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1、北京工业大学奥运会羽毛球场馆空调气流组组织设计方方案优化与与实施北京工业大大学 杨英英霞 陈陈超 任任明亮 果海凤中铁建设集集团有限公公司 倪真真 贾学学斌 余余振飞摘要：北京京工业大学学的羽毛球球场馆是北北京20008年奥运运会的新建建场馆之一一，由于羽羽毛球比赛赛场地对风风速要求非非常高，要要求地面以以上9米区域内内的风速不不大于0.2m/ss。为此，本本文利用计计算流体力力学技术（CCFD），对对场馆内设设计工况下下的气流组组织进行了了预测，根根据计算结结果，对有有可能影响响场馆内气气流组织的的观众席座座椅下的结结构风腔内内的送风方方式进行了了优化设计计，提出了了相应的修修改方案。现现场
2、实测结结果表明，比比赛场地的的速度场达达到设计要要求，满足足羽毛球比比赛场地风风速不大于于0.2mm/s的要要求。关键词：奥奥运会羽毛毛球场馆；0.2mm/s风速速；气流组组织；方案案优化；实实施1 工程概概况羽毛球比赛赛属于小球球比赛，场场馆的空调调设计不但但要满足温温湿度的要要求，更重重要的是必必须满足比比赛场地对对风速要求求。根据相相关设计规规范及标准准的要求，比比赛场地地面以以上9米区域内，风风速不得大大于0.22m/s1，这就给空空调系统设计及其运行提出了了很大的难难题。目前国内外外大多数羽羽毛球场馆馆的做法是是，比赛时时将空调系系统关掉，以以防影响比比赛。北京工业大大学羽毛球球场馆
3、（图1）是是为20008年北京京奥运会而而建设的室室内体育场场，主要功功能是羽毛球与与艺术体操操用体育馆馆，总建筑筑面积244383mm2，空调面面积200000 m2。比赛大厅厅是体育馆馆的核心，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个观众席位，其中固定席位5480个，活动席位2028个。 a）场馆外外立面图 b）场场馆内实景景图1 北京京工业大学学羽毛球场场馆1.1比赛赛大厅空调调设计参数数表1所示的的是比赛大大厅的比赛赛区和观众众席的空调调设计参数数。表1 温温、湿度设计计参数房间名称夏季冬季温度（）相对湿度（%）温度（）相对湿度（%）
4、比赛区26601830观众席256018301.2空调调方式空调设计方方式为全空空气式二次次回风系统统，观众席席座椅下送送风，上侧侧回风。即即，整个场场馆分东、南南、西、北北四个区域域，分别由由12台组组合式空调调机组将处处理好的空空气通过风风道系统送送至四个区区域观众席席位下的结结构风腔，利利用结构风风腔的静压压箱作用（各各区的结构构风腔彼此此独立），并并在结构风风腔上面的的观众席位位下开设了了91000个风口，并并利用可调调节旋流风风口送风。回回风口设在在场馆四周周的中间层层（8.447m）和和上层（113.033m）。图2为场馆馆内气流组组织设计示示意图。观众席采用座椅下下旋流风口口送风
5、，集集中回风。比赛场地地空调通过过座位送风风气流的涌涌流，来达达到空调降降温的目的的。由图可可见，结构构风腔设计计是否合理理，是否真真正能起到到静压箱的的作用，是是确保场馆馆内气流组组织达到设设计要求的的重要影响响因素。 a）南、北北区观众席席送风气流流组织示意意图 b）东、西区观众席席送风气流流组织示意意图图2 比比赛大厅气气流组织示示意图2 比赛大大厅气流组组织数值模模拟与分析析比赛大厅是是体育馆的的核心部分分，也是空空调作用的的重点。而而比赛大厅的的气流组织织处理，是是实现大厅厅人工环境境要求的最最主要手段段。为了考考察空调系系统设计的的气流组织织能否实现现，本文利利用计算流流体力学技技
6、术（CFFD），对对场馆内设计计工况下的的气流组织织进行了数数值计算。并并对可能存存在的问题题进行了分分析。2.1数学学物理模型型采用CFDD计算软件件PHOEENICSS（20006）进行行计算，湍流模型型采用标准准的模型。控制制方程包括括连续性方方程、动量量方程、能能量方程及及、方程与式。通用的控制制方程为： （1）式中，为通通用变量，代代表，等求解变变量；为密密度；为速速度矢量；为广义扩扩散系数；为广义源源项。湍流粘性系系数 （2）对控制方程程离散求解解时采用有有限容积法法，动量方方程采用交交错网格，扩扩散项的离离散采用迎迎风与中心心相结合的的一阶精度度混合格式式(Hybbrid Sch
