■王宏韜

（遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 遼寧沈陽(yáng)110000）

體育館置換通風(fēng)設(shè)計(jì)與分析

■王宏韜

（遼寧省城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 遼寧沈陽(yáng)110000）

本文介紹沈陽(yáng)市一體育館置換通風(fēng)設(shè)計(jì)的送風(fēng)量、送風(fēng)溫差、濕度梯度的計(jì)算，以及風(fēng)口的型式和布局。

體育館送風(fēng)量置換通風(fēng)（空調(diào)）

1　概述

置換通風(fēng)是借助空氣浮力作用的機(jī)械通風(fēng)方式，空氣以低風(fēng)速、高送風(fēng)溫度狀態(tài)送入人員活動(dòng)區(qū)下部，在送風(fēng)及室內(nèi)散熱源的上升氣流共同作用下將污濁空氣提升至頂部排出。與傳統(tǒng)的全室通風(fēng)相比，具有既可保證工作區(qū)的空氣品質(zhì)，又可有效利用空間上下溫度分層的特點(diǎn)以達(dá)到節(jié)能的目的，適用于大空間建筑。本文介紹范圍指體育館比賽（訓(xùn)練）場(chǎng)地與觀眾席的整體空間。

該體育館位于遼寧省沈陽(yáng)市，建成于2003年，總建筑面積7930m2，其中比賽（訓(xùn)練）場(chǎng)館建筑面積6400m2，附屬辦公建筑面積1530m2，共有座席2324個(gè)。限于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件，原設(shè)計(jì)只考慮簡(jiǎn)易機(jī)械排風(fēng)設(shè)施。隨著體育事業(yè)的進(jìn)步，原有排風(fēng)設(shè)施已不能滿足需要，在夏季舉辦多次大型賽事中由于室內(nèi)溫度過高已經(jīng)造成負(fù)面社會(huì)影響。近年本區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，區(qū)委區(qū)政府決定改造本體育館機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)并于2011年初立項(xiàng)。經(jīng)過對(duì)比權(quán)衡確定采用置換通風(fēng)（空調(diào)）方式。

2　通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1原通風(fēng)系統(tǒng)概述

本工程原通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用自然進(jìn)風(fēng)機(jī)械排風(fēng)方式。既在夏季舉辦大型賽事時(shí)開啟觀眾廳層的外門及幕墻外窗作為自然進(jìn)風(fēng)，設(shè)在屋頂?shù)?臺(tái)排風(fēng)機(jī)運(yùn)行。由于場(chǎng)館外門窗可開啟面積有限（近120m2），且通過外門窗洞口風(fēng)速控制在1m/s左右，所以總排風(fēng)量控制在不大于432000m3/h，折算換氣次數(shù)勉強(qiáng)3次/h。網(wǎng)架下弦距地面凈高度為13.6m，室內(nèi)空間上部有照明熱負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，下部觀眾席則集中了人員熱濕負(fù)荷。

2.2置換通風(fēng)工作原理及特點(diǎn)

置換空調(diào)的工作原理：由房間低處送出的冷風(fēng)低速進(jìn)入工作區(qū)內(nèi)，因?yàn)槊芏却蠖窈粯訌浡苏麄€(gè)房間地板上，遇到室內(nèi)熱源產(chǎn)生向上的對(duì)流氣流，使室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度梯度，向上的熱對(duì)流將污染物和大部分的照明和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷帶到高處，由排風(fēng)直接帶走。由于室內(nèi)形成垂直的溫度分層，使上部的得熱量減少，與全室空調(diào)相比，大大降低了空調(diào)除熱負(fù)荷。2.3空調(diào)/通風(fēng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)（1）室外設(shè)計(jì)氣象參數(shù)：

夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度：31.6℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度：25.0℃；

夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度：28.2℃，夏季通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度：65%；

