趙福云 申廣 劉科君 徐穎 寇廣孝 王漢青

湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

隨著體育事業(yè)的發(fā)展，體育館的高速建造，體育場館的能耗問題也越來越引起了人們的重視。體育館是一種比較特殊的公共建筑類型，從規(guī)劃設(shè)計(jì)到環(huán)境、建筑設(shè)計(jì)均具有多方面特征，自然通風(fēng)的基本原理只有與體育館特點(diǎn)相結(jié)合，才能產(chǎn)生與之相適應(yīng)的、行之有效的生態(tài)設(shè)計(jì)方法。這就要求設(shè)計(jì)者必須堅(jiān)持體育館整體設(shè)計(jì)模式的提出應(yīng)有利于自然通風(fēng)，同時(shí)也應(yīng)依據(jù)模擬信息對傳統(tǒng)、即定設(shè)計(jì)模式進(jìn)行反思和修正.經(jīng)過多次反復(fù)才能將自然通風(fēng)的基本原理與體育館的具體特征緊密結(jié)合，從而達(dá)到事半功倍的效果[1]。

在體育館自然通風(fēng)方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，但從已發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)來看，大部分采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)[2-4]，基本停留在針對具體工程的分析上，缺乏對自然通風(fēng)形式進(jìn)行整體評價(jià)的研究成果。因此，本文總結(jié)綜合性體育館自然通風(fēng)利用，并提出未來的研究方向，為今后的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 綜合性體育館自然通風(fēng)設(shè)計(jì)利用情況

1.1 熱壓作用下的自然通風(fēng)

體育館由于其高大、寬闊的空間格局，可以形成一個利用熱壓作用的自然通風(fēng)，使體育館看臺區(qū)域滿足人體舒適度要求；因體育館其人員主要集中于四周的看臺上，則在場館看臺形成一個大的熱源，使場館看臺區(qū)域的溫度遠(yuǎn)高于上部區(qū)域及室外溫度，根據(jù)自然通風(fēng)的熱壓原理，熱氣流上升，并通過上部百葉擴(kuò)散至室外，由于上部空氣流動帶動看臺下冷空氣補(bǔ)充到場館內(nèi)，使看臺區(qū)域溫度大大降低，且冷空氣由室外進(jìn)入場館，可以充分稀釋場館內(nèi)污濁空氣環(huán)境，改善場館微環(huán)境。

為了保證空氣流動不受外界風(fēng)壓影響，上部排風(fēng)百葉設(shè)成下傾40°（與水平面夾角），起到擋風(fēng)避雨的功效，且不影響內(nèi)部氣流組織；因場館下部有相關(guān)配套功能和座位遮蔽，以及場館進(jìn)深較大，可避免因形成穿堂風(fēng)所致的氣流組織紊亂，故下部進(jìn)風(fēng)百葉呈水平安裝[5]。表1為熱壓通風(fēng)的利用情況。

表1 熱壓通風(fēng)的利用情況

1.2 水體的降溫設(shè)計(jì)下的自然通風(fēng)

水體的利用是改善體育館自然通風(fēng)的另一主要方法?？稍谄渖巷L(fēng)向設(shè)計(jì)人工水體，通過蒸發(fā)作用對主導(dǎo)風(fēng)進(jìn)行降溫。徐州中國礦業(yè)大學(xué)綜合性體育館位于徐州市西南部云龍湖風(fēng)景區(qū)的南湖校區(qū)內(nèi)，在體育場館的北部有云龍湖，夏季主導(dǎo)風(fēng)東北風(fēng)經(jīng)過云龍湖被降溫，在一定程度上可改善體育場館室內(nèi)外的風(fēng)環(huán)境[7]，因此在體育館的上風(fēng)向方向設(shè)計(jì)了一個較大面積的人工水池[8]，當(dāng)夏季主導(dǎo)風(fēng)吹過水面時(shí)可對風(fēng)有一定程度的降溫作用。

1.3 風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)

