體育館比賽大廳非等溫工況氣流組織實(shí)測研究

1、體育館比賽大廳非等溫工況氣流組織實(shí)測研究             Full-scale measurement and study of non-isothermal air flow pattern in a gymnasium         摘要 詳細(xì)測量了北京某體育館比賽大廳的工作區(qū)及非工作區(qū)在非等溫送風(fēng)情況下的溫度及速度分布，利用實(shí)測結(jié)果分析評價(jià)了該大廳的氣流組織狀況，為同類大

2、空間建筑的氣流組織研究和工程設(shè)計(jì)提供了參考。關(guān)鍵詞 體育館 大空間 氣流組織 測量Abstract Through a thorough measurement of the temperature and air velocity fields in the occupied and non-occupied zones in the gymnasium, evaluates the characteristics of air distribution in the space and offers advises on research and engineering design fo

3、r the similar buildings.Keywords gymnasium, large space, air distribution, measurement        1 研究背景體育館比賽大廳的氣流組織，一直是體育館類大空間建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。而氣流組織的好壞直接影響到運(yùn)動(dòng)員的水平發(fā)揮和比賽成績，因而比賽大廳氣流組織是整個(gè)體育館空調(diào)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前國內(nèi)在進(jìn)行體育館空調(diào)氣流組織的研究中，普遍采用模擬實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，尚缺乏大規(guī)模的現(xiàn)場實(shí)測研究。究其原因，主要為以下三點(diǎn)：第一，由于受現(xiàn)場條件

4、和測試儀器的影響，測量數(shù)據(jù)不易測準(zhǔn)；第二，體育館屬大空間建筑，測試區(qū)域面積及高度均較大，因而測點(diǎn)難以布置；第三，由于進(jìn)行實(shí)測的空調(diào)系統(tǒng)已投入運(yùn)行，因而各種測試工況無法全部滿足；此外，還需要投入相當(dāng)?shù)娜肆εc時(shí)間，以及存在著測試時(shí)的協(xié)調(diào)配合等問題。然而現(xiàn)場實(shí)測研究有其必要性，現(xiàn)場測試是在實(shí)際運(yùn)行情況下進(jìn)行的，其所得出的各種數(shù)據(jù)均是真實(shí)數(shù)值，這是任何模擬研究所無法比擬的。不僅可以發(fā)現(xiàn)并提出空調(diào)系統(tǒng)中的實(shí)際問題，而且也可為模擬實(shí)驗(yàn)積驗(yàn)證數(shù)據(jù)，用以改進(jìn)模擬研究的準(zhǔn)確性。因而，現(xiàn)場實(shí)測是進(jìn)行大空間氣流組織研究的重要組成部分。在這種背景下，筆者對北京一大型體育館比賽大廳非等溫工況下的氣流組織進(jìn)行了較為詳細(xì)的

5、實(shí)際測量，積累了相當(dāng)?shù)膶?shí)測數(shù)據(jù)，為今后體育館的空調(diào)設(shè)計(jì)與研究提供基礎(chǔ)材料。2 工程簡介該館為北京第11亞運(yùn)會正式比賽館，建筑面積25300m2，比賽大廳83 m × 70 m，其中比賽場地70 m × 40 m，大廳中部高度為17.5 m，南北最低處高度為12.5 m。觀眾席總數(shù)為5748個(gè)，其中固定座位4668個(gè)，活動(dòng)座位1080個(gè)。比賽大廳空調(diào)采用全空氣系統(tǒng)低速風(fēng)道集中送風(fēng)，南北看臺采用機(jī)部向下送；場地和東西看臺采用側(cè)面噴口送風(fēng)（一般情況下采用大噴口，乒乓球、羽毛球比賽時(shí)采用較小的旋流風(fēng)口），兩部分分別設(shè)集中空氣處理機(jī)組。比賽大廳空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)為：夏季室內(nèi)溫度27，相對濕

