Full-scale measurement and study of non-isothermal air flow pattern in a gymnasium

1 研究背景 　　 　　体育馆比赛大厅的气流组织，一直是体育馆类大空间建筑设计的一个难点。而气流组织的好坏直接影响到运动员的水平发挥和比赛成绩，因而比赛大厅气流组织是整个体育馆空调设计的关键。 　　目前国内在进行体育馆空调气流组织的研究中，普遍采用模拟实验研究和数值模拟研究，尚缺乏大规模的现场实测研究。究其原因，主要为以下三点：第一，由于受现场条件和测试仪器的影响，测量数据不易测准；第二，体育馆属大空间建筑，测试区域面积及高度均较大，因而测点难以布置；第三，由于进行实测的空调系统已投入运行，因而各种测试工况无法全部满足；此外，还需要投入相当的人力与时间，以及存在着测试时的协调配合等问题。 　　然而现场实测研究有其必要性，现场测试是在实际运行情况下进行的，其所得出的各种数据均是真实数值，这是任何模拟研究所无法比拟的。不仅可以发现并提出空调系统中的实际问题，而且也可为模拟实验积验证数据，用以改进模拟研究的准确性。因而，现场实测是进行大空间气流组织研究的重要组成部分。 　　在这种背景下，笔者对北京一大型体育馆比赛大厅非等温工况下的气流组织进行了较为详细的实际测量，积累了相当的实测数据，为今后体育馆的空调设计与研究提供基础材料。 　　 2 工程简介 　　 　　该馆为北京第11亚运会正式比赛馆，建筑面积25300m2，比赛大厅83 m × 70 m，其中比赛场地70 m × 40 m，大厅中部高度为17.5 m，南北最低处高度为12.5 m。观众席总数为5748个，其中固定座位4668个，活动座位1080个。比赛大厅空调采用全空气系统低速风道集中送风，南北看台采用机部向下送；场地和东西看台采用侧面喷口送风（一般情况下采用大喷口，乒乓球、羽毛球比赛时采用较小的旋流风口），两部分分别设集中空气处理机组。比赛大厅空调设计参数为：夏季室内温度27℃，相对湿度65%；冬季室内温度16℃，相对湿度40%[1]。 　　 3 测试介绍 　　 　　本次测试于2000年7月进行，测试时间内室外平均气温为32.7℃。 　　测量的内容为在非等温送风状态下，比赛大厅内部的气流组织状况。本次研究的现场实测是在该体育馆比赛大厅东南的场地（包括比赛区和观众席，41.1m×35m）上进行（图1为比赛大厅概貌），较为详尽地描述了该馆的气流组织状况。由于本次测量的目的主要是为了反映描述非等温工况下的气流组织特性，因此，我们把重点放在了温度场的测量上。 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 体育馆比赛大厅概貌 　　 　　该馆采用将比赛场地与观众席分区进行空调的气流组织形式。测试时间段内，比赛场地东部为喷口侧送，负责该区空调的空调机组送/回风温度经测定分别为23.0℃/26.5℃；观众席为空场情况，南看台东部为旋流风口加散流器上送，负责该区空调的空调机组送/回风温度经测定分别为22.1℃/25.5℃。 　　在空间布点上，我们利用了馆内顶棚下的检修马道，沿马道在大厅的东南部区域共布置了10组测点（图2中双线圈编号处），每组测点用4～5个温度计测量不同标高的温度值，高差为2m（如图3所示）。考虑到场地上有运动员进行训练活动，经过与馆内工作人员协商，为不影响运动员的正常训练，因此在场上的最低测点高度定在距地8m处。 　　 　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　测点布置平面 　　 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　测点布置剖图 　　 　　温度测量采用RHLOG智能型温度自计仪。这种仪器体积小、质量轻、可以预先设定记数的起始时间，定时对目标环境温度进行自动测量，并把测量保存在内部存储器中，不需人工记录，非常适合于在大空间的布点测量。将一组自记式温度计悬挂在事先准备好的线上，由测试人员从检修马道垂下，温度计按照预先设定的起止时间进行读数并自动记录。待测试完毕后，测试人员将温度计取下，并将数据传入电脑进行处理。

