黃棟 文遠(yuǎn)高 李政桐 明廷臻

1武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

2華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

近年來， 我國運(yùn)動(dòng)員在各大體育賽事上取得了諸多令人矚目的成績，體育產(chǎn)業(yè)受到了前所未有的關(guān)注， 國家政府也因此不惜投巨資在全國范圍內(nèi)大量修建體育場(chǎng)館 [1] 。雖然體育館類建筑在造型， 尺寸等多方面實(shí)現(xiàn)了突破， 但是由于體育館內(nèi)的空調(diào)設(shè)計(jì)卻與一般建筑存在明顯差異[2]， 考慮到體育館建筑具有建筑高度高， 空調(diào)負(fù)荷大， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料特殊,使用功能多樣化等特點(diǎn)， 也考慮到體育館的觀眾看臺(tái)區(qū)與比賽區(qū)對(duì)氣流組織要求的差異化， 體育館的空調(diào)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜， 氣流組織也難以得到有效控制[3]。因此， 大型體育館作為高度大于 5m， 體積大于10000m3的高大空間建筑， 對(duì)于其氣流組織的設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)者們通常需要付出更多的努力[4-7]。

由于館內(nèi)的人員散熱占體育館余熱的70%左右[8]， 因而觀眾的上座率很大程度上影響到了空調(diào)負(fù)荷的確定。實(shí)際上， 體育館的運(yùn)行工況與其設(shè)計(jì)條件是不同的， 考慮到體育館內(nèi)的上座率很難達(dá)到 100%，但此時(shí)送風(fēng)工況仍然采用 100%上座率下的工況， 因而會(huì)產(chǎn)生很大的能源浪費(fèi)。本文以某體育館為研究對(duì)象， 利用計(jì)算流體軟件Airpak 對(duì)館中側(cè)送下回的空調(diào)運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬。在模擬時(shí)， 截取某一具有代表性的部分模型， 并對(duì)該模型做了相應(yīng)的簡化處理， 研究了在不同送風(fēng)速度， 不同送風(fēng)角度， 不同上座率工況下， 體育館內(nèi)的氣流組織分布。最后依據(jù)其氣流組織分布， 得出了適用于該體育館的優(yōu)化方案。結(jié)果顯示，優(yōu)化方案不僅能節(jié)約運(yùn)行成本， 還能提高體育館內(nèi)觀眾與運(yùn)動(dòng)員的舒適性， 為工程實(shí)踐提供了參考。

1 物理數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

考慮到有限的計(jì)算能力， 因此在不影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下， 截取了該體育館的部分區(qū)域進(jìn)行了建模。 模型實(shí)際尺寸如圖1所示： 長度X方向?yàn)?6m，寬度Z方向?yàn)?0m， 高度Y方向?yàn)?8m。 靠體育館南側(cè)布置有 15 層觀賽臺(tái)階， 沿 X 從 0 到 8.5m， 沿 Z方向0到10m， 高度沿Y方向從0到4.6m。 在最上層臺(tái)階的上方布置風(fēng)管和5個(gè)送風(fēng)口，最下層臺(tái)階腳下有3個(gè)回風(fēng)口， 臺(tái)階的正上方布置6個(gè)燈管。 進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)， 假設(shè)將室內(nèi)空氣視為連續(xù)性介質(zhì)， 室內(nèi)空氣密度保持不變， 將室內(nèi)空氣設(shè)為理想氣體， 認(rèn)為室內(nèi)流動(dòng)為定常流動(dòng)[9]。

圖1 體育館內(nèi)物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

考慮到室內(nèi)氣流組織的復(fù)雜程度， 因而其空氣流動(dòng)狀態(tài)多為湍流流動(dòng)。 本文采用 湍流模型對(duì)室內(nèi)空氣的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬， 根據(jù)室內(nèi)空氣的流動(dòng)特點(diǎn)作出以下合理的假設(shè)：1） 室內(nèi)空氣不可壓縮且為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)。2）流 體物性不發(fā)生變化。3)忽略重力影響。4）考 慮固體與流體流動(dòng)間的耦合傳熱問題。5）入口的溫度、速度分布均勻。則需要求解的連續(xù)性方程，動(dòng) 量方程與能量方程分別表示如下：

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε數(shù)學(xué)模型，其中k和ε是兩個(gè)基本未知量， 其輸運(yùn)方程為：

式中：Gk表示由于速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)出，可以定義為和σε表 示湍流普朗特?cái)?shù)，其中σ=0.9，σ=1.0i，σ=1.3；其 中C與C為湍流常數(shù)TKε12C1= 1.44，C2= 1.92。μi= (cμρ k2/ε)，且Cμ= 0.09。