6、度65%；冬季室內(nèi)溫度16，相對濕度40%1。3 測試介紹本次測試于2000年7月進(jìn)行，測試時(shí)間內(nèi)室外平均氣溫為32.7。測量的內(nèi)容為在非等溫送風(fēng)狀態(tài)下，比賽大廳內(nèi)部的氣流組織狀況。本次研究的現(xiàn)場實(shí)測是在該體育館比賽大廳東南的場地（包括比賽區(qū)和觀眾席，41.1m×35m）上進(jìn)行（圖1為比賽大廳概貌），較為詳盡地描述了該館的氣流組織狀況。由于本次測量的目的主要是為了反映描述非等溫工況下的氣流組織特性，因此，我們把重點(diǎn)放在了溫度場的測量上。 圖1 體育館比賽大廳概貌該館采用將比賽場地與觀眾席分區(qū)進(jìn)行空調(diào)的氣流組織形式。測試時(shí)間段內(nèi)，比賽場地東部為噴口側(cè)送，負(fù)責(zé)該區(qū)空調(diào)的空調(diào)機(jī)組送/回風(fēng)溫

7、度經(jīng)測定分別為23.0/26.5；觀眾席為空場情況，南看臺東部為旋流風(fēng)口加散流器上送，負(fù)責(zé)該區(qū)空調(diào)的空調(diào)機(jī)組送/回風(fēng)溫度經(jīng)測定分別為22.1/25.5。在空間布點(diǎn)上，我們利用了館內(nèi)頂棚下的檢修馬道，沿馬道在大廳的東南部區(qū)域共布置了10組測點(diǎn)（圖2中雙線圈編號處），每組測點(diǎn)用45個(gè)溫度計(jì)測量不同標(biāo)高的溫度值，高差為2m（如圖3所示）?？紤]到場地上有運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練活動(dòng)，經(jīng)過與館內(nèi)工作人員協(xié)商，為不影響運(yùn)動(dòng)員的正常訓(xùn)練，因此在場上的最低測點(diǎn)高度定在距地8m處。 圖2測點(diǎn)布置平面 圖3測點(diǎn)布置剖圖溫度測量采用RHLOG智能型溫度自計(jì)儀。這種儀器體積小、質(zhì)量輕、可以預(yù)先設(shè)定記數(shù)的起始時(shí)間，定時(shí)對目標(biāo)環(huán)境

8、溫度進(jìn)行自動(dòng)測量，并把測量保存在內(nèi)部存儲器中，不需人工記錄，非常適合于在大空間的布點(diǎn)測量。將一組自記式溫度計(jì)懸掛在事先準(zhǔn)備好的線上，由測試人員從檢修馬道垂下，溫度計(jì)按照預(yù)先設(shè)定的起止時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)并自動(dòng)記錄。待測試完畢后，測試人員將溫度計(jì)取下，并將數(shù)據(jù)傳入電腦進(jìn)行處理。此外，還對比賽場地和觀眾席的人員活動(dòng)區(qū)域（圖2中所有編號處）進(jìn)行了風(fēng)速和溫度的實(shí)際測量。所采用的儀器為RH-31A型數(shù)字式風(fēng)速/風(fēng)溫測量儀。在測點(diǎn)的選擇上，除了與空間布線的測點(diǎn)相對應(yīng)以外，還在比賽場地和觀眾席的幾個(gè)具有代表性的位置進(jìn)行了測量，比較全面地反映了比賽大廳內(nèi)部的熱狀況。圖4、圖5為放線懸掛自記式溫度計(jì)的照片。其中圖4為比

9、賽場地上空的一組測點(diǎn)，從圖中可以較為明顯地看到為場地送風(fēng)的側(cè)送射流噴口；圖5為觀眾席上空的一組測點(diǎn)，從圖中也可以較為明顯地看到為觀眾席送風(fēng)的上送旋流風(fēng)口。 圖4東看臺上空測點(diǎn)布置 圖5 南看臺上空測點(diǎn)布置4 測試分析41 工作區(qū)411 比賽場地場地距地2m處平均溫度為25.1，最高25.7，最低24.9，如圖6所示。可以看出，場地的分布均勻。測試時(shí)場地上人員較少且熱源分布比較平均，這種情況與實(shí)際比賽時(shí)情況很接近，可以斷定，在實(shí)際比賽時(shí)，是可以滿足運(yùn)動(dòng)員對場地溫度的要求的。 圖6 比賽場地工作區(qū)溫度但測試結(jié)果顯示場地的風(fēng)速不夠平均，比賽場地距2m處平均風(fēng)速為0.65m/s，最主0.8 m/s，最

