空调气流组织设计方案的优化与实施

1、工业大学奥运会羽毛球场馆空调气流组织设计方案优化与实施工业大学 英霞 超 任明亮 果海凤中铁建设集团倪真贾学斌余振飞摘要：工业大学的羽毛球场馆是2021年奥运会的新建场馆之一，由于羽毛球比赛场地对风速要求非常高，要求地面以上 9米区域的风速不大于 0.2m/s。为此，本文利用计算流体力学技术CFD,对场馆设计工况下的气流组织进行了预测，根据计算结果，对有可能影响场馆气流组织的观众席座椅 下的结构风腔的送风方式进行了优化设计，提出了相应的修改方案。现场实测结果说明，比赛场地的速度场到达设计要求，满足羽毛球比赛场地风速不大于0.2m/s的要求。关键词：奥运会羽毛球场馆；0.2m/s风速；气流组织；

2、方案优化；实施1工程概况羽毛球比赛属于小球比赛，场馆的空调设计不但要满足温湿度的要求，更重要的是必须满足比 赛场地对风速要求。根据相关设计规与标准的要求，比赛场地地面以上9米区域，风速不得大于0.2m/s 1，这就给空调系统设计与其运行提出了很大的难题。目前国外大多数羽毛球场馆的做法是， 比赛时将空调系统关掉，以防影响比赛。工业大学羽毛球场馆图1是为2021年奥运会而建设的室体育场，主要功能是羽毛球与艺术2 2 体操用体育馆，总建筑面积24383m，空调面积20000 m。比赛大厅是体育馆的核心，包括比赛场地和观众区，观众区围绕比赛场地四周布置，分东、南、西、北四个区域，共设有7508个观众席

3、位,其中固定席位5480个，活动席位2028个。a场馆外立面图b场馆实景图1工业大学羽毛球场馆1.1比赛大厅空调设计参数表1所示的是比赛大厅的比赛区和观众席的空调设计参数。表1温、湿度设计参数房间名称夏季冬季温度C相对湿度%温度C相对湿度%比赛区266018> 30观众席256018> 301.2空调方式空调设计方式为全空气式二次回风系统，观众席座椅下送风，上侧回风。即，整个场馆分东、 南、西、北四个区域，分别由 12台组合式空调机组将处理好的空气通过风道系统送至四个区域观众 席位下的结构风腔，利用结构风腔的静压箱作用各区的结构风腔彼此独立，并在结构风腔上面的观众席位下开设了 91

4、00个风口，并利用可调节旋流风口送风。回风口设在场馆四周的中间层8.47m和上层13.03m。图2为场馆气流组织设计示意图。观众席采用座椅下旋流风口送风，集中回风。比赛场地空调 通过座位送风气流的涌流，来到达空调降温的目的。由图可见，结构风腔设计是否合理，是否真正 能起到静压箱的作用，是确保场馆气流组织到达设计要求的重要影响因素。a南、北区观众席送风气流组织示意图b 东、西区观众席送风气流组织示意图图2比赛大厅气流组织示意图2比赛大厅气流组织数值模拟与分析比赛大厅是体育馆的核心局部，也是空调作用的重点。而比赛大厅的气流组织处理，是实现大 厅人工环境要求的最主要手段。为了考察空调系统设计的气流组

5、织能否实现，本文利用计算流体力 学技术CFD,对场馆设计工况下的气流组织进行了数值计算。并对可能存在的问题进行了分析。 2.1数学物理模型采用CFD计算软件PHOENIC2006进行计算，湍流模型采用标准的k模型。控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程与k、 方程与t式。通用的控制方程为：div U grad S 1式中，为通用变量，代表u , v, w , k , T等求解变量；为密度；U为速度矢量;为广义扩散系数；S为广义源项。湍流粘性系数t c( 2)对控制方程离散求解时采用有限容积法，动量方程采用交错网格，扩散项的离散采用迎风与中 心相结合的一阶精度混合格式(Hybrid Sche

6、me)，解方程的方法为 SMPLE算法。考虑到比赛大厅根本上是对称结构，为简化计算，仅计算大厅的1/4区域的速度场、温度场。计算区域与其物理模型如图3所示。2.2计算条件(1 )按分层空调考虑，非空调区域(顶棚)温度设为42 C,其余壁面设为绝热边界条件；(2 )部发热量(包括人体、灯光)按计算区域的考虑；3(3)旋流风口送风均匀，每个旋流风口送风量8.22 m /h，送风温度20C；(4 )排风口设在顶棚，排风量为124000 m3/h ；(5)回风口分别布置在大厅四周的中部(8.47m)和上层(13.03m)区域处，集中回风。相对压力为 O.OPa设大气压 P=100000Pa。a)计算区

7、域平面示意图b)计算区域物理模型图3计算区域示意图2.3计算结果分析图4 a)和b)所示的是X=33.4m处Y-Z截面的速度场和温度场分布。从图中可以看出，根据设 计条件，如果能保证观众席座椅下9100个旋流风口均匀送风，那么能够满足空调系统的设计设计要求。即，比赛区域地面以上9m以区域风速根本可保证小于0.2m/s。比赛区域的温度 23C左右，观众席区域的温度在 22C 24C之间，整个计算区域的平均温度为23.8 C。可以看出，结构风腔能否起到静压箱的作用，是确保9100个旋流风口均匀送风的重要影响因素之一，同时也是保证比赛大厅的温度场和速度场满足设计要求的关键所在。i uM-uuu

8、9; "JiL! 87 *, UU>J# mMW5 7i«UU'.' i> &in bQi| I fl *! IIIIUO !5*倾。O 4 *1 50« 0 571UU'?! i 3 Sil- O 2»D(I>：> iVlIMh o i>inaci> D<i!9Mi o n-H-nn»J4MHf汕3711r*ITIrtn出弭M3nw竝*t4an in13TtiM蚩卄-1m XbT«mk«r nr«, IJ温度场a速度场图4设计工况X=33.

