李晉 張威

(1.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，廣東 廣州510640)

合理利用自然通風(fēng)，不僅能為體育館室內(nèi)提供充足的新鮮空氣、實現(xiàn)生理降溫和結(jié)構(gòu)降溫，同時也會對人群積聚區(qū)域——觀眾區(qū)的風(fēng)環(huán)境及觀眾舒適感產(chǎn)生積極的影響.體育館的形態(tài)不僅作為建筑屬性與文化意象的直觀表現(xiàn)而存在［1］，同時與室內(nèi)自然通風(fēng)客觀上也存在著協(xié)同作用.體育館的不同形態(tài)會導(dǎo)致其表面形成相差較大的正負壓狀況，進而影響室內(nèi)觀眾區(qū)的自然通風(fēng)效果［2］.

當前設(shè)計師多是從較為籠統(tǒng)的策略層面探討體育館室內(nèi)的自然通風(fēng)狀況，并未挖掘體育館形態(tài)與觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的深層次關(guān)系，而這恰是運用自然通風(fēng)改善室內(nèi)舒適感受的關(guān)鍵所在，對指導(dǎo)體育館的設(shè)計有著重要意義.在方案構(gòu)思階段，設(shè)計師如果能夠?qū)Ⅲw育館形態(tài)設(shè)計同觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境狀況結(jié)合起來考慮，無疑對于場館的生態(tài)節(jié)能和舒適使用大有裨益［3-4］.基于以上思考，文中利用流體力學(xué)軟件對體育館模型進行模擬計算，研究不同體育館基本形態(tài)對觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，以尋求能促進室內(nèi)自然通風(fēng)、改善觀眾區(qū)舒適度的基本形態(tài)模式，為設(shè)計師的決策提供科學(xué)的依據(jù).

1 研究模型的建立

從實際的體育館建筑中抽象出3種模型，在相同的邊界條件下運用Fluent軟件對其進行CFD風(fēng)環(huán)境模擬，提取數(shù)據(jù)，整理得出各進風(fēng)口風(fēng)速和觀眾區(qū)風(fēng)速，進而得出相應(yīng)的室內(nèi)換氣次數(shù)及自然通風(fēng)作用下的舒適范圍，結(jié)合圖表研究體育館非對稱形態(tài)對觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響.

1.1 建立CAD幾何模型

為便于研究，將體育館形態(tài)簡化為圖1所示的3種基本形態(tài)方案，其中平面圖、剖面圖左側(cè)為迎風(fēng)側(cè).

模型a:平面尺寸為75m×75m，高度為30m(中型規(guī)模體育館的抽象基本形態(tài)，按5000人座計)，對稱性形態(tài);比賽區(qū)場地54m×40m居中，場地40m寬邊距離外立面均為17.5m，之間范圍為觀眾區(qū).

模型b:在模型a的基礎(chǔ)上，保持體積不變，將屋頂作10°單向傾斜，降低的一側(cè)立面作為正向迎風(fēng)面;為適應(yīng)形態(tài)變化，比賽區(qū)場地向迎風(fēng)側(cè)偏移，場地40m寬邊距離迎風(fēng)側(cè)立面13.5m，距離出風(fēng)側(cè)立面21.5m，從而使迎風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)范圍減小，出風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)范圍相應(yīng)增加，形成非對稱形態(tài)的正吹模型.

圖1 3種基本形態(tài)模型Fig.1 Models of three basic forms

模型c:在模型b的基礎(chǔ)上，將模型反轉(zhuǎn)后，將高起的一側(cè)立面作為正向迎風(fēng)面.為適應(yīng)形態(tài)變化，比賽區(qū)場地向出風(fēng)側(cè)偏移，場地40 m寬邊距離迎風(fēng)側(cè)立面21.5m，距離出風(fēng)側(cè)立面13.5m，從而使迎風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)范圍增加，出風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)范圍相應(yīng)減小，形成非對稱形態(tài)的反吹模型.

3個模型中，窗、門(按開敞狀態(tài)計算)的分布及尺寸相同，窗高均為1.5 m，門高均為2.7m.立面下側(cè)開窗1個，窗中線距地面7.75m，兩扇門居于窗兩側(cè);上側(cè)開窗3個，窗中線距地面18.25m.