1.3 邊界條件與計(jì)算模型

計(jì)算模型的邊界條件如表1所示，表中涉及相應(yīng)的邊界類型， 布置位置， 尺寸參數(shù)以及相應(yīng)的數(shù)量。對(duì)計(jì)算空間進(jìn)行有限體積法離散， 收斂標(biāo)準(zhǔn)取為 1×10 -4 。計(jì)算時(shí)采用雙精度的分離隱式算法，運(yùn)用 SIMPLE算法對(duì)壓力與速度進(jìn)行耦合，對(duì)流項(xiàng)的離散格式為QUICK， 其余各項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式， 固體壁面采用無滑移邊界條件。通過進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，增加了計(jì)算網(wǎng)格的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性， 在保證計(jì)算效率的前提下， 該模型的最佳網(wǎng)格數(shù)為428598。

表1 計(jì)算模型的邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 送風(fēng)速度的影響

送風(fēng)速度是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的一個(gè)重要參數(shù)， 它不僅關(guān)系到館內(nèi)人員的舒適性， 而且還影響?zhàn)^內(nèi)的氣流組織分布、 噪聲大小等。本節(jié)針對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)在送風(fēng)參數(shù)不變 （送風(fēng)溫差△t=8 ℃， 水平送風(fēng)）的前提下， 分析其送風(fēng)速度對(duì)館內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。其中送風(fēng)速度V設(shè)置為 4m/s，4.5m/s， 與 5m/s(原設(shè)計(jì)工況)。

圖2 在不同送風(fēng)速度V下 z=5m處溫度分布云圖

如圖 2 所示， 本文截取了z=5m 處溫度分布云圖進(jìn)行分析， 結(jié)果顯示送風(fēng)速度能夠?qū)囟葓?chǎng)的分布產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)送風(fēng)速度為原設(shè)計(jì)送風(fēng)速度 （V=5m/s） 時(shí)， 比賽場(chǎng)地及其上方的溫度維持在 23 ℃， 屋頂?shù)脽釋?duì)觀眾區(qū)的溫度影響很小， 由于偏大的送風(fēng)速度， 導(dǎo)致射流彎曲程度減小， 即射流半徑增大。在熱舒適性上， 前四排觀眾的頭部溫度為 23 ℃， 觀眾會(huì)感覺稍冷， 不滿足設(shè)計(jì)要求 （26 ℃）。而后排觀眾頭部溫度在 26 ℃， 基本符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)減小送風(fēng)速度 （V=4.5m/s） 時(shí)， 比賽場(chǎng)地及其上方溫度保持在24 ℃， 雖然低于設(shè)計(jì)溫度， 但是考慮到比賽期間運(yùn)動(dòng)員活動(dòng)量比較大， 散熱相應(yīng)增加， 稍低的溫度反而能夠產(chǎn)生更好的舒適感， 而且整個(gè)觀眾席上觀眾頭部附近的溫度維持在26 ℃左右， 基本滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)繼續(xù)減小送風(fēng)速度 （V=4m/s） 時(shí)， 整個(gè)比賽場(chǎng)地及上空溫度為25 ℃， 由于送風(fēng)速度偏小， 冷空氣射流彎曲嚴(yán)重， 導(dǎo)致觀眾席前七排溫度偏高， 頭部附近溫度增加至 28℃， 感覺偏熱，不符合設(shè)計(jì)要求， 而且， 屋頂?shù)脽釋?duì)館內(nèi)上部空間的溫度分布影響開始偏大。綜上所述， 當(dāng)觀眾上座率為100%時(shí)， 送風(fēng)速度為 4.5m/s， 在送風(fēng)溫差△t=8 ℃工況條件下， 能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 送風(fēng)角度的影響

合理的送風(fēng)角度能夠優(yōu)化館內(nèi)氣流組織分布以及降低空調(diào)能耗， 因而對(duì)于側(cè)送下回氣流組織系統(tǒng)， 送風(fēng)角度在空調(diào)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。基于優(yōu)化后的送風(fēng)速度 （V=4.5m/s）,在送風(fēng)溫差保持 8 ℃不變的前提下，研究不同送風(fēng)角度對(duì)溫度場(chǎng)的影響。其中送風(fēng)角度設(shè)置為向下傾斜15° 以及向上傾斜15° 。

