高強(qiáng) 李帆

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013）

0 引言

隨著人們健康舒適意識的加強(qiáng)，對室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性要求越來高[1]，而空調(diào)系統(tǒng)是調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境最常用的方法。一幢現(xiàn)代化的體育建筑必須具有良好的空調(diào)設(shè)施，特別是對于比賽大廳而言，其空調(diào)設(shè)施更是體育建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而室內(nèi)氣流組織又是決定體育建筑比賽大廳空調(diào)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵之一[2]。合理的氣流組織形式既可以使館內(nèi)空氣分布滿足比賽和觀眾的要求，同時(shí)又能保證空調(diào)系統(tǒng)能耗較低，因此，室內(nèi)氣流組織成為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須認(rèn)真考慮的重點(diǎn)問題。

本文利用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件CFD（Computational Fluid Dynamics）對不同氣流組織形式下人體熱舒適問題進(jìn)行了模擬研究。

1 物理模型

本文以北京某高校體育館作為物理原型來進(jìn)行研究。該體育館主場館長、寬、高尺寸為105 m×76 m×18.4 m，比賽區(qū)為60 m×40 m，觀眾坐席約8 000個。

考慮到該場館的對稱性以及模型的簡化處理，本次模擬取該場館的一半，其尺寸為105 m×38 m×18.4 m，同時(shí)設(shè)置回風(fēng)口在環(huán)境溫度條件下回風(fēng)[3]。

觀眾席階梯模型數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)院圖紙做參考（圖1），并按CFD軟件進(jìn)行簡化。

圖1 比賽大廳CAD基礎(chǔ)模型圖

經(jīng)過簡化的基礎(chǔ)模型圖如圖2所示。

圖2 合理簡化后的基礎(chǔ)模型圖

在本文的研究中，考慮了如下三種典型的體育場館氣流組織形式（表1）。

表1 典型的氣流組織形式

2 湍流模型和邊界條件

計(jì)算中，湍流模型采用k-ε模型[4]，計(jì)算用網(wǎng)格體系為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過網(wǎng)格無關(guān)解檢驗(yàn)，最終選擇計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目為250萬。計(jì)算中，送風(fēng)口設(shè)置為速度入口，風(fēng)口處速度依據(jù)送風(fēng)量及風(fēng)口面積確定，回風(fēng)口設(shè)為壓力出口，其壓力、溫度為環(huán)境溫度及環(huán)境壓力。采用Simple算法求解離散方程。

3 模擬結(jié)果及分析

針對三種方案，對速度場、溫度場和熱舒適性進(jìn)行對比分析。

3.1 速度場對比分析

取Y=5 m的截面，分別分析三種方案的速度場云圖和矢量圖。

通過圖3、圖4可以看出，采用方案一、二的情況下，體育館內(nèi)存在少部分區(qū)域位于送風(fēng)口下方，導(dǎo)致送風(fēng)速度稍高，會使人產(chǎn)生不適的吹風(fēng)感。

通過圖5可以看出，采用方案三的情況下，送風(fēng)氣流在觀眾區(qū)域和比賽區(qū)域速度場均勻，氣流組織分布合理。

3.2 溫度場對比分析

圖6為采用不同送風(fēng)溫度時(shí)，人員活動區(qū)域（觀眾席區(qū)域高1.1 m及比賽場地高1.5 m以下的區(qū)域）的平均溫度。

從圖6可以看出，采用方案一時(shí)，送風(fēng)要承擔(dān)整個館內(nèi)的負(fù)荷，需要較低的送風(fēng)溫度才能滿足人體對熱舒適性的要求，理想送風(fēng)溫度為20℃，此時(shí)觀眾席區(qū)及比賽場區(qū)的溫度基本維持在25℃左右。

采用方案二時(shí)，側(cè)送風(fēng)大部分承擔(dān)觀眾席區(qū)域的負(fù)荷，與方案一相比，頂送風(fēng)承擔(dān)的負(fù)荷減少，送風(fēng)到達(dá)人員活動區(qū)的損耗減少，此時(shí)人員活動區(qū)的溫度比送風(fēng)溫度約高出3℃，比較理想的送風(fēng)溫度為21℃，此時(shí)觀眾席區(qū)及比賽場區(qū)的溫度基本維持在24.5℃左右。

