国家体育场项目自然通风效果模拟分析

国家体育场项目自然通风效果模拟分析

——清华大学陈玖玖李先庭中国建筑设计研究院丁高李莹

工程概况

国家体育场坐落在北京奥林匹克公园中心区南部，俗称“鸟巢”，是北京2008年奥运会的主会场，承担开幕式、闭幕式和田径、足球决赛等活动和赛事。国家体育场占地20.4万平方米，建筑面积25.8万平方米，长333m，宽298m，高69m。其中地下3层，地上7层。

国家体育场观众席的通风设计采用自然通风方式，体现了“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的宗旨。除3、4层以外的区域，包括观众席等处都充分利用场地的出入通道作为自然通风的进风口。由于国家体育场采用的是自然通风，因而在保证热安全的情况下，体育场的正常使用和观众区的热舒适是最需关注的问题。

本文的目标是，针对国家体育场建筑结构的特点，运用计算流体力学(CFD)模拟的手段，对其在典型夏季条件下的比赛区和观众区的自然通风效果(气流速度和温度)进行模拟分析，得到各处的温度、速度等相关的数值模拟结果;并对以上计算结果采用热安全性和热舒适性两种指标对国家体育场自然通风的效果进

行分析和评价。

在本次分析中，采用的商用CFD计算程序是PHOENICS。

物理模型及计算

首先对国家体育场进行了物理建模。设定计算区域为440m×360m×90m的方型区域，将体育场置于计算区域中心。为了模拟自然通风下体育场内部的气流组织，将计算区域的各个面均设为相对压力为0Pa的边界，通过体育场内的人员和灯光发热与外部产生热压，从而形成空气流动。因为模拟的是2008年奥运会开幕式当晚的自然通风效果，因而，我们把计算区域的各个面和场外空间的空气温度设为25℃。本文只考虑纯热压下自然通风的不利工况。

由于国家体育场的外形及其内部结构情况非常复杂，所以必须其进行简化。体育场外部结构在对自然通风口无阻挡的情况下，可以不予考虑。看台部分按照实际情况简化成为上、中、下三层，在忽略其形状上的细节后，以简单的圆和直线组合成计算用的模型，其XYZ方向的尺寸为342.7m×266m×46.5m。第一层和第二层看台之间的空间是流动的最主要入口。外围三、四层为设有恒温空调的封闭区域，在模型简化的过程中以一个24℃恒温的圆环代替;对于第三层看台的马鞍形形状用平面代替，忽略了看台表面的座椅以及阶梯，统一处理成平面。看台上的各个出入口均按照实际的尺寸给出，忽略出口处的形状细节。体育场顶部的形状采用简单的圆和直线组合而成，忽略其马鞍形的形状，根据其顶部的通透面积占整个面积的比例，建模时将顶部部分面积挖空，成为空气流动的通道。图1为简化后国家体育场的物理模型。

同时，我们将整个看台上部垂直高度2m内的空间作为热源区域，包括观众发热720万W和灯光照明辐射热50万W，热量均匀分布;比赛区域内设定50万W的热源作为开幕式时人员发热量，热源在XY方向的尺寸为130m×95m。

图1 国家体育场物理模型

计算结果及讨论

图2是体育场沿Z轴方向的中心面温度场剖面图(Y=180m)。其中，暖色调为温度较高的区域，冷色调为温度较低的区域。可以看到，由于体育场的形状基本对称，所以温度场也呈对称。我们关注的比赛区和观众区由于人体散热，温度较高，其周围临近区域内的温度均维持在31℃左右。图3是体育场比赛区的温度横剖面图(Z=1.5m)，这是比赛区人员活动平均高度。由图可见，比赛区温度比周围区域温度高，是因为开幕式的时候比赛区有大约5000位演员及运动员，其发热量较大，但总体而言，比赛区温度仍低于33℃，可以为人员接受。图4、5分别是下观众区(Z=3m)、上观众区(Z=28m)典型断面的温度场情况。由图可见，观众区温度较体育场中间部分温度要高，这是由于观众是很大的热源，观众区周围的空气被加热，所以温升明显。但总体来看，观众区温度仍低于32℃，可以为人员接受。

为了对国家体育场自然通风效果进行评价，本文选用了湿黑球温度WBGT(Wet-Bulb-Globe Temperature)作为热安全性评价指标;在保证人体不会因为过热条件而导致受到热损伤的基础上，选用标准有效温度

