某体育场馆气流组织分析

谈孜超，方 舟，姜颖霞（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

随着建筑技术的发展，室内运动的护航建筑“体育馆”逐渐成为当下公共建筑的一种重要类型。体育馆类建筑作为大空间类建筑，不仅需要满足形体的美观，还要满足人们对室内热舒适性要求的提高。因此，预测和研究大空间室内气流组织的分布，有助于设计人员更好地优化设计方案。

气流组织设计通过合理组织室内空气流动，使得空气温湿度及风速等设计参数符合设计要求。气流组织的设计效果不仅影响室内环境舒适度，更加影响着暖通空调的运行效果。通常，房间气流组织的影响因素主要包括风口型式、数量、位置、室内热扰、房间几何尺寸等。当前应用于暖通空调专业及室内空气品质方面的预测方法为计算流体动力学（CFD）。CFD 软件可以通过数值模拟，预测室内速度场和温度场，利于不同方案比选，对后期运行效果、实现最优化设计有着重要意义。

为使室内热环境更为舒适，国内外学者进行了大量室内气流组织实测和模拟相关研究。本文利用 CFD 模拟软件，对某体育馆的气流组织进行分析，为优化体育馆的空调系统设计与运行提供建议。

1 分析优化目标

气流组织模拟分析目的是根据室内温湿度参数、允许风速、噪声标准、温度梯度及空气分布特性指标（ADPI）等要求，优化室内气流组织设计。

优化对象包括以下内容：

（1）自然通风、机械通风或混合通风的形式选择；

（2）送排风位置、风口选型、送风参数等确定；

（3）复杂空间气流组织的设计验证。

体育场馆类的一般空调属于舒适性空调。通过合理设计，使得室内气流组织不仅使馆内空气分布符合要求，也可保证馆内空调方案的节能。

2 项目概况

项目位于四川省，为乙级大型体育馆，总建筑面积约2.5 万 m2，高度 27 m，体育馆共有 3 150 座固定坐席，1 230 座活动座席。该场馆主要为省、市级比赛服务，平时为市民体育休闲、文艺演出、大型集会等活动使用场地。

本项目在比赛场馆设置一次回风双风机全空气系统+排风系统。夏季开启电动水阀，新风阀开启（根据最小新风比设定），排风机开启。在过渡季关闭电动水阀，新风阀开至最大，排风机开启，以实现全新风运行。送风方式采用座椅送风（下送风）及场边侧送风，后侧回风，顶部排风加排烟。

本次分析模型仅建立需要分析的比赛场馆模型，不考虑在本次分析范围外的其他区域。

3 模拟基本方法

3.1 常用模拟工具

室内气流组织模拟法一般采用 CFD 工具，如CFdesign、Fluent、CFX、PHOENICS 等。

CFdesign 由 AutoCAD 公司开发，主要基于有限元的方法生成划分网格，确保一些复杂模型能够自动和迅速的生成网格。属于前端 CFD 软件，可供无 CFD 背景的设计工程师使用。

Fluent 及 CFX 均属于 ANSYS 公司。Fluent 基于有限体积法，高效解决各个领域复杂流体计算问题。需要与 ICEM CFD、GAMBT 网格划分等前处理软件配合使用。CFX 基于有限元的有限体积离散方法，精度比较高，物理模型丰富，功能强大。

PHOENICS 采用有限体积法对控制方程进行离散处理。基于该软件，用户可最大限度使用其内部程序，并且能够根据实际需要，添加和修改相应的程序及模型。

3.2 边界条件设置

3.2.1 设计参数

冬夏季空调室外、室内设计参数设置主要如表 1 所示。

表 1 冬夏季室内外设计参数表

3.2.2 室内热源设置

体育场馆类建筑对空调负荷产生影响的室内热源主要来自两方面：一是人体，二是照明。在座椅送风模型计算时，设置人体表面热源为每人 130 W，人体暴露于空气中的表面积为每人 1.55 m2，从而计算可取单个人体表面热流密度为83.7 W/m2。仿真计算时，将该散热量均匀分布在人体所在的空间区域上(人体尺寸按照 GB 10000—1988 《中国成年人人体尺寸》设置)，使其在控制方程中作为一个能量源项进行数值计算。

