風(fēng)策略Table 3 Window-opening ventilation strategies in different use modes

4 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的熱舒適性分析

以風(fēng)環(huán)境模擬得到的模型a、b、c各場(chǎng)地區(qū)1．5m高處各采樣點(diǎn)風(fēng)速為基礎(chǔ)，取其平均值為運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地該高度處的平均風(fēng)速值，結(jié)合廣州典型氣象年氣象數(shù)據(jù)、著衣特征及觀演靜坐狀態(tài)作為熱舒適分析的依據(jù)［15］，運(yùn)用WeatherTool軟件對(duì)3種形態(tài)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地區(qū)域熱環(huán)境分析，結(jié)果以焓濕圖的形式表示，如圖8所示．焓濕圖中橫坐標(biāo)為干球溫度 (℃)，縱坐標(biāo)為絕對(duì)濕度(mg/L)，傾斜虛曲線為相對(duì)濕度(%)(曲線自下而上依次表示10%，20%，…，100%);基礎(chǔ)區(qū)域指不借助任何降溫手段所得到的熱舒適區(qū)域，將3個(gè)模型在自然通風(fēng)調(diào)節(jié)下運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地?zé)崾孢m性擴(kuò)展后的區(qū)域分別用區(qū)域a、區(qū)域b、區(qū)域c的相應(yīng)線框表示，并認(rèn)為落在熱舒適及其擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的溫、濕度組合可在不用空調(diào)的情況下使人體感到舒適［16-18］．

圖8 3種模型運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地?zé)崾孢m擴(kuò)展區(qū)域比較Fig．8 Thermal comfort extended-area comparison of exercise site in three models

由圖8可見(jiàn)，利用自然通風(fēng)提升運(yùn)動(dòng)區(qū)域風(fēng)速可有效擴(kuò)大觀演人群的熱舒適范圍;其中非對(duì)稱挑檐模型c場(chǎng)地?zé)崾孢m范圍改善狀況明顯優(yōu)于對(duì)稱模型a和非對(duì)稱模型b．

以風(fēng)環(huán)境模擬得到的模型c在賽時(shí)賽后、不同使用模式下開(kāi)窗通風(fēng)時(shí)1．5m高處各采樣點(diǎn)的風(fēng)速為基礎(chǔ)，分別取其平均值作為運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地在對(duì)應(yīng)模式下的平均風(fēng)速值，結(jié)合廣州典型氣象年氣象數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)著衣特征及中等活動(dòng)強(qiáng)度作為熱舒適分析的依據(jù)，運(yùn)用WeatherTool軟件對(duì)模型c在上述3種通風(fēng)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地區(qū)域熱環(huán)境分析，如圖9所示．將賽時(shí)使用模式1、2及賽后健身使用3種不同模式自然通風(fēng)調(diào)節(jié)時(shí)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地?zé)崾孢m性擴(kuò)展后的區(qū)域，分別用區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的相應(yīng)線框表示．由圖9可見(jiàn)，自然通風(fēng)調(diào)節(jié)可在滿足運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目正常開(kāi)展的前提下，有效改善運(yùn)動(dòng)人群的熱舒適感受．

圖9 3種通風(fēng)狀態(tài)下模型c運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地?zé)崾孢m擴(kuò)展區(qū)域比較Fig．9 Thermal comfort extended-area comparison of exercise site in model c under three ventilation situations

5 結(jié)論

利用Fluent等軟件對(duì)對(duì)稱形態(tài)、非對(duì)稱形態(tài)及非對(duì)稱挑檐形態(tài)的體育館模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)在室外風(fēng)環(huán)境相同條件下，調(diào)整體育館形態(tài)非對(duì)稱性，并在此基礎(chǔ)上合理增加屋面挑檐，有利于增大迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差，進(jìn)而強(qiáng)化室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地自然通風(fēng)的動(dòng)力，提升室內(nèi)換氣次數(shù)，并可改善室內(nèi)使用人群熱舒適范圍;

(2)根據(jù)不同比賽的需求，可通過(guò)調(diào)控進(jìn)出風(fēng)窗開(kāi)閉的面積以控制風(fēng)速，最大程度實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)空間的自然化調(diào)控，較以往比賽時(shí)一定要在空調(diào)狀態(tài)下進(jìn)行才能滿足對(duì)風(fēng)速控制的做法有了一定的進(jìn)步;

(3)在濕熱地區(qū)氣候條件下，建議在結(jié)構(gòu)合理與造型美觀的基礎(chǔ)上調(diào)整體育館屋面挑檐寬度、挑檐角度，可采用隨季節(jié)變化的可變動(dòng)挑檐構(gòu)造使之與遮陽(yáng)作用相結(jié)合，以尋求通風(fēng)、遮陽(yáng)、隔熱綜合效益最優(yōu)的挑檐方案．

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