此外，还对比赛场地和观众席的人员活动区域（图2中所有编号处）进行了风速和温度的实际测量。所采用的仪器为RH-31A型数字式风速/风温测量仪。在测点的选择上，除了与空间布线的测点相对应以外，还在比赛场地和观众席的几个具有代表性的位置进行了测量，比较全面地反映了比赛大厅内部的热状况。
　　图4、图5为放线悬挂自记式温度计的照片。其中图4为比赛场地上空的一组测点，从图中可以较为明显地看到为场地送风的侧送射流喷口；图5为观众席上空的一组测点，从图中也可以较为明显地看到为观众席送风的上送旋流风口。
　　　　　 　　　　　　　
　　　 　　　　 图4　东看台上空测点布置　　　 　　　 　　　 　　　 　　 图5 南看台上空测点布置

4 测试分析
　　
　　4．1 工作区
　　4．1．1 比赛场地
　　场地距地2m处平均温度为25.1℃，最高25.7℃，最低24.9℃，如图6所示。可以看出，场地的分布均匀。测试时场地上人员较少且热源分布比较平均，这种情况与实际比赛时情况很接近，可以断定，在实际比赛时，是可以满足运动员对场地温度的要求的。
　　 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 比赛场地工作区温度
　　
　　但测试结果显示场地的风速不够平均，比赛场地距2m处平均风速为0.65m/s，最主0.8 m/s，最低0.3 m/s，如图7所示。在进行篮球比赛时，场地风速可以达到0.5 m/s，而实测的平均风速为0.65 m/s，是偏大的。因为比赛场地采用喷口侧送形式，所以场地人员活动区域的风速比较不均匀。设计者在考虑进行乒乓球等小球比赛时，场地送风口由喷口切换为旋流风口，这样可以加快送风气流扩散，使场地上风速有所减小。
　　 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 比赛场地工作区风速
　　
　　4．1．2 观众席
　　观众席座位处平均温度为25.3 ℃，最高26.2℃,最低24.4℃（见图8）。由于测试时观众席为空场情况，因而我们主要对其温度场地均匀性进行一些分析。由测试结果可见，观众席温度的均匀不及比赛场地，这是由于两方面的原因：第一，观众席测点之间存在高度差造成的温度梯度；第二，观众席送风较多，存在着风量调节不平均的问题。
　　　　　　　　　　　　 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8　观众席温度
　　
　　观众席最高温度点出现在第15号测点。由图2可知，该测点们于东看台上部，由于东侧看台观众人数较少，因而设计者在设计时将该区与比赛场地合并在一起进行空调。由侧送喷口送风，看台前部侧下回风，这种气流组织形式造成了看台上部形成涡旋死角，得热较难排除，温度升高。这种气流组织死角通常热湿环境较差，是在设计中需要避免的。
　　图9为观众席座位处风速实测值，最高1.2 m/s，最低0.5 m/s，。可以看出：观众席风速普遍高于比赛场地，平均风速为0.79 m/s，但对于观众席来说，特别是考虑到因观众看激烈比赛而情绪高涨时，这种风速是完全可以接受的。
　　 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9 观众席风速
　　
　　观众席风速最大点出现在第2，3号测点，风速分别达到了1.2m/s和1.13 m/s。由图2可知，这两点位于南看台前排，基本上处于比赛场地射流送风区域和观众席旋流风口上送区域的交界处，其气流流形较为复杂，因而风速偏高的可能性较大。
　　在实际有观众观看比赛的情况下，会产生相当大的人员发热量，在大空间建筑中，热空气上升会造成上下温度判别增大、上部温度升高；在体育馆建筑中，则会产生后排观众席温度高于前排的情况，使得后排观众席热环境较差。设计者为了抵消这种温度梯度带来的负面结果，按照相反的梯度进行观众席设计温度的取值，后排设计温度稍低而前排稍高，以此改善后排观众的热舒适环境。
　　在本次测试中，还对南侧看台前后排观众席平均温度的温度梯度进行了比较。由于测试是在空场的情况下进行的，看台上的负荷同有人员是热产生的部分。结果显示，从第二排观众席座位处至最后一排（第18排），其温度值依次减小，温度差为1.15℃，垂直温度梯度达到-0.18℃/m(如图10所示)。对观众席采用不同的设计温度参数，这是一个非常有意义的尝试，值得在体育馆空调设计中参考。
　　 　　 　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10 南看台观众席平均温度

