體育館比賽大廳非等溫工況氣流組織實測研究

體育館比賽大廳非等溫工況氣流組織實測研究

Full-scalemeasurementandstudyofnon-isothermalairflowpatterninagymnasium

摘要詳細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，利用實測結(jié)果分析評價了該大廳的氣流組織狀況，為同類大空間建筑的氣流組織研究和工程設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞體育館大空間氣流組織測量

AbstractThroughathoroughmeasurementofthetemperatureandairvelocityfieldsintheoccupiedandnon-occupiedzonesinthegymnasium,evaluatesthecharacteristicsofairdistributioninthespaceandoffersadvisesonresearchandengineeringdesignforthesimilarbuildings.

Keywordsgymnasium,largespace,airdistribution,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)計的一個難點。而氣流組織的好壞直接影響到運動員的水平發(fā)揮和比賽成績，因而比賽大廳氣流組織是整個體育館空調(diào)設(shè)計的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)在進行體育館空調(diào)氣流組織的研究中，普遍采用模擬實驗研究和數(shù)值模擬研究，尚缺乏大規(guī)模的現(xiàn)場實測研究。究其原因，主要為以下三點：第一，由于受現(xiàn)場條件和測試儀器的影響，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，因而測點難以布置；第三，由于進行實測的空調(diào)系統(tǒng)已投入運行，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時間，以及存在著測試時的協(xié)調(diào)配合等問題。

然而現(xiàn)場實測研究有其必要性，現(xiàn)場測試是在實際運行情況下進行的，其所得出的各種數(shù)據(jù)均是真實數(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)中的實際問題，而且也可為模擬實驗積驗證數(shù)據(jù)，用以改進模擬研究的準(zhǔn)確性。因而，現(xiàn)場實測是進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行了較為詳細的實際測量，積累了相當(dāng)?shù)膶崪y數(shù)據(jù)，為今后體育館的空調(diào)設(shè)計與研究提供基礎(chǔ)材料。

2工程簡介

該館為北京第11亞運會正式比賽館，建筑面積25300m2，比賽大廳83m×70m，其中比賽場地70m×40m，大廳中部高度為m，南北最低處高度為m。觀眾席總數(shù)為5748個，其中固定座位4668個，活動座位1080個。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)，南北看臺采用機部向下送；場地和東西看臺采用側(cè)面噴口送風(fēng)，兩部分分別設(shè)集中空氣處理機組。比賽大廳空調(diào)設(shè)計參數(shù)為：夏季室內(nèi)溫度27℃，相對濕度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月進行，測試時間內(nèi)室外平均氣溫為℃。

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)場實測是在該體育館比賽大廳東南的場地上進行，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)進行空調(diào)的氣流組織形式。測試時間段內(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)機組送/回風(fēng)溫度經(jīng)測定分別為℃/℃；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)機組送/回風(fēng)溫度經(jīng)測定分別為℃/℃。

在空間布點上，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，每組測點用4～5個溫度計測量不同標(biāo)高的溫度值，高差為2m?？紤]到場地上有運動員進行訓(xùn)練活動，經(jīng)過與館內(nèi)工作人員協(xié)商，為不影響運動員的正常訓(xùn)練，因此在場上的最低測點高度定在距地8m處。

圖2測點布置平面

圖3測點布置剖圖

溫度測量采用RHLOG智能型溫度自計儀。這種儀器體積小、質(zhì)量輕、可以預(yù)先設(shè)定記數(shù)的起始時間，定時對目標(biāo)環(huán)境溫度進行自動測量，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測量。將一組自記式溫度計懸掛在事先準(zhǔn)備好的線上，由測試人員從檢修馬道垂下，溫度計按照預(yù)先設(shè)定的起止時間進行讀數(shù)并自動記錄。待測試完畢后，測試人員將溫度計取下，并將數(shù)據(jù)傳入電腦進行處理。