7、eeme)，解解方程的方方法为SMMPLE 算法。考虑到比赛赛大厅基本本上是对称称结构，为为简化计算算，仅计算大厅的的1/4区域域的速度场场、温度场场。计算区区域及其物理模模型如图33所示。2.2计算算条件（1）按分分层空调考考虑，非空空调区域（顶顶棚）温度度设为422，其余壁壁面设为绝绝热边界条条件；（2）内部部发热量（包包括人体、灯灯光）按计计算区域内内的考虑；（3）旋流流风口送风风均匀，每每个旋流风风口送风量量8.222 m3/h，送风温度度20；（4）排风风口设在顶顶棚，排风风量为12240000 m3/h；（5）回风风口分别布布置在大厅厅四周的中中部（8.47m）和上层（133.03
8、mm）区域处，集集中回风。相对压力力为0.00Pa(设设大气压PP=1000000PPa)。a) 计算算区域平面面示意图 b) 计算区区域物理模模型图3 计算算区域示意意图2.3计算算结果分析析 图图4 a）和和b）所示示的是X=33.44m处Y-Z截面的的速度场和和温度场分分布。从图图中可以看看出，根据据设计条件件，如果能能保证观众众席座椅下下91000个旋流风风口均匀送送风，则能能够满足空空调系统的的设计设计计要求。即即，比赛区区域地面以以上9m以内区区域风速基基本可保证证小于0.2m/ss。比赛区区域的温度度23左右，观众席区区域的温度度在2224之间，整整个计算区区域的平均均温度为22
9、3.8。 可可以看出，结结构风腔能能否起到静静压箱的作作用，是确确保91000个旋流流风口均匀匀送风的重重要影响因因素之一，同同时也是保保证比赛大大厅的温度度场和速度度场满足设设计要求的的关键所在在。 a）速度场场 bb）温度场场图4 设计计工况X=33.44m处Y-ZZ截面的速速度场和温温度场3 结构风风腔气流组组织优化3.1 存存在问题分分析结构风腔作作为静压箱箱，其几何何特性和箱箱体的进出出口特性是是影响静压压分布均匀匀性的重要要因素。为为此，本研研究选择较较为复杂的的南区对应应的结构风风腔作为分分析对象。图图5a）为图图2a）中对对应观众席席下结构风风腔的X-Y平面，II-I断面面为对
10、称面面。对应结结构风腔XX-Y平面面的斜上方方观众席上上开设了大大量直径为为=130mmm的送风风口（图55c）。从从图5可见见，从送风风口1、22流进结构构风腔的空空气流经通通道上，有有几道梁柱柱，且形状状、大小不不一，这些些结构构件件都导致了了结构风腔腔气流分配配不均匀，很很难形成静静压箱的作作用，进而而导致各送送风口送风风不均匀。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。鉴于分析和和数值计算算的预测结结果，为了了进一步确确认数值计计
11、算结果，配配合施工，对对整个南区区结构风腔腔内气流的的实际流动动情况进行行了验证性性检测。 a）平面示示意图 b）I-I剖面图5南区结结构风腔结结构图图6 南南区结构风风腔速度场场分布3.2 现现场实测表2是对南南区结构风风腔内气流流的现场实实测结果，实实测结果与与上述预测测分析结果果基本一致致。各区的的风量分配配与设计所所需要的风风量相差很很大，区11、区2、区区9的风量量远大于设设计的风量量，而其它它区的风量量均小于设设计值。区区1和区22、区9距距离送风口口最近，而而其它区依依次远离送送风口，说说明在空气气在经送风风口进入结结构风腔内内后，迅速速衰减，气气流没有能能力达到距距离送风口口的
12、最远端端。需要将将区1和区区2及区99的气流进行诱导导，使其能能达到远端端，保证各各区风量分分配能够达达到设计要要求，使得得各旋流风风口送风的的均匀。表2 南南区结构风风腔气流分分配区域测试风量（mm3/h）各区风量占占总风量的的比例各区设计风风量（根据据旋流风口口数量）占占总送风量量的比例JK4-11送风口557744区112529922.5%6.5%区230519954.7%19.4%区30027.3%区4619811.1%29.7%区5（1）716712.8%17%区5（2）869218.5%17%区638368.2%29.7%区7659714.0%27.3%区844009.35%19.