（2）夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：

溫度：26—28°C（制冷系統(tǒng)未投入使用前按30°C確定），相對(duì)濕度：夏季55—65%；

室內(nèi)噪聲級(jí)：比賽大廳、擴(kuò)聲控制室NR 40

最小新風(fēng)量：30 m3/h·人 氣流速度：≯0.2m/s

2.4置換通風(fēng)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

坐姿頭腳溫差：θhf≤2℃站姿頭腳溫差：θhf≤3℃

吹風(fēng)風(fēng)速不滿意率：PD≤15%熱舒適不滿意率：PPD≤15%

置換通風(fēng)房間內(nèi)的溫度梯度：Δθ≤2℃/m

2.5冷負(fù)荷及風(fēng)量計(jì)算

2.5.1空間高度分區(qū)及各區(qū)余熱量計(jì)算

劃分空間高度分區(qū)主要是為滿足人員活動(dòng)區(qū)的舒適性。比賽（訓(xùn)練）館地面標(biāo)高為±0.000，觀眾看臺(tái)地面最高點(diǎn)標(biāo)高為6.430，觀眾按坐姿考慮，確定室內(nèi)熱力分層高度Hoz=7.73m。

表1　分區(qū)余熱量計(jì)算

表中余熱量的計(jì)算不包括人員的潛熱，因?yàn)榇俪蓽囟确謱拥囊蛩厥秋@熱。人員呼出的水蒸汽可由向上的熱氣流帶走。場(chǎng)館圍護(hù)結(jié)構(gòu)3面為外墻（窗），采光條件非常好，根據(jù)使用方經(jīng)驗(yàn)，夏季晴天早8點(diǎn)至下午16點(diǎn)舉行賽事只開啟40%燈具即可滿足照度，根據(jù)逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算，下午14時(shí)（最大）照明負(fù)荷有限。場(chǎng)館內(nèi)日照負(fù)荷較大。

2.5.2送風(fēng)量計(jì)算

室內(nèi)工作區(qū)熱舒適性：

θmin=22℃ （±0.000）θmax=27℃ （Hoz=7.73m）θoz=24℃Δθhf=2～3℃ Δθ≤2℃/mvoz=0.2m/s室內(nèi)工作區(qū)空氣質(zhì)量：Coz≤1000ppm

圖1　夏季室內(nèi)垂直方向溫度分布圖

本工程人員停留區(qū)（室內(nèi)熱力分層高度以下）允許溫升取為5℃，根據(jù)33%法則繪制“室內(nèi)垂直方向溫度分布圖”，如圖1所示。由圖得出：

θe-θs=17.6℃；θe=33.7℃；θs=16.1℃

室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)量

由公式：qs=3600Q/ρcp（θe-θs）

式中，qs—最小送風(fēng)量（m3/h）；

Q—工作區(qū)余熱量（kw）；

cp-空氣定壓比熱容，1.01kJ/kg℃；

ρ—空氣密度，1.2kg/m3；

綜合各類別的預(yù)測(cè)框聚類結(jié)果,使用(7/2,2,3/2,1,1/2,1/4)作為DSSD算法的預(yù)測(cè)框?qū)捀弑取?/p>

θe—室內(nèi)空氣排風(fēng)溫度，℃

θs—室內(nèi)空氣送風(fēng)溫度，℃

最小送風(fēng)量qs=3600×2368.44/(1.2×1.01×17.6)=399714m3/h

室內(nèi)地面處送風(fēng)溫度θf(wàn)=k（θe-θs）+θs=0.33×17.6℃+ 16.1=21.91℃

2.5.3各分區(qū)溫升計(jì)算

可以用由公式（1）變化而來(lái)的Δt=3600Qy/(ρcp L)計(jì)算各分區(qū)余熱量造成的空氣溫升：底部區(qū)：1℃，工作區(qū)：4℃，中間區(qū)：0.22℃，上部區(qū)：2.53℃。則工作區(qū)溫度梯度為4/2.2=1.82℃/m。設(shè)工作區(qū)頂部控制溫度為27℃，則地面處送風(fēng)溫度為22℃，頂部排(回)風(fēng)溫度為33.7℃。溫度分布情況見圖1。