10、低0.3 m/s，如圖7所示。在進(jìn)行籃球比賽時(shí)，場地風(fēng)速可以達(dá)到0.5 m/s，而實(shí)測的平均風(fēng)速為0.65 m/s，是偏大的。因?yàn)楸荣悎龅夭捎脟娍趥?cè)送形式，所以場地人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速比較不均勻。設(shè)計(jì)者在考慮進(jìn)行乒乓球等小球比賽時(shí)，場地送風(fēng)口由噴口切換為旋流風(fēng)口，這樣可以加快送風(fēng)氣流擴(kuò)散，使場地上風(fēng)速有所減小。 圖7 比賽場地工作區(qū)風(fēng)速412 觀眾席觀眾席座位處平均溫度為25.3 ，最高26.2,最低24.4（見圖8）。由于測試時(shí)觀眾席為空場情況，因而我們主要對其溫度場地均勻性進(jìn)行一些分析。由測試結(jié)果可見，觀眾席溫度的均勻不及比賽場地，這是由于兩方面的原因：第一，觀眾席測點(diǎn)之間存在高度差造成的溫

11、度梯度；第二，觀眾席送風(fēng)較多，存在著風(fēng)量調(diào)節(jié)不平均的問題。 圖8觀眾席溫度觀眾席最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在第15號測點(diǎn)。由圖2可知，該測點(diǎn)們于東看臺上部，由于東側(cè)看臺觀眾人數(shù)較少，因而設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)將該區(qū)與比賽場地合并在一起進(jìn)行空調(diào)。由側(cè)送噴口送風(fēng)，看臺前部側(cè)下回風(fēng)，這種氣流組織形式造成了看臺上部形成渦旋死角，得熱較難排除，溫度升高。這種氣流組織死角通常熱濕環(huán)境較差，是在設(shè)計(jì)中需要避免的。圖9為觀眾席座位處風(fēng)速實(shí)測值，最高1.2 m/s，最低0.5 m/s，。可以看出：觀眾席風(fēng)速普遍高于比賽場地，平均風(fēng)速為0.79 m/s，但對于觀眾席來說，特別是考慮到因觀眾看激烈比賽而情緒高漲時(shí)，這種風(fēng)速是完全可以接

12、受的。 圖9 觀眾席風(fēng)速觀眾席風(fēng)速最大點(diǎn)出現(xiàn)在第2，3號測點(diǎn)，風(fēng)速分別達(dá)到了1.2m/s和1.13 m/s。由圖2可知，這兩點(diǎn)位于南看臺前排，基本上處于比賽場地射流送風(fēng)區(qū)域和觀眾席旋流風(fēng)口上送區(qū)域的交界處，其氣流流形較為復(fù)雜，因而風(fēng)速偏高的可能性較大。在實(shí)際有觀眾觀看比賽的情況下，會產(chǎn)生相當(dāng)大的人員發(fā)熱量，在大空間建筑中，熱空氣上升會造成上下溫度判別增大、上部溫度升高；在體育館建筑中，則會產(chǎn)生后排觀眾席溫度高于前排的情況，使得后排觀眾席熱環(huán)境較差。設(shè)計(jì)者為了抵消這種溫度梯度帶來的負(fù)面結(jié)果，按照相反的梯度進(jìn)行觀眾席設(shè)計(jì)溫度的取值，后排設(shè)計(jì)溫度稍低而前排稍高，以此改善后排觀眾的熱舒適環(huán)境。在本次測

