体育馆类高大空间的气流组织设计难点及对策

体育馆类高大空间的气流组织设计难点及对策赵　彬　李先庭　马晓钧　彦启森(清华大学建筑学院建筑技术科学系)摘　要　文中讨论了体育馆类高大空间气流组织的主要形式及设计难点,并从工程应用的角度给出了相应对策:指出用计算流体动力学(CFD)的方法进行体育馆类高大空间的气流组织设计具有很大优势,并提出了利用CFD进行高大空间气流组织设计的思路。

关键词　体育馆　高大空间　气流组织　计算流体动力学(CFD)THE DIFFICU LT Y AN D SOL UTION OF IN DOOR AIRFLOW PATTERNDESIGNING FOR G YMNASIUMZHAO Bin　L I Xianting　MA Xiaojun　YAN Qisen(Dept.of Building Science,Tsinghua University,Beijing,CHINA,100084)ABSTRACT　The paper presents the main types of airflow pattem gymnasium and discusses the difficulty of designing airflow pattem inside large of this type.Then anew idea of airflow pattem designing based on CFD is proposed,while an example is showed with it.KE Y WOR DS　airflow pattern,CFD,gymnasium1　引言 随着我国经济建设的迅速发展,国力不断增强,我国的体育事业也随之蓬勃发展。

尤其是近年来,我国体育健儿在国内外赛场屡创佳绩,同时广大群众也积极参与全民健身活动,不断追求健康向上的高素质生活。

在这种背景下,我国对各类体育设施,特别是体育馆建设的投入不断加大。

体育场馆的高速建设,为我国建筑业,包括空调行业提出了更高的要求。

尤其是2001年7月13日北京申办2008年奥运会获得圆满成功,北京更提出了“新北京,新奥运”的口号。

另一方面,随着可持续发展战略在中国的实施,建筑能耗问题已成为人们关注的热点。

体育馆建筑属于大空间建筑,体积大、维护结构传热量大、人员灯光密集,空调负荷较大,因此,设计合理的气流组织,以使得馆内空气分布满足比赛和观众的要求,同时又保证空调系统能耗较低就具有重要的意义。

这也与我国承诺的“绿色奥运”的思想紧密相连。

为此,如何快速、准确地合理设计体育馆类高大空间的气流组织形式就成为一个重要的问题。

下面将介绍不同体育馆类建筑的主要气流组织方式及气流组织设计的难点,并提出可能的解决方案。

2　体育馆类建筑的气流组织形式简介通风空调室内的气流组织,是指其中的气流流形以及空气的各物理量的分布,如温度、速度、湿度以及污染物浓度等。

对于体育馆类建筑,其空调气流组织主要有如下形式:2.1　侧送风方式侧送风方式是体育馆比赛大厅采用得最广泛的一种气流组织形式,其中采用喷口侧送方式最为常见。

体育馆比赛大厅无论规模大小,通常都具有空间大、比赛场地位置低、观众席逐渐升高的“碗型”特征,并且风口离空调区域(特别是比赛区)较远。

因此采用侧送方式能够充分利用这一特点,喷口送风射流长、流量大。

这种气流组织方式可使空调区域温度均匀靠近喷口的后排观众基本处于回第2卷　第2期　2002年4月 　制冷与空调 REFRIGERA TION AND AIR-CONDITION IN G　Vol.2,No.2 April2002流区,避免了“脑后风”[1]。

但它也存在一些不足:对比赛场地的风速难以控制,如乒乓球、羽毛球等比赛对场地风速要求很严格;另外,由于送风温差大、射流长,有可能造成冷风下降或热风上浮的现象。

采用侧送风方式的体育馆有莫斯科奥林匹克体育馆、东京代代木体育馆等。

2.2　上送风方式上送风方式通常与下回风结合,空气自上而下送至观众席和比赛场地,故可把处理好的空气均匀送到各个部位,以满足不同区域的空调要求。

比如比赛要求风速不能过大时,采用顶棚孔板上送形式,完全能达到使用要求[1]。

上送风方式的最大不足就在于其空调区域包括了馆内的上部空间,冷(热)负荷很大,比其它方式更耗费能源。

美国波特兰的玫瑰园(Rose G arden)体育馆、我国北京的首都体育馆以及香港伊里莎白(Queen Elizabeth)体育馆采用的就是上送风方式。

2.3　下送风方式下送风方式是随着70年代的世界能源危机的出现而出现的。

它作为一种节能型气流组织形式,在观众较多的大厅空调中得到迅速的发展。

这种送风方式避免了将灯光和屋顶负荷的对流部分带入空调区域,可使送风量大大减小,从而节省了设备运行和投资费用。

但下送风无法对比赛场地进行控制,且风口形式复杂、数量多,难以运行管理。

实际工程有大阪中央体育馆。

2.4　多种气流组织形式的结合使用为了达到最佳的气流组织效果,同时取得更加经济、节能的运行方式,从八十年代至今,工程设计人员把多种气流组织形式结合使用,以达到能耗低与效果好的统一。

如北京奥林匹克体育中心体育馆采用上送风形式对观众席送风;而在比赛区则采用喷口与旋流风口交替侧送的方式[2]。

3　体育馆类建筑的气流组织计难点所谓的气流组织设计,就是合理组织通风空调室内的空气流动,使得室内具有舒适和满意的空气分布,如速度、温度、适度等满足需要,同时保证较低的空调能耗和良好的室内空气品质IAQ(indoor air quality)。