1.2 氣體流動方程的確定

文中CFD模擬選用k-ε模型，標準k-ε雙方程模型是湍流動能及其擴散率的傳輸方程的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?當流動為不可壓，且不考慮用戶自定義源時，標準k-ε模型的計算公式可表示為［5-7］

標準k-ε模型中的k控制方程可表示為

標準k-ε模型中的ε控制方程可表示為

模型常數(shù)取值分別為 C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3.

1.3 邊界條件的確定

將模型置于525 m×375 m×120 m大小的計算域縱軸之上，模型迎風(fēng)面與計算域進風(fēng)口相距150m，計算域進風(fēng)口入口邊界velocity-inlet選用廣州城市梯度風(fēng)參數(shù).梯度風(fēng)的具體表達式為

其中，z1、u1分別為參考高度和參考高度處的風(fēng)速，文中根據(jù)廣州地區(qū)的氣象參數(shù)，分別選取10 m和1.8m/s作為參考值;z、u分別為流域中某高度和該高度對應(yīng)的平均風(fēng)速.

風(fēng)速剖面使用Fluent的UDF功能通過編程實現(xiàn)［8］.由于出流已接近完全發(fā)展，所以出風(fēng)口采用自由出口邊界.鑒于文中選取的計算流域較大，故頂部和兩側(cè)采用symmetry對稱邊界條件［9-10］.

2 實驗?zāi)M分析

2.1 采樣點風(fēng)速提取分析

運用Fluent軟件，選取中軸對稱剖截面為典型剖截面.3個模型在中軸對稱剖截面的風(fēng)速模擬結(jié)果如圖2所示，在該剖截面上進行觀眾區(qū)和窗口選點采樣.窗口采樣點選點依據(jù):選取各立面上的上、下窗口與中軸對稱剖截面相交線上的中點，3個模型迎風(fēng)側(cè)與出風(fēng)側(cè)各2個窗口采樣點;觀眾區(qū)采樣點選點依據(jù):從池座與內(nèi)場的交界處沿背離內(nèi)場方向0.5 m位置開始，每隔2 m取座位中部正上方0.7m處(相當于一般觀眾胸口處高度)［11］的采樣點風(fēng)速值(樓座與池座之間懸空的采樣點不取樣)，3個模型的樓座部分均采樣10點、池座部分均采樣6點.將3個模型的全部采樣點放入虛擬參照模型中，結(jié)果如圖3所示.窗口采樣點跟隨模型立面，并標示為Wβ-x1或Wξ-x2(β代表上窗，ξ代表下窗，x為模型編號，1代表進風(fēng)側(cè)，2代表出風(fēng)側(cè)).以場地區(qū)為參照邊界，按照選點方法兩側(cè)各取10個觀眾區(qū)采樣點，以囊括、記名3個模型所有觀眾區(qū)的采樣點，例如迎風(fēng)側(cè)(Y)池座(C)采樣點記為YC-XX，出風(fēng)側(cè)(C)樓座(L)采樣點記為CL-XX，XX為連續(xù)數(shù)字編號.

圖2 3種模型中軸剖截面風(fēng)速模擬圖Fig.2 Velocity simulation of middle section in three models

圖3 參照模型與采樣點分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of reference model and distribution of sampling points

2.1.1 窗口風(fēng)速比較

取點得知，各窗中采樣點風(fēng)速大小為 Wβ-c1(1.93m/s)＞W(wǎng)β-b1(1.57m/s)＞W(wǎng)β-a1(1.36m/s)，Wβ-c2(1.87 m/s)＞ Wβ-b2(1.41 m/s)＞ Wβ-a2(1.2m/s).可見，非對稱形態(tài)模型 b、c迎風(fēng)側(cè)上、下窗口的風(fēng)速均高于對稱形態(tài)模型a，且模型c迎風(fēng)側(cè)上、下窗口的風(fēng)速明顯高于其它兩者.這是由于模型c的形態(tài)調(diào)整強化了迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差，使得相同開窗大小、位置的情況下，迎風(fēng)側(cè)窗口處的氣流數(shù)值較其它二者高.