風(fēng)壓通風(fēng)就是利用建筑的迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓力差實(shí)現(xiàn)空氣的流通。當(dāng)風(fēng)吹向建筑時(shí)，因受到建筑的阻擋，會在建筑的迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓力。同時(shí)，氣流繞過建筑的各個側(cè)面及背面，會在相應(yīng)位置產(chǎn)生負(fù)壓力。表2為風(fēng)壓通風(fēng)的利用情況。

表2 風(fēng)壓通風(fēng)的利用情況

1.4 風(fēng)壓和熱壓相結(jié)合作用下的自然通風(fēng)

在建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)中。風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)往往是互為補(bǔ)充、密不可分的。一般來說，進(jìn)深較大的部位則多利用熱壓來達(dá)到通風(fēng)效果，而在建筑進(jìn)深較小的部位多利用風(fēng)壓來直接通風(fēng)，上海交通大學(xué)體育館在進(jìn)深較小的訓(xùn)練館、附屬用房利用風(fēng)壓直接通風(fēng)，而位于中間部分的比賽廳則更多的依靠“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行自然通風(fēng)。體育館屬于大空間建筑，只使用風(fēng)壓通風(fēng)或熱壓通風(fēng)都不足以保持優(yōu)良的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，而將兩者巧妙的結(jié)合能發(fā)揮出的效果，是適用于該地區(qū)的最佳通風(fēng)方式[9]。

1.5 機(jī)械輔助式自然通風(fēng)

在一些大型建筑中，由于通風(fēng)路徑較長，流動阻力較大單純依靠自然風(fēng)壓與熱壓往往不足以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。而對于空氣污染和噪聲污染比較嚴(yán)重的城市，直接的自然通風(fēng)還會將室外污濁的空氣和噪聲帶入室內(nèi)，不利于人體健康。在這種情況下，常常采用一種機(jī)械輔助式的自然通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有一套完整的空氣循環(huán)通道，輔以符合生態(tài)思想的空氣處理手段（如土壤預(yù)冷、預(yù)熱、深井水換熱等），并借助一定的機(jī)械方式加速室內(nèi)通風(fēng)，如地道風(fēng)降溫系統(tǒng)的自然通風(fēng)。

地道風(fēng)系統(tǒng)一般分為兩個步驟：一是使空氣與地道進(jìn)行換熱以冷卻或加熱空氣；二是利用設(shè)備完成空氣與建筑物的換熱。濟(jì)源一中新校區(qū)體育館[10]周邊有運(yùn)動場和綠地，在用地上具備使用地道風(fēng)系統(tǒng)的條件，進(jìn)行了地道通風(fēng)，初投資比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)集中空調(diào)系統(tǒng)造價(jià)低57萬元，建成后電力消耗和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用大大節(jié)省，對環(huán)境沒有污染?？傮w來說，這項(xiàng)技術(shù)原理簡單、造價(jià)廉價(jià)又能有效節(jié)約能源。

1.6 不同氣候地區(qū)自然通風(fēng)利用

中國不同氣候地區(qū)的自然通風(fēng)利用情況見表3。

表3 各地區(qū)體育館自然通風(fēng)利用

2 綜合性體育館自然通風(fēng)潛力統(tǒng)計(jì)

自然通風(fēng)潛力（Nature Ventilation Potential，NVP）是指僅依靠自然通風(fēng)就可確保有可接受的室內(nèi)空氣品質(zhì)和室內(nèi)熱舒適的潛力[14]。自然通風(fēng)是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果，文獻(xiàn)[15]在計(jì)算自然通風(fēng)潛力時(shí)綜合考慮風(fēng)壓和熱壓的影響，結(jié)合各地區(qū)典型氣象參數(shù)TMY數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各地區(qū)各月份的自然通風(fēng)有效小時(shí)數(shù)如表4和圖1。

表4 各地區(qū)自然通風(fēng)有效小時(shí)數(shù)（h）

圖1 各地區(qū)自然通風(fēng)年有效百分比

從圖1中可以看出，各地區(qū)自然通風(fēng)月有效小時(shí)數(shù)，其總和一般占全年總時(shí)間的20%～40%左右，各地區(qū)的自然通風(fēng)利用潛力排名如下：成都、廣州、西安、南京、北京、烏魯木齊、哈爾濱。室外氣象參數(shù)是影響自然通風(fēng)潛力的主要因素，以上計(jì)算所需要的平均換氣次數(shù)大多在20～30次/h，所以體育館合理的建筑設(shè)計(jì)必須達(dá)到上述換氣次數(shù)。

