北京市某体育场馆空调系统设计

北京市某体育场馆空调系统设计

摘要：本文以笔者设计的北京市亦庄工业开发区某体育场馆工程为研究对象，首先对其传统空调系统设计方案进行了分析,发现常规空调系统设计难以满足冬季体育馆使用性和舒适性的要求，于是根据工程特点,提出散热器采暖与多联机空调系统并用的方案，并对此方案进行了CFD模拟，得出模拟方案在使用性、节能性和舒适性上都满足了相关规范的要求，并在此基础上用空气扩散性能指标对模拟方案气流组织进行了评价，指标数据显示气流组织效果较好。

关键词：体育馆；空调系统；节能设计；气流组织；热舒适；

0引言

合理的体育馆设计，不仅要求建筑体型美观，体育设施齐全，而且要求室内有较舒适的热、湿环境。比赛区还要满足各类比赛项目的特殊要求。在国家相应节能减排政策的实施下，也相应提高了暖通空调系统的节能设计要求[1]。因此，暖通空调在体育馆建筑中具十分重要的地位。本设计体育馆功能为羽毛球场和篮球场，为了使设计达到理想的功能使用效果，对传统设计方案进行了分析比较，并在此基础上提出优化方案并进行CFD模拟和指标评价。

1．体育馆空调系统设计参数

目前，我国体育建筑的空调设计尚无统一标准，根据国内一些工程设计统计，多功能体育馆空调系统夏季室内温度、风速设计一般观众区温度为26～28℃，比赛区位温度28℃，风速不大于0.3 m/s，相对湿度为60%～65%。冬季室内温度、风速设计一般观众区温度为18～20℃，比赛区温度为18℃，风速不大于0.15 m/s，相对湿度35%～50%[2]。然而不同比赛项目对室内风速又有不同的要求，如羽毛球、乒乓球等小球，对比赛场馆风速要求较严，一般应小于0.2m/s，而其他球类比赛风速允许加大至0.5m/s，但是多功能体育馆内往往要进行多种球类的比赛，冬季和夏季一般又是共用一套空调系统，为此室内设计风速宜按要求最高的选取。

2．传统空调送回风形式

空调系统应根据房间的设计参数、使用性质、热湿负荷状况进行分析，本次设计重点针对比赛区进行空调系统设计。由于体育馆属于高大空间建筑，要求室内气流速度场、温度场比较均匀，气流组织设计一般有以下几种基本形式.

2.1上送下回

上送下回是常用的气流形式，送风口一般设置在比赛厅的上部网架空间或吊顶内，回风口设在观众席座位台阶的侧壁上或其它墙壁上，气流从上部送出，经比赛场或观众席后，由回风口回风，气流比较均匀，布置比较方便。但由于场

馆比较高，送风射程较远，在冬季，空调送热风时的效果很难保证。

2.2侧送下回或侧回

侧送下回适用于观众席，在观众席后的侧墙上水平下倾送出，从观众席座位下的台阶侧壁上或后面的侧墙回风，观众处于回风气流中，系统较为简单，但空调系统布置受体育场馆内格局影响较多。

2.3下送上回

下送上回气流是将送风口设在观众席位台阶的侧壁上，回风口设在上部，送风先经过人流区，可以提高送、回风温差，冬夏送风效果都比较好，节约能量，适用于观众席的空调气流，但系统布置较为困难。

3．本次空调系统设计方案

此次体育场比赛馆建筑平面为L形，建筑面积830m2，层高为7.95m，附近相邻建筑地下室内有溴化锂直燃机组和0.7MW小型真空燃气锅炉可为体育馆提供冷热源。体育馆经计算冷负荷132KW，热负荷167KW。

根据北京冬夏季气候特点，夏季采用三种空调送风方式制冷一般均能使场馆温度场达到理想的效果，但是难以保证使羽毛球场风速小于0.2m/s，北京属于寒冷地区，冬季室外温度较低，采用单纯的空调系统采暖时，一般需要设备运行较长时间才能室内达到适宜的温度，然而由于热空气上浮，冷空气下沉的特性，温度梯度较大，温度场不均匀，舒适性较差，风速场也难以满足使用要求，因此传统空调系统形式很难使室内风速场和温度场同时满足实用性和舒适性的要求。

考虑到体育馆使用方便性和灵活性的特点，本次设计采用多联机空调系统+散热器采暖方式来满足冬夏季采暖和制冷的要求，夏季采用多联机空调供冷，冬季热负荷的2/3使用散热器供暖，在冬季大多数时间内可以满足使用要求，当室外达到北京室外最低温度时，室内温度不能满足舒适性要求，采用多联机空调辅助供暖。这样设计不仅在冬季大部分时间可以节省能源，又可以满足负荷峰值时的舒适性效果。为了验证本次方案设计的合理性，采用CFD仿真软件对冬季比赛馆风速场和温度场进行了模拟。

4．物理模型建立及边界条件设置

体育馆尺寸：X×Y×Z=25.2m×7.9m×33.6m，体育馆由北侧羽毛球场和南侧篮球场两部分组成，经计算，除北墙外沿墙一周布置24台制冷量为5.6KW，制热量为6.3KW的落地内藏式空调室内机，每两台室内机中间设置一组散热器，室内机出风口尺寸：X×Y=0.7m×0.2m，每组散热器尺寸：X×Y×Z=0.14m×0.9m×1.0m，体育馆建模如下：

图1体育馆三维模型图

空调室内机送风口在上部，回风口在侧面，根据单台室内机送风量和风口尺寸计算得送风口风速为1.67m/s，冬季工况送风温度为22℃，室内环境温度为18℃，相对湿度为40%，北京采暖期室外平均温度为-1.6℃，冬季空调室外设计温度为-12℃，外墙传热系数为0.54 W/(m2.k)，外窗传热系数3.0 W/(m2.k)，每组散热器散热量为2000W。

5. CFD模拟结果分析

5.1冬季体育馆室内机开启速度场仿真结果分析

当冬季室外温度达到最低温度时，空调室内机开启，体育馆内形成室内循环风，Y=1.5m断面是人体头部感知风速最敏感的区域，从图2速度分布图可以看出，体育馆周边风速较高，中心区域风速较低，Y=1.5m断面平均风速大部分在0.2m/s左右，满足人体舒适性要求。从图3速度分布图可以看出，Y=3m断面平均风速比Y=1.5m断面平均风速略高，约为0.25m/s，体育馆北侧的羽毛球场平均风速小于0.2m/s，南侧的篮球场平均风速也仅为为0.3m/s左右，同时满足了羽毛球场和篮球场微风速的设计要求。

5.2冬季体育馆室内机开启温度场仿真结果分析

图4 Y=0.15m断面温度分布图图5 Y=1.5m断面温度分布图

人体的头部和脚部是感知温度敏感的部位，从图4温度分布图可以看出，散热器和空调室内机同时供热，由于散热器和空调室内机沿外墙布置，故周边区域温度较高，中心区域温度较低，断面平均温度18℃左右，满足冬季室内温度设计要求。从图5温度分布图可以看出，由于断面升高，空气扰动增强从而使换热效果加强，Y=1.5m断面温度场比Y=0.15m断面温度场均匀，断面平均温度20℃左右，满足人体舒适性要求和室内温度设计要求。

5.3冬季体育馆室内机不开启温度场仿真结果分析

图6 Y=0.15m断面温度分布图图7 Y=1.5m断面温度分布图

当外界气温为北京冬季室外平均温度时，此时模型只采取散热器供热，空调不开启，因此可默认为室内风速场满足体育馆微风速要求，从图6温度分布