圖3 方案一速度矢量及云圖分布（Y=5 m）

圖4 方案二速度矢量及云圖分布（Y=5 m）

圖5 方案三速度矢量及云圖分布（Y=5 m）

采用方案三時(shí)，座椅送風(fēng)只承擔(dān)觀眾的負(fù)荷，理想的送風(fēng)溫度為22℃，此時(shí)觀眾席區(qū)及比賽場區(qū)的溫度基本維持在25℃左右。

所以，對于體育館類高大空間建筑來說，由于人員活動區(qū)域只是整個建筑空間的其中一部分，若采用單一頂送的空調(diào)方式把整個場館作為空調(diào)對象，就會不可避免地出現(xiàn)冷量浪費(fèi)。所以，應(yīng)盡量采用不同送風(fēng)方式相結(jié)合的方式送風(fēng)，這樣可以提高送風(fēng)溫度，從而節(jié)約能耗。

3.3 熱舒適性對比分析

圖7為不同送風(fēng)溫度時(shí)，三種送風(fēng)方式PMV和PPD之間的對比。

圖7 不同送風(fēng)溫度人員活動區(qū)PMV和PPD

圖6 不同送風(fēng)溫度人員活動區(qū)溫度

由圖7可知，對于方案一，采用18℃的送風(fēng)溫度時(shí)，人員活動區(qū)的PMV約為-1.05，PPD約為28%，觀眾會產(chǎn)生一定的冷感，熱舒適性較差，而且為降低送風(fēng)溫度浪費(fèi)了更多的能量；送風(fēng)溫度為20℃時(shí)，人員活動區(qū)的PMV約為0.35，PPD約為7.5%，此時(shí)人體熱舒適性適宜，較好地滿足了ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)。此后隨送風(fēng)溫度的升高，人體熱感覺明顯增強(qiáng)，熱舒適性下降。

對于方案二，采用20℃送風(fēng)溫度時(shí)，人員活動區(qū)的PMV約為-0.2，PPD約5.8%，此時(shí)人體熱舒適性適宜，較好地滿足了ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用22℃送風(fēng)溫度時(shí)，人員活動區(qū)的PMV約為0.75，PPD約17%，PMV及PPD變化顯著，人體熱舒適性下降。

對于方案三，采用22℃送風(fēng)溫度時(shí)，人員活動區(qū)的PMV約為0.1，PPD約5.2%，較好地符合了ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與展望

本文用CFD模擬了在不同氣流組織形式下不同送風(fēng)溫度的溫度場、PMV、PPD等，并對其進(jìn)行了熱舒適性參數(shù)比較，得出了以下結(jié)論：

（1）上送下回送風(fēng)系統(tǒng)、上送+側(cè)送下回送風(fēng)系統(tǒng)都存在局部區(qū)域風(fēng)速較高的情況，會使人產(chǎn)生吹風(fēng)感；采用座椅送風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，一定不能采用較低的送風(fēng)溫度，以防人員產(chǎn)生冷感。

（2）對于體育館類高大空間建筑來說，人員活動區(qū)域只是整個建筑空間的其中一部分，所以，應(yīng)盡量采用對觀眾區(qū)和比賽區(qū)分別送風(fēng)的分區(qū)送風(fēng)方式，這樣既滿足了比賽的要求，又滿足了人員的舒適性要求。

（3）座椅送風(fēng)能為人員活動區(qū)域提供較為理想的溫度場、PMV-PPD場等，同時(shí)在設(shè)計(jì)溫度要求相同的情況下，采用座椅送風(fēng)的方式，其送風(fēng)溫度比其他送風(fēng)方式可以高出2℃，這樣座椅送風(fēng)方式的空調(diào)系統(tǒng)能耗就相對較低，所以在設(shè)計(jì)方案都滿足要求時(shí)，采用座椅送風(fēng)比較好。

該體育館在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了以上三種氣流組織形式的對比和論證，最終采用了方案三，即座椅送風(fēng)高位回風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)氣流組織形式，建成后獲得了較好的使用效果。

[1]徐小林，李百戰(zhàn).室內(nèi)熱環(huán)境對人體熱舒適的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，28（4）：102-105.

[2]王高升，林豹.某體育館比賽大廳氣流組織數(shù)值模擬研究[J].制冷，2010，29（3）：62-67.

[3]張歡，楊尚一，由世俊，等.體育館空調(diào)氣流組織的CFD模擬研究[J].暖通空調(diào)，2008，38（3）：87-90.

[4]NIELSEN P V.Selection of turbulence models for prediction of room airflow[J].Ashrae Transactions,1998,104(Part 1B):1119-1127.