2.1.2 觀眾區(qū)風(fēng)速比較

3種模型觀眾區(qū)池座、樓座采樣點風(fēng)速的比較如圖4所示.

圖4 3種模型觀眾區(qū)采樣點風(fēng)速比較Fig.4 Velocity comparison of sampling points of spectator area in three models

迎風(fēng)側(cè)的樓座與池座部分，由于進入室內(nèi)的氣流速度較高，非對稱形態(tài)模型c觀眾區(qū)的風(fēng)速明顯高于其它兩者.模型a與模型b相差不大說明迎風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)的風(fēng)速不僅與迎風(fēng)面大小有關(guān)，同時觀眾區(qū)與進風(fēng)口的相對布局位置對其也有一定影響.

出風(fēng)側(cè)的樓座與池座部分，氣流經(jīng)過40m寬的內(nèi)場區(qū)后已變得較為微弱，因而3個模型的風(fēng)速情況相差較小，與形態(tài)、出風(fēng)側(cè)看臺區(qū)座位數(shù)等因素關(guān)系不大.

以Fluent模擬得到的模型a、b、c各采樣點風(fēng)速值為基礎(chǔ)，計算各模型迎風(fēng)側(cè)樓座、池座及出風(fēng)側(cè)樓座、池座的平均風(fēng)速，如表1所示.

表1 3種模型觀眾區(qū)池座、樓座的平均風(fēng)速Table 1 Average velocity of stalls and balcony in three models

計算時將中軸剖截面上各部分的平均風(fēng)速近似地認為與其它平行剖截面上的相應(yīng)平均風(fēng)速相同.迎風(fēng)側(cè)樓座、池座及出風(fēng)側(cè)池座、樓座在各個模型總坐席數(shù)(5000人座)中所占比例分別為:模型a中依次為 29.8%、11.4%、11.4%、29.8%;模型 b 中依次為18.2%、11.4%、11.4%、41.4%;模型 c 中依次為 41.4%、11.4%、11.4%、18.2%(東西兩側(cè)的池座看臺不在文中研究范圍之內(nèi)，但計算進風(fēng)側(cè)樓座、池座及出風(fēng)側(cè)樓座、池座坐席比例時，將其考慮在內(nèi)).結(jié)合表1可見，非對稱形態(tài)模型c內(nèi)半數(shù)觀眾所在區(qū)域(該模型的迎風(fēng)側(cè)樓座及池座部分)的平均風(fēng)速在0.6m/s以上，在自然通風(fēng)調(diào)節(jié)情況下相較于模型a、模型b其優(yōu)勢明顯.

2.2 室內(nèi)換氣次數(shù)統(tǒng)計

將體育館迎風(fēng)側(cè)上、下窗口與中軸對稱剖截面相交所形成的兩條線段上的中點風(fēng)速值，分別近似地看作迎風(fēng)側(cè)3個上窗口風(fēng)速平均值v1(m/s)、迎風(fēng)側(cè)下窗口及門的風(fēng)速平均值v2(m/s);求得迎風(fēng)側(cè)3個上窗口對應(yīng)的面積依次為F1、F2、F3(m2)，1個下窗口和2個門對應(yīng)的面積依次為 F4、F5、F6(m2).再按照計算公式L=3600(∑v1Fn+∑v2Fp)(m3，n=1，2，3;p=4，5，6)算出每小時的室內(nèi)進風(fēng)量L，除以體育館體積V得出模型每小時內(nèi)的換氣次數(shù)，經(jīng)計算可得模型a、b、c每小時換氣次數(shù)分別為3.81、4.44、5.62，由此可見，合理地調(diào)整非對稱形態(tài)可取得較好的換氣效果.

