李晉 張威

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

合理利用自然通風，不僅能為體育館室內(nèi)提供充足的新鮮空氣、實現(xiàn)生理降溫和結構降溫，同時也會對人群積聚區(qū)域——觀眾區(qū)的風環(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)自然通風客觀上也存在著協(xié)同作用.體育館的不同形態(tài)會導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)的自然通風效果［2］.

當前設計師多是從較為籠統(tǒng)的策略層面探討體育館室內(nèi)的自然通風狀況，并未挖掘體育館形態(tài)與觀眾區(qū)風環(huán)境的深層次關系，而這恰是運用自然通風改善室內(nèi)舒適感受的關鍵所在，對指導體育館的設計有著重要意義.在方案構思階段，設計師如果能夠?qū)Ⅲw育館形態(tài)設計同觀眾區(qū)風環(huán)境狀況結合起來考慮，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)風環(huán)境的影響，以尋求能促進室內(nèi)自然通風、改善觀眾區(qū)舒適度的基本形態(tài)模式，為設計師的決策提供科學的依據(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風環(huán)境模擬，提取數(shù)據(jù)，整理得出各進風口風速和觀眾區(qū)風速，進而得出相應的室內(nèi)換氣次數(shù)及自然通風作用下的舒適范圍，結合圖表研究體育館非對稱形態(tài)對觀眾區(qū)風環(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、剖面圖左側為迎風側.

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的基礎上，保持體積不變，將屋頂作10°單向傾斜，降低的一側立面作為正向迎風面;為適應形態(tài)變化，比賽區(qū)場地向迎風側偏移，場地40m寬邊距離迎風側立面13.5m，距離出風側立面21.5m，從而使迎風側觀眾區(qū)范圍減小，出風側觀眾區(qū)范圍相應增加，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的基礎上，將模型反轉(zhuǎn)后，將高起的一側立面作為正向迎風面.為適應形態(tài)變化，比賽區(qū)場地向出風側偏移，場地40 m寬邊距離迎風側立面21.5m，距離出風側立面13.5m，從而使迎風側觀眾區(qū)范圍增加，出風側觀眾區(qū)范圍相應減小，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.立面下側開窗1個，窗中線距地面7.75m，兩扇門居于窗兩側;上側開窗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)驗模型.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，模型迎風面與計算域進風口相距150m，計算域進風口入口邊界velocity-inlet選用廣州城市梯度風參數(shù).梯度風的具體表達式為

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的平均風速.

風速剖面使用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，故頂部和兩側采用symmetry對稱邊界條件［9-10］.

2 實驗模擬分析

2.1 采樣點風速提取分析

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速模擬結果如圖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個模型迎風側與出風側各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代表進風側，2代表出風側).以場地區(qū)為參照邊界，按照選點方法兩側各取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，例如迎風側(Y)池座(C)采樣點記為YC-XX，出風側(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 窗口風速比較

取點得知，各窗中采樣點風速大小為 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迎風側上、下窗口的風速均高于對稱形態(tài)模型a，且模型c迎風側上、下窗口的風速明顯高于其它兩者.這是由于模型c的形態(tài)調(diào)整強化了迎風面與背風面的風壓差，使得相同開窗大小、位置的情況下，迎風側窗口處的氣流數(shù)值較其它二者高.

2.1.2 觀眾區(qū)風速比較

3種模型觀眾區(qū)池座、樓座采樣點風速的比較如圖4所示.

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

迎風側的樓座與池座部分，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)的風速明顯高于其它兩者.模型a與模型b相差不大說明迎風側觀眾區(qū)的風速不僅與迎風面大小有關，同時觀眾區(qū)與進風口的相對布局位置對其也有一定影響.

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

以Fluent模擬得到的模型a、b、c各采樣點風速值為基礎，計算各模型迎風側樓座、池座及出風側樓座、池座的平均風速，如表1所示.

表1 3種模型觀眾區(qū)池座、樓座的平均風速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速近似地認為與其它平行剖截面上的相應平均風速相同.迎風側樓座、池座及出風側池座、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%(東西兩側的池座看臺不在文中研究范圍之內(nèi)，但計算進風側樓座、池座及出風側樓座、池座坐席比例時，將其考慮在內(nèi)).結合表1可見，非對稱形態(tài)模型c內(nèi)半數(shù)觀眾所在區(qū)域(該模型的迎風側樓座及池座部分)的平均風速在0.6m/s以上，在自然通風調(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

將體育館迎風側上、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速值，分別近似地看作迎風側3個上窗口風速平均值v1(m/s)、迎風側下窗口及門的風速平均值v2(m/s);求得迎風側3個上窗口對應的面積依次為F1、F2、F3(m2)，1個下窗口和2個門對應的面積依次為 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

