094北京工業(yè)大學(xué)奧運(yùn)會羽毛球場館空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)方案優(yōu)化與實(shí)施

1、北京工業(yè)大學(xué)奧運(yùn)會羽毛球場館 空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)方案優(yōu)化與實(shí)施 北京工業(yè)大學(xué) 楊英霞 陳超 任明亮 果海鳳 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 倪真 賈學(xué)斌 余振飛 摘要： 北京工業(yè)大學(xué)的羽毛球場館是北京 2008 年奧運(yùn)會的新建場館之一，由于羽毛球比賽場地對 風(fēng)速要求非常高，要求地面以上 9米區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速不大于 0.2m/s 。為此，本文利用計(jì)算流體力學(xué)技 術(shù)（CFD ），對場館內(nèi)設(shè)計(jì)工況下的氣流組織進(jìn)行了預(yù)測，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對有可能影響場館內(nèi)氣流 組織的觀眾席座椅下的結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)的送風(fēng)方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了相應(yīng)的修改方案?，F(xiàn)場實(shí)測 結(jié)果表明，比賽場地的速度場達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足羽毛球比賽場地風(fēng)速不大于 0

2、.2m/s 的要求。 關(guān)鍵詞 ： 奧運(yùn)會羽毛球場館； 0.2m/s 風(fēng)速；氣流組織；方案優(yōu)化；實(shí)施1 工程概況 羽毛球比賽屬于小球比賽，場館的空調(diào)設(shè)計(jì)不但要滿足溫濕度的要求，更重要的是必須滿足比 賽場地對風(fēng)速要求。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，比賽場地地面以上 9 米區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速不得大 于 0.2m/s1 ，這就給空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其運(yùn)行提出了很大的難題。目前國內(nèi)外大多數(shù)羽毛球場館的做 法是，比賽時將空調(diào)系統(tǒng)關(guān)掉，以防影響比賽。北京工業(yè)大學(xué)羽毛球場館（圖 1）是為 2008 年北京奧運(yùn)會而建設(shè)的室內(nèi)體育場，主要功能是羽 毛球與藝術(shù)體操用體育館，總建筑面積24383m2，空調(diào)面積 20000 m2

3、。比賽大廳是體育館的核心，包括比賽場地和觀眾區(qū)，觀眾區(qū)圍繞比賽場地四周布置，分東、南、西、北四個區(qū)域，共設(shè)有 7508 個觀眾席位，其中固定席位 5480 個，活動席位 2028 個。a）場館外立面圖b ）場館內(nèi)實(shí)景圖 1 北京工業(yè)大學(xué)羽毛球場館1.1 比賽大廳空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)表 1 所示的是比賽大廳的比賽區(qū)和觀眾席的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)。表 1 溫、濕度設(shè)計(jì)參數(shù)房間名稱夏季冬季溫度（）相對濕度（ %）溫度（）相對濕度（ %）比賽區(qū)26601830觀眾席256018301.2 空調(diào)方式 空調(diào)設(shè)計(jì)方式為全空氣式二次回風(fēng)系統(tǒng)，觀眾席座椅下送風(fēng)，上側(cè)回風(fēng)。即，整個場館分東、 南、西、北四個區(qū)域，分別由 12 臺

4、組合式空調(diào)機(jī)組將處理好的空氣通過風(fēng)道系統(tǒng)送至四個區(qū)域觀眾 席位下的結(jié)構(gòu)風(fēng)腔，利用結(jié)構(gòu)風(fēng)腔的靜壓箱作用（各區(qū)的結(jié)構(gòu)風(fēng)腔彼此獨(dú)立） ，并在結(jié)構(gòu)風(fēng)腔上面的 觀眾席位下開設(shè)了 9100 個風(fēng)口，并利用可調(diào)節(jié)旋流風(fēng)口送風(fēng)。 回風(fēng)口設(shè)在場館四周的中間層 （8.47m） 和上層（ 13.03m）。a）南、北區(qū)觀眾席送風(fēng)氣流組織示意圖圖 2 為場館內(nèi)氣流組織設(shè)計(jì)示意圖。觀眾席采用座椅下旋流風(fēng)口送風(fēng)，集中回風(fēng)。比賽場地空 調(diào)通過座位送風(fēng)氣流的涌流，來達(dá)到空調(diào)降溫的目的。由圖可見，結(jié)構(gòu)風(fēng)腔設(shè)計(jì)是否合理，是否真 正能起到靜壓箱的作用，是確保場館內(nèi)氣流組織達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要影響因素。b）東、西區(qū)觀眾席送風(fēng)氣流組織示意