这就要求设计者预知确定的空调系统下的室内空气分布情况,以分析其是否满足要求。

为此,预测室内空气分布情况就成为空调系统气流组织的关键。

但是,对于体育馆类高大空间而言,其不同区域有不同的气流组织要求,如比赛场地通常对速度要求比较严格,尤其是进行乒乓球、羽毛球等小球比赛的情况;而观众席通常要求速度、温度的分布满足人体热舒适要求。

而且,体育馆通常为高大空间,其内部的空气流动远比一般建筑复杂。

如果采用传统的射流分析方法,由于射流公式本身的局限性,将无法适用于各种复杂情况,如室内人员、灯光负荷的不同分布、送、回风口不同布置等。

由前所述,体育场所将多种气流组织形式组合使用,无法用单一的上送风或侧送风的射流公式来分析其射流情况,而且,这些公式是在特定的实验条件下得出的,对于实际情况复杂的室内空气分布来说,势必导致较大的误差[3]。

另外,射流公式仅能给出室内分布的集总参数信息,而无法给出设计人员所需的详细资料[3]。

模型实验虽然能够得到设计人员所需要的各种数据,但需要较长的实验周期和昂贵的实验费用,难于在工程设计中广泛采用[4]。

而另外一种预测室内空气分布的方法-区域化模型(zonalmodel)方法还难以应用于机械通风的房间[4]。

为此,对体育馆气流组织设计而言,其难点就在于如何快速、准确地预测室内的空气分布情况,从而制定合理的气流组织形式。

4　体育馆类建筑气流组织设计新思路4.1　CFD简介文献[4]详细讨论比较了目前主要的四种预测室内空气分布的方法,即射流公式、区域化模型、计算流体力学(CFD:computational fluid dynamics)方法和模拟实验,从四种方法的预测成本、周期、可模拟的条件以及准确性、实施的方便性等综合比较可以得出结论,目前比较理想的室内空气分布预测方法是CFD方法[4]。

由于CFD方法具有成本低、速度快、资料完备等特点,故其逐渐受到人们的青睐。

为此,可以利用CFD可能在较短的时间内获得体育馆内空气分布详细信息的特点,设计出合理满意、低能耗的气流组织形式。

CFD方法可以理解为虚拟地在计算机做实验。

它通过数值求解控制室内空气流动的质量守恒、动量守恒以及能量守恒方程,从而得出室内的速度、温度等物理量的分布。

这些守恒方程可以用统一的对流-扩散方程的形式表示如下:99t(ρφ)+div(ρ uφ+ Jφ)=Sφ(1)・11・　第2期 赵　彬等:体育馆类高大空间的气流组织设计难点及对策 其中,φ代表通用变量u ,v ,w ,h 等,ρ, u , J φ,S φ分别表示密度、速度矢量、扩散通量和源项。

扩散通量由下式确定:J φ=-Γφgradφ(2)其中Γφ表示通用变量φ的有效交换系数。

通过在特定坐标系统下采用一定的数值离散方法将上式离散为如下的代数方程:αP <P =∑αnb <nb+b (3)其中,α为离散方程的系数,<为各网格节点的变量值,b 为离散方程的源项。

下标“P ”表示考察的控制体节点,下标“nb ”表示P 相邻的节点。

依据某种算法,如最常用的SIMPL E 算法,求解离散所得代数方程组,即可获得室内流场信息。

详细情况可参阅有关文献。

4.2　CFD 方法预测体育馆内空气分布的难点及对策利用CFD 方法对体育馆内的流场分布进行模拟预测,也存在一定的问题和难点。

总的而言,工程应用要求CFD 能够快速、准确地预测速度、温度等物理量的分布。

而对于体育场馆而言,如何合理描述复杂送风口的入流边界条件、如何模拟自然对流和强迫对流并存的混合对流流动以及如何合理描述馆内众多的人员、灯光的等热源,成为影响CFD 模拟结果的主要因素。

为此,可有如下对策:4.2.1　风口模型为节省计算网格,大大缩减计算时间,可建立所谓的风口模型来简化描述复杂送风口的入流边界条件。

自20世纪70年代起,就有众多学者提出了不同的风口模型来简化模拟风口入流边界条件[5]。

近来,针对已有风口模型的不足,笔者提出了N 点风口模型模拟常见的空调风口入流边界条件,取得了满意的结果[6][7]。

4.2.2　湍流模型体育馆内空间较大,内部流动通常为自然对流和强迫对流并存的混合对流流动,且基本为湍流流动。

工程中最常用的标准κ-ε湍流模型对此不一定能取得满意的模拟结果[8],而高级的湍流模拟技术如直接数值模拟(DNS :directly numerical simulationj )、大涡模拟(L ES :large eddy simulation )或复杂的湍流模型如微分应力模型(DSM :differ 2ential strees model )、代数应力模型(ASM :algebraicstress model )等,不能模拟实际的工程问题或计算周期太长,故并不适用。

为此,近年来一些学者开始研究简单的零方程湍流模型对室内空气分布模拟预测的适用性[9]。

笔者的研究标明,Chen Q.等提出的零方程模型对等温、非等温的室内空气流动都能取得满意的模拟结果,可用于工程实际[10][11]。

4.2.3　热源模型体育馆内有众多的人员、灯光等热源,如何合理描述这些热源边界条件,对CFD 的计算结果也有着重要的影响。