第一章 前 言
1.1 课题背景和来源
对于一座现代化的体育馆，除了建筑外观美观大方室内空间宽敞，各种体育设施完备外，为了舒适和卫生，还要保持室内合适的空气温度、湿度、风速、噪声环境也是必不可少的，因此体育馆空调系统也是非常重要的。随着人们生活水平的提高，人们更加关注身体健康，人们越来越多的选择体育运动来健身，因此体育馆这类提供运动场所的建筑成了城市的重要公共建筑。
对于羽毛球馆，由于羽毛球属于小球比赛，其空调设计除了应该满足一般的舒适性外还必须满足比赛场对风速的要求。根据相关设计规范及标准的要求，比赛场地 10米区域内，风速不得大于 0.2m/s 。在能源紧张的背景下，加上对节能的要求，这对其空调设计带来了很大困难，很多羽毛球馆空调不能满足比赛时风速要求只能采取比赛时将空调系统暂时关掉，以免影响正常比赛。由于羽毛球馆建筑差异性较大，现阶段对于其空调系统的研究来看，基本上都是针对某个特定羽毛球馆的空调设计进行模型试验研究和数值模拟研究。很多著名体育馆空调设计取得了很大的成功，但是仍然有不少体育馆在比赛时只能暂时关闭空调系统，本课题就是在这一背景下提出的，即对天津商业大学风雨操场进行空调设计和室内环境特性研究。
1.2 国内外体育馆典型空调系统
1.2.1 国内典型体育馆空调系统
（1）北京北部奥林匹克体育馆设计者把比赛大厅空调区域分为两部分，分别为观众席和比赛场地。在观众席采用上送风形式送风，为顶部下送气流，中前部为旋流风口，后部为散流器下送，回风口分别布置在后排观众席顶上，前排观众席座位下、以及场地南北墙面上。在比赛区采用旋流风口与喷口交替侧送方式，大球比赛时为高速喷口送风，小球比赛时改为旋流口侧送，为更好满足风速要求，甚至可以采取暂时不送风方式。回风口布置在座位下和场地东西的墙面上。亚运会以后，对比赛场地的风速进行实测，结果能够达到使用要求。
(2)首都体育馆比赛大厅呈矩形布置，面积为 13000m2，可容纳观众 17000 人。送风采用顶棚条缝下送风和百叶侧送风互相切换使用的方式，两种方式由转换阀门进行切换调整，当进行一般体育比赛时，对风速的要求不太苛刻，采用百叶侧送风方式，当进行乒乓球和羽毛球等小球比赛时，则采用顶棚下送风方式。................
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第二章 风雨操场空调系统研究
2.1 体育建筑空调设计概述
2.1.1 体育馆建筑的空气调节特点
在空气调节方面体育建筑有不同于一般建筑的一些特点，如下：
（1）体育建筑的容积较大一般在 10000m3以上，顶棚高度均超过 10 米，属于高大空间建筑。室内观众和照明等向外散发的热量向上升，在顶棚下形成热梯度的空气层，空气卫生的需要，至少有 10—20%空调风量排至室外以置换新风，因此，空调所需的风量较大。
（2）由于照明和人员负荷比一般建筑较大，室内热湿负荷较大，如比赛大厅的照明负荷在比赛时，中小型体育馆的比赛场地为 50—70w/m2，大型体育馆可达100—200w/m2，比赛大厅总的冷负荷可达 230—580w/m2。
（3）体育馆大多采用高大框架结构，从建筑结构考虑，为了减轻荷载，通常采用轻型结构材料，围护结构传热系数较高，又因顶棚和墙壁的外表面积大，因此室外气象条件对室内影响较大，围护结构传热量大，壁面自然对流换热明显，在室内易形成沿壁面的气流，还可能形成大范围的自然对流。
（4）比赛大厅比赛时，除了在冬季场预热时送热风外，都要空调消除预热量，春秋季时为节能要考虑 100%利用室外新风的可能性。
（5）观众区和比赛区的要求有很大不同，比如观众区只要能保证舒适性条件就达到要求，而比赛区更重要的是要满足体育项日对温度、湿度和风速的要求。
（6）比赛大厅一般都是高大空间建筑，在大厅内的垂直方向温度梯度较大，温度分层且空调区域偏下，上部可视为开放空间。
（7）送、回风口位置设置限制较多，很难布置在空调区域内，尤其是在比赛区。
2.1.2 体育馆建筑室内空调设计参数特殊要求
目前我国对综合性体育馆建筑的空调设计参数尚无统一明确标准和规定，因此只能按卫生标准和比赛项目的要求，适当参照国外标准规范和手册的规定结合我国具体情况和已建成体育馆的经验加以确定。
综合性体育馆在进行乒乓球和羽毛球等小球比赛时，对场地的风速要求更加严格，一般要求气流速度全年不得超过 0.2m/s。文献中提出:“乒乓球、羽毛球比赛场地(地面以上 3 米以内)的风速限制在 0.15m/s 以内”。香港体育馆设计规定“乒乓球、羽毛球比赛时的最大气流速度为 0.1m/s 一般活动时的最大气流速度为 0.25m/s”。
我国国家体委在建设亚运会体育场馆的设计任务书中要求为“:体育馆在进行羽毛球比赛时，地面以上 10 米以内，风速不超过 0.2m/s；在进行乒乓球比赛时，地面以上 3 米以内，风速不超过 0.2m/s”。...................