3 綜合性體育館自然通風(fēng)面臨的主要問題

3.1 比賽區(qū)域氣流速度的控制問題

在比賽區(qū)進(jìn)行小球（如乒乓球、羽毛球）比賽時(shí)，對場地的風(fēng)速要求是非?？量痰?。通常要求進(jìn)行乒乓球比賽時(shí)，比賽區(qū)地面以上3 m以內(nèi)，風(fēng)速不得大于0.2 m/s；進(jìn)行羽毛球比賽時(shí)，比賽區(qū)地面以上10 m以內(nèi)，風(fēng)速不得大于0.2 m/s[16]。但由于受場地限制，送、回風(fēng)口無法布置在比賽區(qū)，因此，場地風(fēng)速很難控制。

3.2 比賽區(qū)與觀眾區(qū)的分區(qū)問題

比賽區(qū)和觀眾區(qū)使用功能的不同決定了兩區(qū)的環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)不同。分區(qū)可以盡量減少兩區(qū)氣流的摻混。這個問題在游泳館里表現(xiàn)的尤為突出，游泳館中普遍存在著池區(qū)與觀眾區(qū)分區(qū)效果不好的問題。觀眾區(qū)溫度偏高，觀眾入席后總處于高溫高濕狀態(tài)，感到非常悶熱，有時(shí)甚至難以忍受。在國內(nèi)尚沒有有效的手段來解決該問題。

關(guān)于分區(qū)的方法，多年來國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究。英國W.P.Jones建議用玻璃或有機(jī)玻璃進(jìn)行隔斷，把游泳區(qū)和觀眾區(qū)機(jī)械地分為兩個空間，以保持兩區(qū)各自的溫度場[17]。中國建筑科學(xué)研究院空調(diào)所在亞運(yùn)會英東游泳館空調(diào)方案的模型實(shí)驗(yàn)中，用塑料薄膜將兩區(qū)隔開進(jìn)行測試，完全達(dá)到了分區(qū)空調(diào)的要求[18-19]。然而，采用隔斷方法容易受現(xiàn)場條件限制，因此實(shí)際工程中應(yīng)用很少。采用空氣幕隔斷法進(jìn)行分區(qū)空調(diào)，是一種比較可行的方法。德國慕尼黑奧林匹克體育中心游泳館采用垂直空氣幕隔斷的方法，使池區(qū)和觀眾區(qū)的溫差可達(dá)2℃。在亞運(yùn)會英東游泳館1:5的模型實(shí)驗(yàn)中，中國建筑科學(xué)研究院空調(diào)所進(jìn)行了垂直空氣幕隔斷的實(shí)驗(yàn)研究。湖南大學(xué)環(huán)境工程系，以高大廠房等工業(yè)建筑為研究對象，進(jìn)行了高大空間橫向與縱向隔斷氣流的數(shù)值模擬方法研究，分析了橫、縱向隔斷氣流的有關(guān)影響因素，獲得了臨界隔斷狀態(tài)的參數(shù)值[20]。

3.3 體育館功能模式與空氣調(diào)節(jié)關(guān)系

從表5[21]中可以看出，某英國體育館正規(guī)比賽只占整個體育場全年活動的40%，另外60%為集會、慶典、展覽等多功能活動；而像加拿大的多倫多天穹頂體育館這類國外經(jīng)營比較成功的體育設(shè)施，每年甚至可以舉辦超過200場次的各類活動，其中非比賽的活動也占據(jù)大部分比例。體育場館的使用模式在不斷變化，設(shè)計(jì)模式也隨之改變。多功能的轉(zhuǎn)變不僅對場地模式提出要求，同時(shí)對室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)模式也提出了要求。室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)由傳統(tǒng)從服務(wù)于比賽模式的空調(diào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)于多種功能模式的自然調(diào)節(jié)為主、空調(diào)調(diào)節(jié)為輔相結(jié)合的綜合調(diào)節(jié)（除去正式比賽之外，其他活動對于室內(nèi)風(fēng)速并沒有嚴(yán)格要求）。因此，室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的自然化、生態(tài)化成為發(fā)展趨勢之一。在亞熱帶氣候條件下，體育館對于自然通風(fēng)的利用效率越高，對于空調(diào)依賴的程度越少，就越有利于節(jié)能和改善空氣質(zhì)量[22]。