5、圖圖 2 比賽大廳氣流組織示意圖2 比賽大廳氣流組織數(shù)值模擬與分析比賽大廳是體育館的核心部分，也是空調(diào)作用的重點(diǎn)。而比賽大廳的氣流組織處理，是實(shí)現(xiàn)大 廳人工環(huán)境要求的最主要手段。為了考察空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣流組織能否實(shí)現(xiàn)，本文利用計(jì)算流體力 學(xué)技術(shù)（ CFD），對場館內(nèi)設(shè)計(jì)工況下的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。并對可能存在的問題進(jìn)行了分析。2.1 數(shù)學(xué)物理模型采用 CFD 計(jì)算軟件 PHOENICS （ 2006）進(jìn)行計(jì)算，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的 k 模型?？刂品匠?包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及、 方程與 t 式。通用的控制方程為： div U grad S（ 1）t式中， 為通用變量，代表 u，v

6、， w，k， ， T等求解變量； 為密度； U 為速度矢量； 為廣義擴(kuò)散系數(shù)； S 為廣義源項(xiàng)。2）湍流粘性系數(shù) t c k 2對控制方程離散求解時采用有限容積法，動量方程采用交錯網(wǎng)格，擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用迎風(fēng)與中 心相結(jié)合的一階精度混合格式 （Hybrid Scheme） ，解方程的方法為 SMPLE 算法。考慮到比賽大廳基本上是對稱結(jié)構(gòu)，為簡化計(jì)算，僅計(jì)算大廳的 1/4 區(qū)域的速度場、溫度場。 計(jì)算區(qū)域及其物理模型如圖 3 所示。2.2 計(jì)算條件（ 1）按分層空調(diào)考慮，非空調(diào)區(qū)域（頂棚）溫度設(shè)為42，其余壁面設(shè)為絕熱邊界條件；（ 2）內(nèi)部發(fā)熱量（包括人體、燈光）按計(jì)算區(qū)域內(nèi)的考慮；（3）旋流風(fēng)

7、口送風(fēng)均勻，每個旋流風(fēng)口送風(fēng)量8.22 m3/h，送風(fēng)溫度 20；（ 4）排風(fēng)口設(shè)在頂棚，排風(fēng)量為 124000 m3/h；（ 5）回風(fēng)口分別布置在大廳四周的中部（8.47m）和上層（ 13.03m）區(qū)域處，集中回風(fēng)。相對壓力為 0.0Pa（ 設(shè)大氣壓 P=100000Pa）。a） 計(jì)算區(qū)域平面示意圖b） 計(jì)算區(qū)域物理模型圖 3 計(jì)算區(qū)域示意圖2.3 計(jì)算結(jié)果分析圖 4 a）和 b）所示的是 X=33.4m 處 Y-Z 截面的速度場和溫度場分布。從圖中可以看出，根據(jù)設(shè) 計(jì)條件，如果能保證觀眾席座椅下 9100 個旋流風(fēng)口均勻送風(fēng)， 則能夠滿足空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求。 即，比賽區(qū)域地面以上 9m