SET(Standard Effective Temperature)作为考察自然通风形式下人体热舒适的指标。

图12是体育场中心面WBGT剖面图(Y=180m)。其中，暖色调为温度较高的区域，冷色调为温度较低的区域，阴影部分为体育场的模型。从图可以看出中层观众区的WBGT指标比较高，因而截取中观众区横截面(Z=14m)WBGT的分布，如图13所示。考虑到奥运会开幕式时人们的着装(0.5clo)，在休闲状态下(代谢率M<117 W/m2)，相应的人体安全WBGT限值为32～33℃。由图可见，无论比赛区的演员还是看台的观众区，WBGT最高为29℃，体育场各处WBGT均低于32℃，这表明，从热安全角度出发，体育场在开幕式时候，其自然通风可以保证人体不会因为过热条件而导致受到热损伤，即是安全的。

在保证热安全的情况下考查体育场的热舒适状况。图14是体育场中心面SET剖面图(Y=180m)。由图可见，本文关心的比赛区和观众区SET的最小值约为26.1℃，按照ASHRAE里对SET的规定，把计算结果按5℃一档进行划分，其中SET=25～30℃，热感觉为中性，舒服，生理正常，健康状态正常;SET=30～35℃，感觉暖和，不舒服，脉搏不稳定。由图可见，比赛区和观众区的SET在30～35℃档，从热舒适角度感觉偏热。图15是中观众区(Z=14m)典型断面的SET分布情况。由图可见，SET的分布和温度场很类似，且总体而言，我们关心的比赛区和观众区SET在30℃左右，偏热。但是由于本文模拟分析中将比赛区和观众区的人体当作热源块，没有考虑单个人体周围的热羽流，实际上，人体周围有空气流动，且此时人员感受到的是室外自然风，这会改善人员的热感觉，故实际情况下人员的热感觉总体较舒适，可以接受。

结论

由前述的模拟和分析可见，在典型夏季条件下，国家体育场采用自然通风能基本满足要求：

1. 观众区和比赛区温度较高，其周围临近区域内的温度均维持在31℃左右。比赛区温度低于33℃，观众区温度仍低于32℃，均可以为人员接受;

2. 比赛区的风速普遍较小，在0.5m/s左右，完全满足开幕式时的演出要求，可以接受。观众区风速逐层增加;各出入口通道风速较大，是外界空气进入体育场形成空气流动的主要入口通道;顶部中心出口处风速较大，是体育场自然通风的主要出口;

3. 采用自然通风能保证人均新风量;

4. 从热安全角度出发，体育场在开幕式时候，其自然通风可以保证人体不会因为过热条件而导致受到热损伤，即是安全的;

5. 从热舒适角度出发，比赛区和观众区稍嫌热，但是考虑单个人体周围的空气流动，以及人此时所感受到的是室外的自然风，故人员的热感觉总体较舒适，可以接受。

综上，国家体育场的自然通风效果较好，能满足要求。本文考虑了纯热压情况下的自然通风情况，为不利工况，对于风压下的有利工况，自然通风的效果将更好，能满足要求。

图10 下观众与中观众区通道速度场(Z=9m) 图11 顶部速度场(Z=66m)

图12 中心面WBGT剖面图(Y=180m) 图13 中观众区WBGT(Z=14m)

图14 中心面SET剖面图(Y=180m) 图15 中观众区SET(Z=14m)

图6为中心面速度场的剖面图(Y=180m)。其中，暖色调为速度较高的区域，冷色调为速度较低的区域。可以看到，由于体育场的形状以及结构基本对称，所以速度场也基本对称。图7是比赛区的速度横剖面图(Z=1.5m)，由图可见，比赛区的风速普遍较小，在0.5m/s左右，完全满足开幕式时的演出要求，可以接受;同时，主入场通道风速较大，说明在热压作用下，外部空气通过通道进入体育场内，形成了自然对流。图8是下观众区(Z=3m)典型断面的速度场情况。由图可见，下观众区的风速较小，在0.5m/s左右，可以为人员接受。为了仔细考查入口处的流动情况，我们对图8红色圈出部分做了局部放大，如图9所示。可以清楚的看到，外部空气通过入口处进入体育场，且风速较大，这是因为观众区发热量较大，而进风口只有5个主要通道，所以大量的空气从此涌入，导致入口通道风速较大。图10是下层观众区和中层观众区之间通道(Z=9m)的断面速度场。由图可见此通道风速较大，说明外界空气通过此通道大量涌进体育场。图11是顶部(Z=66m)断面的速度场情况。由图可见，顶部中心出口处风速较大，是体育场自然通风的主要出口，其余被顶蓬覆盖部分风速相对较小，但仍有部分空气通过顶蓬构架之间的空间流向体育场外部。由模拟计算结果得，体育场采用自然通风情况下，风量为1014m3/s，折合人均新风量为每人37m3/h，满足人体最小新风量要求。