　　4．2 非工作区
　　4．2．1 比赛场地上空
　　对比赛场地上空平均温度的温度梯度的比较见图11。由图11可知，其温度梯度随高度的增加呈增大的趋势。距地8～12m内的垂直温度梯度为0.04℃/m，而距地14～16m内的垂直温度梯度达到0.62℃/m。由测得的场地距地2m处的平均温度25.1℃，可以计算出比赛场地内总的垂直温度梯度为0.20℃/m，由于测试条件与实际较为接近，因而这是一个基本上能够代表实际情况的数值。
　　 　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图11 比赛场地上空平均温度
　　
　　4．2．2 观众席上空
　　南侧看台观众席上空平均温度的温度梯度如图12，13所示。由于现场条件所限，只对测点1，2，3，4，5进行了垂直温度梯度的测量（见图12），其中测点1至4位于观众席前部，比垂直温度梯度特点比较接近于比赛场地上空的情况。
　　 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图12 观众席上空侧点1～4平均温度
　　 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图13 观众席上空侧点5平均温度
　　
　　图13为测点5的温度垂直分布情况，可以看出，其垂直温度上升趋势并不明显，且其温度梯度也较小，为0.13℃/m。由于观众席采用风口上送风形式，风口位于标高12m处，明显看出，11m处测点温度值最低，为25.2℃。采用上送风形式破坏了这种温度梯度的形成，在风口位置与观众席较近的情况下，其空调效果是比较好的。
　　

5 结论
　　
　　本馆采用观众席与比赛场地分区进行空调的形式，比赛场地采用喷口侧送（在进行乒乓球等小球比赛时切换至旋流风口侧送），观众席为旋流风口加散流器上送，回风为场地四周及观众席集中回风。从测试结果来看，所有区域的温度是比较令人满意的。场地内温度均匀一致，但风速偏高。
　　本次测试中有关比赛场地的情况与实际比赛情况比较一致，测试数据基本上能够反映在同等工况下的气流特性。在体育馆类大空间建筑中，其垂直温度梯度随高度的增加而呈增在的趋势，在距场地地面16m以下的空间内，比赛场地内的平均垂直温度梯度为0.20℃/m。
　　本馆采用分区空调的方式，可以灵活地满足比赛场地和观众席的不同需要。
　　在观众席采用上送风方式，对观众席前后排分别使用没的送风参数，使后排观众席的设计温度比前排稍低。这种设计方法，可以抵消一部分因热空气上升使后排观众席温度升高的不利影响。设计温度的垂直梯度-0.18℃/m可以作为参考，其效果的大小还有待于在有观众的情况下做进一步的实测研究，但其设计思想无疑值得今后在同类空调设计中借鉴。在东侧看台上部观众席实测温度较高，热环境较差。这是因为该区与比赛场地合并在一起进行空调，使得该区域形成气流组织死角，得热较难排除。这种气流组织死角通常热湿环境较差，是在设计中需要避免出现的。
　　需要指出的是，该馆在进行小球比赛时，将喷口送风切换为旋流风口送风，以满足比赛对风速的严格要求。而这种小风速情况下温度场及速度场分布，对今后的设计与研究工作将更有参考意义。但由于现场运行的条件所限，尚未进行旋流风口送风工况下的测试，这项工作还有待于今后进行。
　　
参考文献
　　
　　1 曹越，体育馆空调制冷设计中的一些问题，暖通空调，1991，21（5）。<!-- #EndEditable