13、試中，還對南側(cè)看臺前后排觀眾席平均溫度的溫度梯度進(jìn)行了比較。由于測試是在空場的情況下進(jìn)行的，看臺上的負(fù)荷同有人員是熱產(chǎn)生的部分。結(jié)果顯示，從第二排觀眾席座位處至最后一排（第18排），其溫度值依次減小，溫度差為1.15，垂直溫度梯度達(dá)到-0.18/m(如圖10所示)。對觀眾席采用不同的設(shè)計(jì)溫度參數(shù)，這是一個(gè)非常有意義的嘗試，值得在體育館空調(diào)設(shè)計(jì)中參考。 圖10 南看臺觀眾席平均溫度42 非工作區(qū)421 比賽場地上空對比賽場地上空平均溫度的溫度梯度的比較見圖11。由圖11可知，其溫度梯度隨高度的增加呈增大的趨勢。距地812m內(nèi)的垂直溫度梯度為0.04/m，而距地1416m內(nèi)的垂直溫度梯度達(dá)到0.6

14、2/m。由測得的場地距地2m處的平均溫度25.1，可以計(jì)算出比賽場地內(nèi)總的垂直溫度梯度為0.20/m，由于測試條件與實(shí)際較為接近，因而這是一個(gè)基本上能夠代表實(shí)際情況的數(shù)值。 圖11 比賽場地上空平均溫度422 觀眾席上空南側(cè)看臺觀眾席上空平均溫度的溫度梯度如圖12，13所示。由于現(xiàn)場條件所限，只對測點(diǎn)1，2，3，4，5進(jìn)行了垂直溫度梯度的測量（見圖12），其中測點(diǎn)1至4位于觀眾席前部，比垂直溫度梯度特點(diǎn)比較接近于比賽場地上空的情況。 圖12 觀眾席上空側(cè)點(diǎn)14平均溫度 圖13 觀眾席上空側(cè)點(diǎn)5平均溫度圖13為測點(diǎn)5的溫度垂直分布情況，可以看出，其垂直溫度上升趨勢并不明顯，且其溫度梯度也較小，為

15、0.13/m。由于觀眾席采用風(fēng)口上送風(fēng)形式，風(fēng)口位于標(biāo)高12m處，明顯看出，11m處測點(diǎn)溫度值最低，為25.2。采用上送風(fēng)形式破壞了這種溫度梯度的形成，在風(fēng)口位置與觀眾席較近的情況下，其空調(diào)效果是比較好的。5 結(jié)論本館采用觀眾席與比賽場地分區(qū)進(jìn)行空調(diào)的形式，比賽場地采用噴口側(cè)送（在進(jìn)行乒乓球等小球比賽時(shí)切換至旋流風(fēng)口側(cè)送），觀眾席為旋流風(fēng)口加散流器上送，回風(fēng)為場地四周及觀眾席集中回風(fēng)。從測試結(jié)果來看，所有區(qū)域的溫度是比較令人滿意的。場地內(nèi)溫度均勻一致，但風(fēng)速偏高。本次測試中有關(guān)比賽場地的情況與實(shí)際比賽情況比較一致，測試數(shù)據(jù)基本上能夠反映在同等工況下的氣流特性。在體育館類大空間建筑中，其垂直溫度梯度隨高度的增加而呈增在的趨勢，在距場地地面16m以下的空間內(nèi)，比賽場地內(nèi)的平均垂直溫度梯度為0.20/m。本館采用分區(qū)空調(diào)的方式，可以靈活地滿足比賽場地和觀眾席的不同需要。在觀眾席采用上送風(fēng)方式，對觀眾席前后排分別使用沒的送風(fēng)參數(shù)，使后排觀眾席的設(shè)計(jì)溫度比前排稍低。這種設(shè)計(jì)方法，可以抵消一部分因熱空氣上升使后排觀眾席溫度升高的不利影響。設(shè)計(jì)溫度的垂直梯度-0.18/m可以作為參考，其效果的大小還有待于在有觀眾的情況下做進(jìn)一步的實(shí)測研究，但其設(shè)計(jì)思想無疑值得今后在同類空調(diào)設(shè)計(jì)中借鑒。在東側(cè)看臺上部觀眾席實(shí)測溫度