13、4%区923491150%6.5%JK4-22送风口4701663.3 结结构风腔气气流组织设设计优化3.3.11 设计方案案改进与实实施根据现有结结构风腔存存在的气流流分配不均均匀，各送送风口送风风量偏差较较的问题，本本研究提出出了改善结结构风腔内内部气流分分布特性的的设计方案案。主要思思路是，根根据数值计计算及现场场实测结果果，通过在在结构风腔腔内加设风风管的方法法，重新分分配结构风风腔内各区区域的风量量及速度。根据以上对对结构风腔腔速度场的的计算和现现场测试，利利用CFDD技术对结结构风腔气气流组织进进行了优化化设计，提提出了如图图7所示的的优化方案案并完成了了实施工作作。即在结结构风腔
14、内内沿气流方方向加设风风管系统，以以改善结构构风腔内的的气流压力力分布，以以保证整个个区域内的的压力分布布均匀，最最终实现各各旋流风口的的送风均匀匀。 图7 南区区结构风腔腔空调送风风系统优化化方案3.3.22 实施结果果评估根据上述优优化方案对对结构风腔腔的送风系系统实施改改造后，座座椅下各旋流风口口空气流动动特性得到到了明显的的改善。笔笔者对实施施改造后的的空气流动动情况进行行了现场实实测，图8是南区结构风风腔各旋流风口口位置示意意图及风速速测试结果果。分AI共9个个区域（对对应结构风风腔内的区区1区99），每个个区域在各各排风口上上选一个代代表风口进进行风速测测试，从图图7的实测测结果看
15、，各个区域的的旋流风口风风速分布较较为均匀，达到了设计预期的速度场要求。图8 南区区结构风腔腔各旋流风风口出风速速度测试结结果4 场馆比比赛场地速速度场实测测2007年年9月7日日11日日，国家空空调设备质质量监督检检验中心对对北京工业业大学奥运运会羽毛球球场馆比赛赛大厅内比比赛场地的的速度场进进行了检测测。图9是比赛赛区域（含含三个比赛赛场地）测测点布置平平面示意图图。比赛区区域尺寸为为42.33 m 21.4 m，（图图中绿线区区域），长长度方向（42.33m）测点点之间间隔隔为6m，宽度方向向（21.4 m）测点之间间间隔为33.6m；测试高度度选择了11 m、2.5 m、4.5 m、6
16、.5 m和8.5 m五个高高度。图99标出了第第1列、第第4列、第第8列测点点在五个高高度上的速速度值。根据国家空空调设备质质量监督检检验中心的的报告，比比赛区域气气流速度（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面以上9米内的风速不得大于0.2m/s的速度要求。图9 比赛赛区域速度度场测点布布置及其实实测结果5 结论1）对于座座椅下送风风的空调送送风方式，结结构风腔的的压力分布布特性及其其气流流动动特性是否否合理，对对整个比赛赛大厅的气气流组织起起着至关重重要的作用用。根据笔笔者提出
17、的的结构风腔腔改进方案案改进后的的结构风腔腔可以起到到预期的静静压箱作用用，进而保保证了座椅椅下各旋流流风口送风风气流的均均匀性；2）国家空空调设备质质量监督检检验中心对对羽毛球比比赛场地速速度场的实实测结果表表明：在空调系统统满负荷运运行的条件件下，比赛赛场地地面面以上9米米区域内风速速不大于0.2m/ss，满足设设计要求。而而且20007年100月在该场场馆举行的的“好运北京京”国际羽毛毛球邀请赛赛，再次验验证了比赛赛场地速度度场是满足足国际比赛赛要求的。参考文献（1）曹越越体育馆馆空调制冷冷设计中的的一些问题题介绍绍国家奥林林匹克体育育中心综合合体育馆暖通空调调，19991（5）：35-38（2）邹声声华，李孔孔清风系系统中静压压箱特性的的研究及应应用建筑筑热能空调调，20002，5：65-67