此外，還對比賽場地和觀眾席的人員活動區(qū)域進行了風(fēng)速和溫度的實際測量。所采用的儀器為RH-31A型數(shù)字式風(fēng)速/風(fēng)溫測量儀。在測點的選擇上，除了與空間布線的測點相對應(yīng)以外，還在比賽場地和觀眾席的幾個具有代表性的位置進行了測量，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的照片。其中圖4為比賽場地上空的一組測點，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，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東看臺上空測點布置圖5南看臺上空測點布置

4測試分析

4．1工作區(qū)

4．1．1比賽場地

場地距地2m處平均溫度為℃，最高℃，最低℃，如圖6所示?？梢钥闯?，場地的分布均勻。測試時場地上人員較少且熱源分布比較平均，這種情況與實際比賽時情況很接近，可以斷定，在實際比賽時，是可以滿足運動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/s，最主m/s，最低m/s，如圖7所示。在進行籃球比賽時，場地風(fēng)速可以達到m/s，而實測的平均風(fēng)速為m/s，是偏大的。因為比賽場地采用噴口側(cè)送形式，所以場地人員活動區(qū)域的風(fēng)速比較不均勻。設(shè)計者在考慮進行乒乓球等小球比賽時，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

4．1．2觀眾席

觀眾席座位處平均溫度為℃，最高℃,最低℃。由于測試時觀眾席為空場情況，因而我們主要對其溫度場地均勻性進行一些分析。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，觀眾席測點之間存在高度差造成的溫度梯度；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

觀眾席最高溫度點出現(xiàn)在第15號測點。由圖2可知，該測點們于東看臺上部，由于東側(cè)看臺觀眾人數(shù)較少，因而設(shè)計者在設(shè)計時將該區(qū)與比賽場地合并在一起進行空調(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)計中需要避免的。

圖9為觀眾席座位處風(fēng)速實測值，最高m/s，最低m/s?？梢钥闯觯河^眾席風(fēng)速普遍高于比賽場地，平均風(fēng)速為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，這種風(fēng)速是完全可以接受的。

圖9觀眾席風(fēng)速

觀眾席風(fēng)速最大點出現(xiàn)在第2，3號測點，風(fēng)速分別達到了/s和m/s。由圖2可知，這兩點位于南看臺前排，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，按照相反的梯度進行觀眾席設(shè)計溫度的取值，后排設(shè)計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行了比較。由于測試是在空場的情況下進行的，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，其溫度值依次減小，溫度差為℃，垂直溫度梯度達到-℃/m(如圖10所示)。對觀眾席采用不同的設(shè)計溫度參數(shù)，這是一個非常有意義的嘗試，值得在體育館空調(diào)設(shè)計中參考。

圖10南看臺觀眾席平均溫度

4．2非工作區(qū)

4．2．1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8～12m內(nèi)的垂直溫度梯度為℃/m，而距地14～16m內(nèi)的垂直溫度梯度達到℃/m。由測得的場地距地2m處的平均溫度℃，可以計算出比賽場地內(nèi)總的垂直溫度梯度為℃/m，由于測試條件與實際較為接近，因而這是一個基本上能夠代表實際情況的數(shù)值。

圖11比賽場地上空平均溫度

4．2．2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1，2，3，4，5進行了垂直溫度梯度的測量，其中測點1至4位于觀眾席前部，比垂直溫度梯度特點比較接近于比賽場地上空的情況。

圖12觀眾席上空側(cè)點1～4平均溫度

圖13觀眾席上空側(cè)點5平均溫度

圖13為測點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℃/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處測點溫度值最低，為℃。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)進行空調(diào)的形式，比賽場地采用噴口側(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℃/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)計溫度比前排稍低。這種設(shè)計方法，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)計溫度的垂直梯度-℃/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一步的實測研究，但其設(shè)計思想無疑值得今后在同類空調(diào)設(shè)計中借鑒。在東側(cè)看臺上部觀眾席實測溫度較高，熱環(huán)境較差。這是因為該區(qū)與比