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第三章 风量计算及气流组织...................................................................................16
3.1 送风量与送风状态点的确定 ............................................................................... 16
3.2 新风量的确定 ....................................................................................................... 17
3.3 比赛大厅常用气流组织形式 ............................................................................... 17
3.4 羽毛球馆气流组织 ............................................................................................... 18
3.5 风道的设计及水力计算 ....................................................................................... 18
3.5.1 风管设计内容 .................................................................................................... 18
3.5.2 风管设计原则 ................................................................................................... 18
3.5.3 风管的选择 ........................................................................................................ 19
第四章 比赛大厅气流组织模拟....................................................................................21
4.1 预测气流组织预测方法及 CFD 方法的优势和意义 ........................................ 21
4.2 模拟软件 ............................................................................................................... 21
4.3 羽毛球馆的数值模拟 ........................................................................................... 23
4.3.1 羽毛球馆几何模型 ............................................................................................ 23
4.3.2 生成网格 ........................................................................................................... 23
4.3.3 边界条件 ............................................................................................................ 24
4.3.4 湍流模型选择 .................................................................................................... 25
4.4 送风射流分析 ....................................................................................................... 26
4.5 模拟结果的分析和处理 ....................................................................................... 27
4.6 改进后模拟结果 ................................................................................................... 30
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结论和展望
本文对天津商业大学风雨操场空调进行了空调设计，在设计中应用 CFD 技术对羽毛球馆气流组织进行了模拟预测，并准对结果反馈对空调系统设计气流组织部分做了一些修正，是 CFD 技术在实际工程中一次有益尝试，证明其在工程应用中很有应用价值。在设计和模拟过程中得出以下结论：
（1）本次设计改进后空调系统能够很好满足羽毛球馆对气流组织的要求。
（2）对风雨操场空调设计加入使用 CFD 模拟，增加了设计步骤，及设计的流程和思路有一些调整，该思路和流程有助于提高实际工程实际质量。
（3）一些经验射流公式在局部能验证是 CFD 模拟的准确性，因此间接验证模拟结果准确性，弥补工程应用中不能用实验验证的缺陷。
在设置体育场人员边界条件时，使用的是恒壁温 37℃的边界条件，运动员和观众湿负荷不能区分，因此模拟时人员散热会引起一些误差，由于规范中逐时计算参数为考虑到建筑热惰性等因素，使输入热量不等于其计算冷负荷，因此模拟可能与实际产生偏差。 此为不足之处，对于其进一步研究还可从能耗方面进行进一步分析，如使用 DeST 能耗模拟软件对其进行能耗分析，从能耗方面通过科学舒适性评价标准进行评价，则能对该空调系统更多角度评价分析，得出更全面的结论。
由模拟结果分析，比赛场送风速度可以再降低一些则效果更佳，另外在比赛中调整百叶风口叶珊方向使风口扩散角增大，加快风速的衰减或在大厅场未达到最大容纳人数时关闭一两个距离比赛场地较近的风口，使比赛场地能完全满足比赛要求，则该方案能更好满足设计要求。
以上分析可知虽然该方案有些细节需要进一步改进，调整比较小，不必要再进行模拟，调整后方案能够满足设计要求，对于第二种备选方案不如该方案节能效果更好，因此可以确定该方案为最佳方案。根据该方案绘制施工图及其说明，完成天津商业大学风雨操场空调系统设计任务。
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