9、4m处Y-Z截面的速度场和温度场3结构风腔气流组织优化3.1存在问题分析结构风腔作为静压箱，其几何特性和箱体的进出口特性是影响静压分布均匀性的重要因素。为 此，本研究选择较为复杂的南区对应的结构风腔作为分析对象。图5a为图2a中对应观众席下结构风腔的X-Y平面，1-1断面为对称面。对应结构风腔X-Y平面的斜上方观众席上开设了大量直径为=130mnm勺送风口图5c。从图5可见，从送风口 1、2流进结构风腔的空气流经通道上，有 几道梁柱，且形状、大小不一，这些结构构件都导致了结构风腔气流分配不均匀，很难形成静压箱 的作用，进而导致各送风口送风不均匀。图6所示的是图5a中阴影区域结构风腔三个不同高度

10、上的速度场计算结果，也说明了结构风腔的气流分布很不均匀，送风口附近的气流速度很大，而距离 送风口较远处的气流速度很小，不同高度的气流速度也相差较大。鉴于分析和数值计算的预测结果，为了进一步确认数值计算结果，配合施工，对整个南区结构 风腔气流的实际流动情况进行了验证性检测。Ia平面示意图b图5南区结构风腔结构图1-1剖面图6南区结构风腔速度场分布I , WSJ«M> I %卯化0 I iJMM>I 3.2现场实测表2是对南区结构风腔气流的现场实测结果，实测结果与上述预测分析结果根本一致。各区的 风量分配与设计所需要的风量相差很大，区1、区2、区9的风量远大于设计的风量，而其

11、它区的风量均小于设计值。区 1和区2、区9距离送风口最近，而其它区依次远离送风口，说明在空气在经 送风口进入结构风腔后，迅速衰减，气流没有能力到达距离送风口的最远端。需要将区1和区2与区9的气流进行诱导，使其能到达远端，保证各区风量分配能够到达设计要求，使得各旋流风口送 风的均匀。表2南区结构风腔气流分配区域测试风量m/h各区风量占总风量 的比例各区设计风量根据旋流风口数量 占总送风量的比例JK4-1送风口55774区11252922.5%6.5%区23051954.7%19.4%区30027.3%区4619811.1%29.7%区 5 1716712.8%17%区 5 2869218.5%1

12、7%区638368.2%29.7%区7659714.0%27.3%区844009.35%19.4%区92349150%6.5%JK4-2送风口470163.3结构风腔气流组织设计优化设计方案改良与实施根据现有结构风腔存在的气流分配不均匀，各送风口送风量偏差较的问题，本研究提出了改善 结构风腔部气流分布特性的设计方案。主要思路是，根据数值计算与现场实测结果，通过在结构风 腔加设风管的方法，重新分配结构风腔各区域的风量与速度。根据以上对结构风腔速度场的计算和现场测试，利用CFD技术对结构风腔气流组织进行了优化设计，提出了如图 7所示的优化方案并完成了实施工作。即在结构风腔沿气流方向加设风管系统，

13、以改善结构风腔的气流压力分布，以保证整个区域的压力分布均匀，最终实现各旋流风口的送风均 匀。图7南区结构风腔空调送风系统优化方案实施结果评估根据上述优化方案对结构风腔的送风系统实施改造后，座椅下各旋流风口空气流动特性得到了 明显的改善。笔者对实施改造后的空气流动情况进行了现场实测，图8是南区结构风腔各旋流风口位置示意图与风速测试结果。分Al共9个区域对应结构风腔的区1区9,每个区域在各排风口上选一个代表风口进行风速测试，从图7的实测结果看，各个区域的旋流风口风速分布较为均匀，到达了设计预期的速度场要求。南区结构风腔各旋流风口出风速度测试结果士二?-二一广ssh4场馆比赛场地速度场实测2007年

14、9月7日11日，国家空调设备质量监督检验中心对工业大学奥运会羽毛球场馆比赛大 厅比赛场地的速度场进行了检测。图9是比赛区域含三个比赛场地测点布置平面示意图。比赛区域尺寸为42.3 m X 21.4 m,图中绿线区域，长度方向42.3m测点之间间隔为6m,宽度方向21.4 m测点之间间隔为3.6m;测试高度选择了 1 m、2.5 m、4.5 m、6.5 m和8.5 m五个高度。图 9标出了第1列、第4列、第8 列测点在五个高度上的速度值。根据国家空调设备质量监督检验中心的报告，比赛区域气流速度9m以下在0.020.35m/s之间，平均风速为 0.18m/s，测试280个点中，有225个测点满足设计要求，占总测点的80.4 %,根本满足比赛场地地面以上9米的风速不得大于 0.2m/s的速度要求。0图9比赛区域速度场测点布置与其实测结果5结论1) 对于座椅下送风的空调送风方式，结构风腔的压力分布特性与其气流流动特性是否合理，对整个 比赛大厅的气流组织起着至关重要的作用。根据笔者提出的结构风腔改良方案改良后的结构风腔 可以起到预期的静压箱作用，进而保证了座椅下各旋流风口送风气流的均匀性；2) 国家空调设备质量监督检验中