8、 以內(nèi)區(qū)域風(fēng)速基本可保證小于 0.2m/s。比賽區(qū)域的溫度 23左右，觀眾 席區(qū)域的溫度在 22 24之間，整個計(jì)算區(qū)域的平均溫度為23.8?？梢钥闯?， 結(jié)構(gòu)風(fēng)腔能否起到靜壓箱的作用， 是確保 9100 個旋流風(fēng)口均勻送風(fēng)的重要影響因素 之一，同時也是保證比賽大廳的溫度場和速度場滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵所在。a）速度場b）溫度場圖 4 設(shè)計(jì)工況 X=33.4m 處 Y-Z 截面的速度場和溫度場3 結(jié)構(gòu)風(fēng)腔氣流組織優(yōu)化3.1 存在問題分析 結(jié)構(gòu)風(fēng)腔作為靜壓箱，其幾何特性和箱體的進(jìn)出口特性是影響靜壓分布均勻性的重要因素。為 此，本研究選擇較為復(fù)雜的南區(qū)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)腔作為分析對象。圖 5a）為圖 2a ）

9、中對應(yīng)觀眾席下結(jié) 構(gòu)風(fēng)腔的 X-Y 平面， I-I 斷面為對稱面。對應(yīng)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔 X-Y 平面的斜上方觀眾席上開設(shè)了大量直徑 為 =130mm的送風(fēng)口（圖 5c）。從圖 5 可見，從送風(fēng)口 1、 2流進(jìn)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔的空氣流經(jīng)通道上，有 幾道梁柱，且形狀、大小不一，這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件都導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)風(fēng)腔氣流分配不均勻，很難形成靜壓箱 的作用，進(jìn)而導(dǎo)致各送風(fēng)口送風(fēng)不均勻。圖6 所示的是圖 5a）中陰影區(qū)域結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)三個不同高度上的速度場計(jì)算結(jié)果，也說明了結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)的氣流分布很不均勻，送風(fēng)口附近的氣流速度很大，而 距離送風(fēng)口較遠(yuǎn)處的氣流速度很小，不同高度的氣流速度也相差較大。鑒于分析和數(shù)值計(jì)算的預(yù)測結(jié)果，為了進(jìn)一步

10、確認(rèn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，配合施工，對整個南區(qū)結(jié)構(gòu) 風(fēng)腔內(nèi)氣流的實(shí)際流動情況進(jìn)行了驗(yàn)證性檢測。a）平面示意圖圖 5 南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔結(jié)構(gòu)圖b）I-I 剖面圖 6 南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔速度場分布3.2 現(xiàn)場實(shí)測表 2 是對南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)氣流的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，實(shí)測結(jié)果與上述預(yù)測分析結(jié)果基本一致。各區(qū)的風(fēng)量分配與設(shè)計(jì)所需要的風(fēng)量相差很大，區(qū)1、區(qū) 2、區(qū) 9 的風(fēng)量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的風(fēng)量，而其它區(qū)的風(fēng)量均小于設(shè)計(jì)值。區(qū) 1 和區(qū) 2、區(qū) 9 距離送風(fēng)口最近，而其它區(qū)依次遠(yuǎn)離送風(fēng)口，說明在空氣在 經(jīng)送風(fēng)口進(jìn)入結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)后，迅速衰減，氣流沒有能力達(dá)到距離送風(fēng)口的最遠(yuǎn)端。需要將區(qū) 1 和區(qū) 2 及區(qū) 9 的氣流進(jìn)行誘導(dǎo)，使其能達(dá)到遠(yuǎn)

11、端，保證各區(qū)風(fēng)量分配能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使得各旋流風(fēng) 口送風(fēng)的均勻。表 2 南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔氣流分配區(qū)域測試風(fēng)量（ m3/h ）各區(qū)風(fēng)量占總風(fēng)量 的比例各區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)量（根據(jù)旋流風(fēng)口數(shù)量） 占總送風(fēng)量的比例JK4-1 送風(fēng)口55774區(qū)11252922.5%6.5%區(qū)23051954.7%19.4%區(qū)30027.3%區(qū)4619811.1%29.7%區(qū) 5（ 1）716712.8%17%區(qū) 5（ 2）869218.5%17%區(qū)638368.2%29.7%區(qū)7659714.0%27.3%區(qū)844009.35%19.4%區(qū)92349150%6.5%JK4-2 送風(fēng)口470163.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)腔氣流組織設(shè)計(jì)優(yōu)化3