2.5.4相對(duì)濕度計(jì)算

設(shè)工作區(qū)頂部為室內(nèi)控制點(diǎn)參數(shù)狀態(tài)，即室內(nèi)N點(diǎn)，干球溫度t N=27℃，相對(duì)濕度60%，濕球溫度t NS=20.8℃，焓h N=75.2kJ/kg，含濕量d N=18.70g/kg。根據(jù)公式：

L=3600W/1.3Δd

式中：W—室內(nèi)余濕（kg/h）；L—送風(fēng)量（m3/h）；Δd—含濕量變化（g/kg）。

比賽狀態(tài)下室內(nèi)散濕量計(jì)算：觀眾按中等活動(dòng)計(jì)取，比賽場(chǎng)地按重度活動(dòng)計(jì)??；計(jì)算數(shù)值為436.97kg/h。濕度隨空間高度變化呈線形分布，則水蒸氣濃度梯度值為0.35 g/kg×m，以室內(nèi)工作區(qū)頂部為室內(nèi)控制點(diǎn)參數(shù)為基準(zhǔn)，送、排風(fēng)點(diǎn)的含濕量分別為15.99g/kg、

20.75g/kg，這樣在焓濕圖上即可定出送風(fēng)點(diǎn)O點(diǎn)的狀態(tài)為：t O=16.1℃，h O=57.1kJ/kg，dO=15.99g/kg，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)為機(jī)器露點(diǎn)；排風(fēng)點(diǎn)P的狀態(tài)為：tP=33.7℃，h P=87.5kJ/kg，d P=20.75g/kg。室外空氣狀態(tài)點(diǎn)W：t W=31.5℃，t WS=25.3℃，相對(duì)濕度65%，h W=100kJ/kg。

送風(fēng)量計(jì)算：L=3600W/Δd=3600×436.97kg/h/1.3 （20.75-15.99）g/kg=254217 m3/h，2.5.2章節(jié)中計(jì)算最小送風(fēng)量能夠滿足要求。

2.5.5根據(jù)焓濕圖計(jì)算其余參數(shù)

館內(nèi)設(shè)計(jì)容納2374人，新風(fēng)按每人20 m3/h計(jì)算，則新風(fēng)量為L(zhǎng) w=20×2374=47480 m3/h，按50000 m3/h計(jì)取。則新風(fēng)負(fù)荷：Q w=ρL w(hw-hp)=1.2×50000×(100-87.5)/3600=208kW

室內(nèi)負(fù)荷：QN=ρL(hp-ho)=1.2×399714×(87.5-57.1)/3600= 2016.79kW；

則總負(fù)荷為：QZ=Qw+QN=1958kW；排風(fēng)負(fù)荷：排風(fēng)量與新風(fēng)量基本相等，按50000 m3/h計(jì)取，QP=ρLP(h P-h O)=160.6kW。

根據(jù)焓濕圖得出總負(fù)荷為QZ’=ρLL(hC-hL)=2385.39kW，與前面計(jì)算基本相符。

2.6主要空調(diào)設(shè)備

2.6.1空調(diào)送風(fēng)設(shè)備

為滿足置換空調(diào)送風(fēng)要求和節(jié)能降噪，末端系統(tǒng)采用4臺(tái)額定風(fēng)量為120000 m3/h的臥式空調(diào)機(jī)組，回風(fēng)和新風(fēng)混合后分別從4個(gè)墻角方向接入座椅送風(fēng)管道。送風(fēng)系統(tǒng)分為4部分，每部分送風(fēng)量均等，并且送風(fēng)距離較短。這樣以使每臺(tái)空調(diào)機(jī)組機(jī)外余壓較小且噪音較低?？照{(diào)機(jī)組變頻調(diào)速控制。

2.6.2排風(fēng)設(shè)備

在屋面重新均布設(shè)置6臺(tái)排風(fēng)機(jī)，其具體布置位置同原有排風(fēng)機(jī)，并改造原有排風(fēng)機(jī)洞口和基礎(chǔ)，總排風(fēng)量約50000 m3/h。