2.3 觀眾區(qū)舒適度比較

以風(fēng)環(huán)境模擬得到的3個模型迎風(fēng)側(cè)樓座、池座及出風(fēng)側(cè)樓座、池座的平均風(fēng)速為基礎(chǔ)，結(jié)合廣州典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)和當?shù)鼐用竦湫鸵轮鳛闊崾孢m分析的依據(jù)，運用Weather Tool軟件對模型a、b、c進行觀眾區(qū)熱環(huán)境分析，結(jié)果以焓濕圖的形式表示，如圖5所示.焓濕圖中橫坐標是干球溫度(℃)，縱坐標是絕對濕度(mg/L)，傾斜虛曲線是相對濕度(%)，曲線自下而上依次表示為10%、20%、…、100%;基礎(chǔ)區(qū)域指不借助任何降溫手段所得到的熱舒適區(qū)域，將3個模型考慮自然通風(fēng)情況下觀眾區(qū)熱舒適性擴展后的區(qū)域分別用區(qū)域a、區(qū)域b、區(qū)域c的相應(yīng)線框表示，并認為落在熱舒適及其擴展區(qū)域內(nèi)的溫、濕度組合可在不用空調(diào)的情況下使人體感到舒適.

圖5 3種模型不同區(qū)域熱舒適擴展區(qū)域比較Fig.5 Thermal comfort extended-area comparison of different areas in three models

由圖5可見，在人體代謝率、服裝隔熱值等熱舒適影響變量一定的條件下，利用自然通風(fēng)提升觀眾區(qū)風(fēng)速值，可有效擴大觀眾區(qū)熱舒適范圍［12-13］.其中非對稱形態(tài)模型c迎風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)的熱舒適范圍改善狀況明顯優(yōu)于對稱形態(tài)模型a和非對稱形態(tài)模型b;而在出風(fēng)側(cè)三者差距較小，改善程度不大.這對于指導(dǎo)體育館的形體設(shè)計及相應(yīng)的觀眾席布局、調(diào)整體育館形態(tài)與風(fēng)向的相對關(guān)系以及抓住觀眾區(qū)風(fēng)環(huán)境薄弱環(huán)節(jié)有的放矢等有重要的參考價值［14-16］.

3 結(jié)語

通過對抽象出的對稱形態(tài)和非對稱形態(tài)體育館模型的模擬計算發(fā)現(xiàn)，非對稱形態(tài)模型c觀眾區(qū)的風(fēng)環(huán)境最優(yōu)，對稱形態(tài)模型a和非對稱形態(tài)模型b相差不大;在相同的室外風(fēng)環(huán)境條件下，選擇合理的非對稱形態(tài)以及體育館形態(tài)與風(fēng)向的相對關(guān)系，有利于提升迎風(fēng)面與背風(fēng)面的風(fēng)壓差，進而強化室內(nèi)自然通風(fēng)的外部動力.根據(jù)文中研究結(jié)果，對體育館設(shè)計提出以下幾點建議:(1)合理調(diào)整體育館與場地風(fēng)向的相對關(guān)系，最大程度發(fā)揮氣候優(yōu)勢、利用自然資源;(2)合理調(diào)整體育館形態(tài)，并適應(yīng)形態(tài)調(diào)整觀眾區(qū)的布局、開窗設(shè)置等因素，以提升室內(nèi)換氣次數(shù)、改善觀眾的熱舒適感受;(3)針對出風(fēng)側(cè)觀眾區(qū)風(fēng)速普遍較低的狀況，可適當考慮擴大進風(fēng)窗面積，也可在坐席下方設(shè)置機械送風(fēng)加以改善;(4)對濕熱地區(qū)而言，溫度適宜的3－6月和9－11月過渡季節(jié)，是體育館采用被動式自然通風(fēng)調(diào)節(jié)最為有效的時段，在最炎熱的7－9月難以單純依靠自然通風(fēng)滿足使用需求，仍需適當結(jié)合主動技術(shù)調(diào)節(jié).可考慮通過智能手段(如可開合界面、可轉(zhuǎn)動構(gòu)件等)實現(xiàn)被動、主動調(diào)節(jié)間的轉(zhuǎn)換，提升自然通風(fēng)的適用性，盡可能減少空調(diào)等的使用;(5)與其他被動式降溫技術(shù)(導(dǎo)風(fēng)式遮陽構(gòu)件設(shè)計、屋頂覆土綠化等)協(xié)作，選擇適宜的圍護結(jié)構(gòu)材料，以降低主動能源的消耗.

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