12、.3.1 設(shè)計(jì)方案改進(jìn)與實(shí)施 根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)風(fēng)腔存在的氣流分配不均勻，各送風(fēng)口送風(fēng)量偏差較的問題，本研究提出了改善 結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)部氣流分布特性的設(shè)計(jì)方案。主要思路是，根據(jù)數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，通過在結(jié)構(gòu) 風(fēng)腔內(nèi)加設(shè)風(fēng)管的方法，重新分配結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)各區(qū)域的風(fēng)量及速度。根據(jù)以上對結(jié)構(gòu)風(fēng)腔速度場的計(jì)算和現(xiàn)場測試， 利用 CFD 技術(shù)對結(jié)構(gòu)風(fēng)腔氣流組織進(jìn)行了優(yōu)化 設(shè)計(jì)， 提出了如圖 7所示的優(yōu)化方案并完成了實(shí)施工作。 即在結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)沿氣流方向加設(shè)風(fēng)管系統(tǒng)， 以改善結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)的氣流壓力分布，以保證整個區(qū)域內(nèi)的壓力分布均勻，最終實(shí)現(xiàn)各旋流風(fēng)口的送 風(fēng)均勻。圖 7 南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案3.3.2 實(shí)

13、施結(jié)果評估根據(jù)上述優(yōu)化方案對結(jié)構(gòu)風(fēng)腔的送風(fēng)系統(tǒng)實(shí)施改造后，座椅下各旋流風(fēng)口空氣流動特性得到了 明顯的改善。筆者對實(shí)施改造后的空氣流動情況進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，圖 8 是南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔各旋流風(fēng)口 位置示意圖及風(fēng)速測試結(jié)果。 分 AI 共 9個區(qū)域（對應(yīng)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔內(nèi)的區(qū) 1區(qū) 9），每個區(qū)域在各排風(fēng) 口上選一個代表風(fēng)口進(jìn)行風(fēng)速測試， 從圖 7 的實(shí)測結(jié)果看， 各個區(qū)域的旋流風(fēng)口風(fēng)速分布較為均勻， 達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的速度場要求。圖8南區(qū)結(jié)構(gòu)風(fēng)腔各旋流風(fēng)口出風(fēng)速度測試結(jié)果4 場館比賽場地速度場實(shí)測2007 年 9月 7 日11日，國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對北京工業(yè)大學(xué)奧運(yùn)會羽毛球場館比 賽大廳內(nèi)比賽場地的速度

14、場進(jìn)行了檢測。圖 9 是比賽區(qū)域 （含三個比賽場地） 測點(diǎn)布置平面示意圖。 比賽區(qū)域尺寸為 42.3 m 21.4 m ，（圖 中綠線區(qū)域） ，長度方向（ 42.3m ）測點(diǎn)之間間隔為 6m，寬度方向（ 21.4 m）測點(diǎn)之間間隔為 3.6m； 測試高度選擇了 1 m、2.5 m、4.5 m、6.5 m和8.5 m五個高度。圖 9標(biāo)出了第 1列、第 4列、第 8 列測點(diǎn)在五個高度上的速度值。根據(jù)國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的報告，比賽區(qū)域氣流速度（ 9m 以下）在 0.020.35m/s 之間，平均風(fēng)速為 0.18m/s，測試 280 個點(diǎn)中，有 225 個測點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，占總測點(diǎn)的80.4，基本滿足比賽場地地面以上 9 米內(nèi)的風(fēng)速不得大于 0.2m/s 的速度要求。圖 9 比賽區(qū)域速度場測點(diǎn)布置及其實(shí)測結(jié)果5 結(jié)論1）對于座椅下送風(fēng)的空調(diào)送風(fēng)方式，結(jié)構(gòu)風(fēng)腔的壓力分布特性及其氣流流動特性是否合理，對整個 比賽大廳的氣流組織起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)筆者提出的結(jié)構(gòu)風(fēng)腔改進(jìn)方案改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)風(fēng)腔 可以起到預(yù)期的靜壓箱作用，進(jìn)而保證了座椅下各旋流風(fēng)口送風(fēng)氣流的均勻性；2）國家空調(diào)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對羽毛球比