2.7風(fēng)口的型式和布局

2.7.1送風(fēng)口

置換通風(fēng)（空調(diào)）的送風(fēng)口布置應(yīng)滿足以下要求：

①.工作區(qū)人員坐姿停留處，空氣流速v oz≤0.2 m/s；

②.布置置換送風(fēng)口時(shí)，室內(nèi)人員應(yīng)在其擴(kuò)散的平面臨近區(qū)以外處；

③.置換送風(fēng)口不應(yīng)布置在室內(nèi)靠外墻或靠外窗處應(yīng)盡可能布置在冷負(fù)荷集中處。

基于以上要求，本工程采用座椅旋流送風(fēng)口，沿座椅下方均勻布置。階梯座椅下方砼板下傾斜的高大空間內(nèi)設(shè)置靜壓箱。旋流風(fēng)口安裝在階梯靜壓箱的垂直側(cè)面，其出風(fēng)氣流呈旋轉(zhuǎn)氣流，旋轉(zhuǎn)氣流在旋轉(zhuǎn)過程中摻混周圍空氣，使旋轉(zhuǎn)氣流的速度和溫度迅速衰減，在人體坐姿腳踝處無(wú)吹風(fēng)感。館內(nèi)共采用4648個(gè)方形座椅旋流送風(fēng)口，實(shí)測(cè)出風(fēng)速度1.96m/s，人體坐姿穿短褲時(shí)腳踝處無(wú)吹風(fēng)感，距風(fēng)口0.3m處實(shí)測(cè)風(fēng)速v=0.17 m/s。

2.7.2排風(fēng)口和回風(fēng)口

本工程排風(fēng)口采用電動(dòng)風(fēng)口，設(shè)在室內(nèi)最高處與排風(fēng)機(jī)直接連接并于排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制?；仫L(fēng)口設(shè)在標(biāo)高8.500處，高于熱力分層高度。

3　冬季運(yùn)行

本工程冬季需要較大的熱負(fù)荷且比賽場(chǎng)館內(nèi)無(wú)內(nèi)外區(qū)，冬季不適合置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)的運(yùn)行。置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)冬季只采用1臺(tái)空調(diào)機(jī)組變頻間歇運(yùn)行供新風(fēng)，并與排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制運(yùn)行。冬季運(yùn)行時(shí)送風(fēng)量略大于排風(fēng)量，新風(fēng)量折合換氣次數(shù)約為0.6次/h，對(duì)室內(nèi)溫度無(wú)影響。館內(nèi)供熱采用原有散熱器系統(tǒng)，冬季室溫能夠達(dá)到17℃左右。

4　 CFD校核

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算，采用CFD專業(yè)模擬軟件AirPak2.0（Fluent公司）對(duì)比賽場(chǎng)館進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬。模擬中采用零方程建立模型，網(wǎng)格選用六面體網(wǎng)格，計(jì)算方法為有限體積離散法。模擬中邊界條件以及參數(shù)設(shè)置與設(shè)計(jì)條件保持一致。

模擬結(jié)果顯示，比賽場(chǎng)館內(nèi)溫度分層非常明顯，工作區(qū)上部溫度不超過27oC；比賽場(chǎng)館內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)速不大于0.20m/s，不會(huì)產(chǎn)生因風(fēng)速較大而影響比賽。綜合溫度和風(fēng)速兩方面，可以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)完全能夠保證工作區(qū)滿足比賽要求和舒適性要求。

5　結(jié)論

筆者介紹了某區(qū)體育館的置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，并采用CFD模擬方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了校核，認(rèn)為本設(shè)計(jì)能夠保證置換空調(diào)比賽要求和舒適性要求。本體育館置換通風(fēng)（空調(diào)）系統(tǒng)于2013年4月完工并通過相關(guān)部門驗(yàn)收，通近2年的實(shí)際運(yùn)行效果良好，完全符合設(shè)計(jì)參數(shù)。

[1]陸耀慶.《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 （第二版）.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012.

[3]全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施《暖通空調(diào)·動(dòng)力》2009年版.

P217[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-393-2