进行照明热源仿真计算时，按 GB 50189—2015 《公共建筑节能设计标准》的规定，取照明功率密度为 10 W/m2。

4 结果及分析

输出的模拟计算结果为温度分布和速度分布。为了分析模拟结果，选取两个典型的断面：人员活动区的截断面，经过进风口和回风口中心的纵向截断面。

4.1 冬季工况分析

图 1 和图 2 分别是场馆纵向截断面的温度场和速度场分布图。图 3 是人员活动区速度场分布图。

图 1 场馆内纵向截面温度场分布图

图 2 人员活动区温度场分布图

图 3 场馆内纵向截面速度场分布图

（1）气流速度。比赛场区 9 m 高度范围内绝大部分区域风速在 0.15～0.50 m/s 之间，可满足篮球及排球比赛要求。但进行乒乓球或羽毛球比赛时，比赛场地的风速不得超过 0.2 /s，故该场地的气流速度不满足羽毛球比赛的要求。观众区风速大部分在 0.35～0.50 m/s 之间，局部达到0.80 m/s，基本满足规范要求。

（2）温度分布。由于冬季送热风，空气密度随着温度升高而变小，热空气上升，导致观众区沿高度方向温度分层明显。比赛区气流温度分布均匀，为 22 ℃ 左右。

4.2 夏季工况分析

图 4 和图 5 分别是场馆纵向截断面的温度场和速度场分布图。图 6 是人员活动区速度场分布图。

图 4 场馆内纵向截面温度场分布图

图 5 人员活动区温度场分布图

图 6 场馆内纵向截面速度场分布图

（1）气流速度。比赛场区 9 m 高度以下多数区域风速在 0.15～0.5 m/s 之间，满足进行篮球、排球大球比赛的要求。但在羽毛球、乒乓球比赛时，比赛场地的风速不得超过0.2 m/s，故该场地的气流速度不满足羽毛球比赛的要求。观众区气流速度为 0.4 m/s，吹风感在较舒适的水平，基本满足规范。

（2）温度分布。在场馆比赛区，下层冷射流不断向外进行扩散，同时卷吸周边相对较高温度的热空气，使得射流具备的动量持续减小，因浮力作用，射流开始向上流动。在热气流上升过程中，继续卷吸因屋顶天窗和灯光得热产生的热空气，使得气流温度持续增加，最高可达 35 ℃，而后通过屋顶排风口排出。但是由于场馆层高较高，夏季屋顶温度高于设计值，并不能保证体育馆的整体舒适性，而夏季降低送风温度则会大大提高空调能耗，且不利于体育赛事的正常进行。观众区温度在 26～27 ℃ 之间，满足舒适性要求。

5 结 语

本文基于 CFD 方法，针对某体育场馆采用的“座椅送风+顶部回风”方式，数值模拟了场馆内的气流组织形式，获得了场馆内送风末端的速度场和温度场的分布，主要结论如下：

（1）在冬季和夏季工况的送风模式下，体育场馆内气流分布整体均匀，满足人体舒适度要求。由于采用了座椅送风（下送风）及场边侧送风，后侧回风，顶部排风方式，当观众人数很多，总的人体散热量较大时，直接从座椅下方送出冷空气，从而使观众周边的空气能够以最快速度进行冷却，提供观众最清新空气，有效避免了上送风方式可能会导致的热污气流吹向观众的现象。

（2）比赛区域风速的控制。进行乒乓球、羽毛球等小球比赛时，赛区气流速度控制要求将非常严格，导致赛区风速难以控制。本文采用座椅送风旋流风口，送风温度为20 ℃，送风速度 0.5 m/s 时，比赛活动区气流速度在 0.15～0.5 m/s 之间，不满足风速要求，需要降低风速。

（3）冬季送热风，空气密度随着温度升高而变小，热空气上升，导致底部活动区域温度偏冷，形成明显的分层现象。

（4）由于场馆层高较高，夏季工况下，屋顶温度高于设计值，不能保证体育馆的整体舒适性，建议增加排风口的设置或者合理的降低层高。