以風環(huán)境模擬得到的3個模型迎風側樓座、池座及出風側樓座、池座的平均風速為基礎，結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，利用自然通風提升觀眾區(qū)風速值，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迎風側觀眾區(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;而在出風側三者差距較小，改善程度不大.這對于指導體育館的形體設計及相應的觀眾席布局、調(diào)整體育館形態(tài)與風向的相對關系以及抓住觀眾區(qū)風環(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)與風向的相對關系，有利于提升迎風面與背風面的風壓差，進而強化室內(nèi)自然通風的外部動力.根據(jù)文中研究結果，對體育館設計提出以下幾點建議:(1)合理調(diào)整體育館與場地風向的相對關系，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)，并適應形態(tài)調(diào)整觀眾區(qū)的布局、開窗設置等因素，以提升室內(nèi)換氣次數(shù)、改善觀眾的熱舒適感受;(3)針對出風側觀眾區(qū)風速普遍較低的狀況，可適當考慮擴大進風窗面積，也可在坐席下方設置機械送風加以改善;(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滿足使用需求，仍需適當結合主動技術調(diào)節(jié).可考慮通過智能手段(如可開合界面、可轉(zhuǎn)動構件等)實現(xiàn)被動、主動調(diào)節(jié)間的轉(zhuǎn)換，提升自然通風的適用性，盡可能減少空調(diào)等的使用;(5)與其他被動式降溫技術(導風式遮陽構件設計、屋頂覆土綠化等)協(xié)作，選擇適宜的圍護結構材料，以降低主動能源的消耗.

［1］馮琰，樊可.城市經(jīng)濟背景下的體育建筑分析［J］.建筑師，2008(3):47-51.Feng Yan，F(xiàn)an Ke.Analysis of sports architecture under background of urban economy ［J］.Architect，2008(3):47-51.

［2］Nutphuang C，Chirarattananon S，Hien V D.Application of CFD for air flow analysis underneath natural ventilation with forced convection in roof attic［J］.Proceedings of World Academy of Science，Engineering and Technology，2011，75:205-212.

［3］巴魯克·吉沃尼.建筑設計和城市設計中的氣候因素［M］.汪芳，闞俊杰，張書海，等，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:68-69.

［4］West S.Improving the sustainable development of building stock by the implementation of energy efficient，climate control technologies ［J］.Building and Environment，2001，36(3):281-289.

［5］王彬，楊慶山.CFD軟件及其在建筑風工程中的應用［J］.工業(yè)建筑，2008，38(S1):328-332.Wang Bin，Yang Qing-shan.CFD software and its application in buliding wind engineering ［J］.Industrial Architecture，2008，38(S1):328-332.

［6］王福軍.計算流體動力學分析——CFD原理應用［M］.北京:清華大學出版社，2007:43-44.

［7］村上周三.CFD與建筑環(huán)境設計［M］.朱清宇，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:50-51.

［8］毋英俊，陳志華，閆翔宇，等.涼都體育中心體育館屋蓋CFD數(shù)值分析 ［J］.空間結構，2011，17(3):328-332.Wu Ying-jun，Chen Zhi-hua，Yan Xiang-yu，et al.CFD numerical simulation on asium roof of Liangdu Sports Center［J］.Spatial Structures，2011，17(3):328-332.

［9］Sun Peng-cheng，Zhou Zhi-hua，Xia Ying.Simulation study on natural ventilation of buildings［J］.Journal of Harbin Institute of Technology(New Series)，2007，14(Sl):30-33.

［10］Jiru Teshome Edae1，Bitsuamlak Girma Tsegaye.Application of CFD in modelling wind-induced natural ventilation of buildings-A review ［J］.International Journal of Ventilation，2010，9(2):131-147.

［11］Zhang Yu-feng，Zhao Rong-yi.Overall thermal sensation，acceptability and comfort［J］.Building and Environment，2008，43(1):44-50.

［12］閆鳳英，王新華，吳有聰.基于CFD的室內(nèi)自然通風及熱舒適性的模擬 ［J］.天津大學學報，2011，17(3):328-332.Yan Feng-ying，Wang Xin-hua，Wu You-cong.Simulation of interior natural ventilation and thermal comfort based on CFD ［J］.Journal of Tianjin University，2011，17(3):328-332.

［13］Meng Qing-lin，Li Qiong，Zhao Li-hua，et al.A case study of the thermal environment in the airport terminal building under natural ventilation［J］.Journal of Asian Architecture and Building Engineering，2009，8(1):221-227.

［14］Fu Ji-yang，Wu Jiu-rong，Liang Shu-guo.Wind tunnel testing of wind pressures on a large gymnasium roof［J］.Journal of Central South University of Technology:English Edition，2011，18(2):521-529.

［15］Jones J，West A W.Natural ventilation and collaborative design ［J］.ASHRAE Journal，2001，43(11):46-51.

［16］Bady Mahmoud，Kato Shinsuke，Takahashi Takeo，et al.Experimental investigations of the indoor natural ventilation for different building configurations and incidences［J］.Building and Environment，2011，46(1):65-74.