1、北京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北京工业大学 杨英霞 陈超 任明亮 果海凤中铁建设集团有限公司 倪真 贾学斌 余振飞摘要：北京工业大学的羽毛球场馆是北京 2008 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 米区域内的风速不大于 0.2m/s。为此，本文利用计算流体力学技术（CFD），对场馆内设计工况下的气流组织进行了预测，根据计算结果，对有可能影响场馆内气流组织的观众席座椅下的结构风腔内的送风方式进行了优化设计，提出了相应的修改方案。 现场实测结果表明，比赛场地的速度场达到 设计要求， 满足羽毛球比赛场 地风速不大于 0.2m/s
2、的要求。关键词：奥运会羽毛球场馆；0.2m/s 风速；气流组织；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。根据相关设计规范及标准的要求，比赛场地地面以上 9 米区域内，风速不得大于 0.2m/s1，这就给空调系统设计及其运行提出了很大的难题。目前国内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。北京工业大学羽毛球场馆（图 1）是为 2008 年北京奥运会而建设的室内体育场，主要功能是羽毛球与艺术体操用体育馆，总建筑面积 24383m2，空调面积 20000 m2。比赛大厅是体育馆的核心，包括
3、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）场馆内实景图 1 北京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、湿度设计参数夏季 冬季房间名称温度（） 相对湿度 （%） 温度（） 相对湿度 （%）比赛区 26 60 18 30观众席 25 60 18 301.2 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
4、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 9100 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 为场馆内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，来达到空调降温的目的。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，是确保场馆内气流组织达到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
5、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部分，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织能否实现，本文利用计算流体力学技术（CFD ） ，对场馆内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 PHOENICS（2006）进行计算，湍流模型采用标准的 模型。控制方k程包括连续性方程、动量方程、能量方程及 、 方程与 式。kt通用的控制方程为： （1）SgradUdivt 式中， 为通用变量，代表 ， ， ， ， ， 等求解变量； 为密度；
6、为速度矢量；uwkTU为广义扩散系数； 为广义源项。S湍流粘性系数 （2）2kct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 Scheme)，解方程的方法为 SMPLE 算法。考虑到比赛大厅基本上是对称结构，为简化计算，仅计算大厅的 1/4 区域的速度场、温度场。计算区域及其物理模型如图 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，其余壁面设为绝热边界条件；（2）内部发热量（包括人体、灯光）按计算区域内的考虑；（3）旋流风口送风均匀，每个旋流风口送风量 8.22 m3/h，送风
7、温度 20；（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 0.0Pa(设大气压 P=100000Pa)。 a) 计算区域平面示意图 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，则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 以内区域风速基本可保证小于 0.2m/s。比赛区域的温度
8、23左右，观众席区域的温度在 2224之间，整个计算区域的平均温度为 23.8。 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。a）速度场 b）温度场图 4 设计工况 X=33.4m 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，I-I 断面为对称面。对应结构
9、风腔 X-Y 平面的斜上方观众席上开设了大量直径为 =130mm 的送风口（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内三个不同高度上的速度场计算结果，也说明了结构风腔内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内气流的实际流动情况进行了
10、验证性检测。a）平面示意图 b）I-I 剖面图 5 南区结构风腔结构图图 6 南区结构风腔速度场分布3.2 现场实测表 2 是对南区结构风腔内气流的现场实测结果，实测结果与上述预测分析结果基本一致。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内后，迅速衰减，气流没有能力达到距离送风口的最远端。需要将区 1 和区 2 及区 9 的气流进行诱导，使其能达到远端，保证各区风量分配能够达到设计要求，使得各旋流风口送风的均匀。表 2
11、南区结构风腔气流分配区域 测试风量（m 3/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 1 12529 22.5% 6.5%区 2 30519 54.7% 19.4%区 3 0 0 27.3%区 4 6198 11.1% 29.7%区 5（1） 7167 12.8% 17%区 5（2） 8692 18.5% 17%区 6 3836 8.2% 29.7%区 7 6597 14.0% 27.3%区 8 4400 9.35% 19.4%区 9 23491 50% 6.5%JK4-2 送风口 470163.3 结构风腔气流组织设计
12、优化3.3.1 设计方案改进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内部气流分布特性的设计方案。主要思路是，根据数值计算及现场实测结果，通过在结构风腔内加设风管的方法，重新分配结构风腔内各区域的风量及速度。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。即在结构风腔内沿气流方向加设风管系统，以改善结构风腔内的气流压力分布，以保证整个区域内的压力分布均匀，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3.3.2 实施结果评估
13、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及风速测试结果。分 AI 共 9 个区域（对应结构风腔内的区 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，达到了设计预期的速度场要求。图 8 南区结构风腔各旋流风口出风速度测试结果4 场馆比赛场地速度场实测2007 年 9 月 7 日11 日，国家空调设备质量监督检验中心对北京工业大学奥运会羽毛球场馆比赛大厅内比赛场地的速度场进行了检测。
14、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 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，基本满足比赛场地地
15、面以上 9 米内的风速不得大于 0.2m/s 的速度要求。1列 2列 3列 4列 5列 6列 7列 8列图 9 比赛区域速度场测点布置及其实测结果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及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进方案改进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心对羽毛球比赛场地速度场的实测结果表明：在空调系统满负荷运行的条件下，比赛场地地面以上 9 米区域内风速不大于 0.2m/s，满足设计要求。而且 2007 年10 月在该场馆举行的“好运北京”国际羽毛球邀请赛，再次验证了比赛场地速度场是满足国际比赛要求的。参考文献（1）曹越体育馆空调制冷设计中的一些问题介绍国家奥林匹克体育中心综合体育馆暖通空调，1991（5）：35-38（2）邹声华，李孔清风系统中静压箱特性的研究及应用建筑热能空调，2002，5：65-67