表5 英國一座典型體育場館每年可能的活動種類和場次

表6[23]顯示體育館自然通風(fēng)的優(yōu)缺點(diǎn)。中庭是最常見的功能是捕捉建筑自然通風(fēng)和采光；風(fēng)塔設(shè)備用于通風(fēng)和冷卻；捕風(fēng)，近幾十年來其可持續(xù)被動冷卻和通風(fēng)技術(shù)引起了研究人員的注意；風(fēng)井，Herzog以某進(jìn)深較大無法形成穿堂風(fēng)大學(xué)場館為例，通過將通風(fēng)井高度延長一倍來對氣流進(jìn)行疏導(dǎo)，達(dá)到建筑的可持續(xù)性[24]，可以提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適性；煙囪簡單有效，利用熱浮力和風(fēng)力加強(qiáng)自然通風(fēng)；窗戶不但可以照明還可以通風(fēng)，同時(shí)可以利用集成自動控制更好的捕捉自然通風(fēng)；雙層玻璃幕墻，又叫可呼吸的墻，可以預(yù)熱空氣，提高室內(nèi)的熱舒適性，還不占空間。雖然自然通風(fēng)有一些優(yōu)勢比較節(jié)省能源以及節(jié)省成本和空間對于暖通空調(diào)系統(tǒng)等機(jī)械，但也有一些缺點(diǎn)，如較低的控制和可靠性，減少空氣處理的可能性，聲學(xué)問題和安全問題[25]。

表6 體育館自然通風(fēng)的優(yōu)缺點(diǎn)

4 總結(jié)與未來的研究方向

根據(jù)以上分析總結(jié)綜合性體育館自然通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1）自然通風(fēng)的氣候策略主要以夏季通風(fēng)除濕和冬季保溫為主，同時(shí)需要進(jìn)行季節(jié)性調(diào)控；

2）平面設(shè)計(jì)與自然通風(fēng)進(jìn)出風(fēng)口與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向一致可以形成良好的自然風(fēng)進(jìn)出風(fēng)口可以設(shè)置在正負(fù)壓區(qū)對比較強(qiáng)的兩個界面上看臺的分層布置能有效組織自然通風(fēng)；

3）傾斜的屋頂有利于通風(fēng)屋檐向外出挑的深度越大，更易捕捉到自然風(fēng)不對稱看臺形式能更好的組織熱壓通風(fēng)；

4）人字形屋面、育頂屋面對于熱壓通風(fēng)比較有利樓梯間能充分發(fā)揮煙囪效應(yīng)原理，排出多余的熱空氣；

5）不要忽略排煙窗的妙用，不僅是消防排煙，還能改善館內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

根據(jù)以上分析綜合性體育館自然通風(fēng)設(shè)計(jì)未來研究方向：

1）只選取了氣候地區(qū)的少數(shù)城市作為研究對象，還需要對我國各種氣候地區(qū)的重要城市展開調(diào)研與研究工作，以擴(kuò)大研究樣本的范圍和數(shù)量，提出普遍性經(jīng)驗(yàn)，對于不同緯度及氣候區(qū)域體育館自然通風(fēng)設(shè)計(jì)研究有一定的指導(dǎo)意義。

2）在未來的工作中進(jìn)一步擴(kuò)大體育館的研究范圍，對冰球館、游泳館、室內(nèi)田徑館等逐步進(jìn)行研究，完善體育館建筑自然通風(fēng)設(shè)計(jì)的理論體系和設(shè)計(jì)方法。

3）在實(shí)際的自然條件中，風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)的情況是同時(shí)存在的，對于風(fēng)壓與熱壓方式的協(xié)同研究是一個較大難度的研究方向，同時(shí)也具有較為重大的研究意義。