圖3 在不同送風(fēng)角度下 z=5m處溫度分布云圖

如圖3所示，截取了z=5m處溫度分布云圖進(jìn)行分析， 結(jié)果顯示送風(fēng)角度也能夠?qū)囟葓?chǎng)的分布產(chǎn)生很大的影響。因?yàn)樗惋L(fēng)角度會(huì)影響到氣流組織的分布， 特別是重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域 （觀眾席頭部） 的溫度。當(dāng)送風(fēng)角度向下傾斜時(shí)，結(jié)果顯示由于從第七排觀眾開始， 后面的觀眾頭部附近溫度維持在24 ℃， 感覺稍冷，所以不符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)送風(fēng)角度向上傾斜時(shí)， 冷風(fēng)到達(dá)觀眾席的時(shí)間增加，前排觀眾席頭部溫度偏低，同樣不符合設(shè)計(jì)要求。只有在水平送風(fēng)工況下， 才能滿足各方面舒適性設(shè)計(jì)要求。

2.3 觀眾上座率的影響

由于體育館內(nèi)人員數(shù)量眾多， 而人員產(chǎn)生的熱負(fù)荷占整個(gè)體育館空調(diào)負(fù)荷的比重較大， 不同上座率對(duì)體育館內(nèi)溫度分布能夠產(chǎn)生相應(yīng)的影響， 因此上座率對(duì)館內(nèi)的溫度分布產(chǎn)生的影響需要進(jìn)行相應(yīng)的研究與分析。 本節(jié)針對(duì)館內(nèi)低上座率 （30%） 的情況， 對(duì)比滿負(fù)荷工況（△t=8 ℃，V=4.5m/s)以及優(yōu)化工況 （△t=6.5 ℃，V=4.5m/s)下溫度分布情況。

圖4 低上座率（30%）時(shí)不同工況下z=5m處溫度分布云圖

如圖 4 所示， 由于人員所占負(fù)荷比重大， 上座率能夠影響體育館內(nèi)的溫度分布。當(dāng)上座率為30%采用滿負(fù)荷工況時(shí)， 體育館內(nèi)的整體溫度維持在 22 ℃。其中， 前排觀眾附近的溫度在 23 ℃左右， 遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度26 ℃。為了緩解過低的室內(nèi)溫度， 相應(yīng)的減少送風(fēng)溫差。結(jié)果顯示， 在觀眾頭部附近的溫度控制在 26 ℃左右， 達(dá)到設(shè)計(jì)溫度要求。 綜上所述， 當(dāng)上座率降低時(shí)，仍然采用滿負(fù)荷的設(shè)計(jì)工況， 不僅觀眾席舒適度無法達(dá)到要求，也造成很大程度上的能源浪費(fèi)。需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案， 例如降低送風(fēng)溫差 （提高送風(fēng)溫度） 解決不同上座率的工況設(shè)計(jì)問題。

3 結(jié)論

本文以某體育館為研究對(duì)象，利 用計(jì)算流體軟件Airpak 對(duì)館中側(cè)送下回的空調(diào)運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，分 析不同送風(fēng)速度，送 風(fēng)角度對(duì)館內(nèi)溫度分布的影響，以 及在體育館低上座率情況下，提 出了相應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行方案。

1）隨 著送風(fēng)速度的增加，射 流彎曲程度越小，射 流長度越長，射 流彎曲的地方會(huì)出現(xiàn)漩渦，原 設(shè)計(jì)工況下，雖 然能使觀眾席的空氣齡變小，舒 適性提高，但 是會(huì)使整個(gè)體育館空間的溫度偏低，速 度也偏大，因 而最佳的送風(fēng)速度為4.5m/s。

2）送 風(fēng)口角度對(duì)體育館觀眾席以及氣流組織的影響很大，向 下傾斜15°送 風(fēng)時(shí)，雖 然送出來的冷風(fēng)能快速到達(dá)觀眾席區(qū)域，提 高了舒適性，會(huì) 使后三排觀眾席頭部風(fēng)速達(dá)到了0.7m/s。當(dāng)送風(fēng)工況為向上傾斜15°時(shí)，觀 眾席頭部風(fēng)速更加均勻。相比水平送風(fēng)工況，這 種送風(fēng)方式使得送出來的冷風(fēng)需要更長的時(shí)間才能到達(dá)觀眾席區(qū)域。因而最佳的送風(fēng)角度為水平送風(fēng)。

3）隨 著觀眾上座率的增加，熱 浮力增加，散 熱量也隨著增加，所 以針對(duì)不同的上座率情況，應(yīng) 采取不同的送風(fēng)溫差，這 樣既能提高舒適性，又 能達(dá)到節(jié)約運(yùn)行能耗的目的。得出優(yōu)化方案：3 0%上座率取送風(fēng)溫差了6.5 ℃，100%上座率取8℃。

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