北京某羽毛球场馆空调气流组织设计方案.docx

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1工程概况
羽毛球竞赛属于小球竞赛,场馆的空调设计不但要满足温湿度的要求,更重要的是必需满足竞赛场地对风速要求。依据相关设计标准及标准的要求,竞赛场地地面以上9米区域内,[1],这就给空调系统设计及其运行提出了很大的难题。目前国内外大多数羽毛球场馆的做法是,竞赛时将空调系统关掉,以防影响竞赛。
北京XxX羽毛球场馆(图1)是为2023年北京奥运会而建设的室内体育场,主要功能是羽毛球与艺术体操用体育馆,总建筑面积24383m2,空调面积20230m2。竞赛大厅是体育馆的核心,包括竞赛场地和观众区,观众区围绕竞赛场地四周布置,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。
竞赛大厅空调设计参数
表1所示的是竞赛大厅的竞赛区和观众席的空调设计参数。
空调方式
空调设计方式为全空气式二次回风系统,观众席座椅下送风,上侧回风。即,整个场馆分东、南、西、北四个区域,分别由12台组合式空调机组将处理好的空气通过风道系统送至四个区域观众席位下的构造风腔,利用构造风腔的静压箱作用(各区的构造风腔彼此独立),并在构造风腔上面的观众席位下开设了9100个风口,并利用可调整旋流风口送风。回风口设在场馆四周的中间层()和上层()。
图2为场馆内气流组织设计示意图。观众席承受座椅下旋流风口送风,集中回风。竞赛场地空调通过座位送风气流的涌流,来到达空调降温的目的。由图可见,构造风腔设计是否合理,是否真正能起到静压箱的作用,是确保场馆内气流组织到达设计要求的重要影响因素。
竞赛大厅气流组织数值模拟与分析
竞赛大厅是体育馆的核心局部,也是空调作用的重点。而竞赛大厅的气流组织处理,是实现大厅人工环境要求的最主要手段。为了考察空调系统设计的气流组织能否实现,本文利用计算流体力学技术(CFD),对场馆内设计工况下的气流组织进展了数值计算。并对可能存在的问题进展了分析。
数学物理模型
承受CFD计算软件PHOENICS(2023)进展计算,湍流模型承受标准的 模型。把握方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及 方程与式。
通用的把握方程为:
式中, 为通用变量,代表 等求解变量; 为密度; 为速度矢量; 为广义集中系数; 为广义源项。
湍流粘性系数
对把握方程离散求解时承受有限容积法,动量方程承受穿插网格,集中项的离散承受迎风与中心相结合的一阶精度混合格式(HybridScheme),解方程的方法为SMPLE算法。
考虑到竞赛大厅根本上是对称构造,为简化计算,仅计算大厅的1/4区域的速度场、温度场。计算区域及其物理模型如图3所示。
计算条件
(1)按分层空调考虑,非空调区域(顶棚)温度设为42℃,其余壁面设为绝热边界条件;(2)内部发热量(包括人体、灯光)按计算区域内的考虑;
(3)旋流风口送风均匀,,送风温度20℃;(4)排风口设在顶棚,排风量为124000m3/h;
(5)回风口分别布置在大厅四周的中部()和上层()区域处,集中回风。(设大气压P=100000Pa)。
计算结果分析
图4a)和b)所示的是X=-Z截面的速度场和温度场分布。从图中可以看出,依据设计条件,假设能保证观众席座椅下9100个旋流风口均匀送风,则能够满足空调系统的设计设计要求。即,。竞赛区域的温度23℃左右,观众席区域的温度在22℃~24℃之间,℃。
可以看出,构造风腔能否起到静压箱的作用,是确保9100个旋流风口均匀送风的重要影响因素之一,同时也是保证竞赛大厅的温度场和速度场满足设计要求的关键所在。
构造风腔气流组织优化
存在问题分析
构造风腔作为静压箱,其几何特性和箱体的进出口特性是影响静压分布均匀性的重要因素。为此,本争辩选择较为简单的南区对应的构造风腔作为分析对象。图5a)为图2a)中对应观众席下构造风腔的X-Y平面,I-I断面为对称面。对应构造风腔X-Y平面的斜上方观众席上开设了大量直径为Φ=130mm的送风口(图5c))。从图5可见,从送风口1、2流进构造风腔的空气流经通道上,有几道梁柱,且外形、大小不一,这些构造构件都导致了构造风腔气流安排不均匀,很难形成静压箱的作用,进而导致各送风口送风不均匀。图6所示的是图5a)中阴影区域构造风腔内三个不同高度上的速度场计算结果,也说明白构造风腔内的气流
分布很不均匀,送风口四周的气流速度很大,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。
鉴于分析和数值计算的推测结果,为了进一步确认数值计算结果,协作施工,对整个南区构造风腔内气流的实际流淌状况进展了验证性检测。
现场实测
表2是对南区构造风腔内气流的现场实测结果,实测结果与上述推测分析结果根本全都。各区的风量安排与设计所需要的风量相差很大,区1、区2、区9的风量远大于设计的风量,而其它区的风量均小于设计值。区1和区2、区9距离送风口最近,而其它区依次远离送风口,说明在空气在经送风口进入构造风腔内后,快速衰减,气流没有力量到达距离送风口的最远端。需要将区1和区2及区9的气流进展诱导,使其能到达远端,保证各区风量安排能够到达设计要求,使得各旋流风口送风的均匀。
构造风腔气流组织设计优化
设计方案改进与实施
依据现有构造风腔存在的气流安排不均匀,各送风口送风量偏差较的问题,本争辩提出了改善构造风腔内部气流分布特性的设计方案。主要思路是,依据数值计算及现场实测结果,通过在构造风腔内加设风管的方法,重安排构造风腔内各区域的风量及速度。
依据以上对构造风腔速度场的计算和现场测试,利用CFD技术对构造风腔气流组织进展了优化设计,提出了如图7所示的优化方案并完成了实施工作。即在构造风腔内沿气流方向加设风管系统,以改善构造风腔内的气流压力分布,以保证整个区域内的压力分布均匀,最终实现各旋流风口的送风均匀。
实施结果评估
依据上述优化方案对构造风腔的送风系统实施改造后,座椅下各旋流风口空气流淌特性得到了明显的改善。笔者对实施改造后的空气流淌状况进展了现场实测,图8是南区构造风腔各旋流风口位置示意图及风速测试结果。分A~I共9个区域(对应构造风腔内的区1~区9),每个区域在各排风口上选一个代表风口进展风速测试,从图7的实测结果看,各个区域的旋流风口风速分布较为均匀,到达了设计预期的速度场要求。
场馆竞赛场地速度场实测
2023年9月7日~11日,国家空调设备质量监视检验中心对羽毛球场馆竞赛大厅内竞赛场地的速度场进展了检测。
图9是竞赛区域(含三个竞赛场地)测点布置平面示意图。×,(图中绿线区域),长度方向()测点之间间隔为6m,宽度方向();测试高度选择了1m、、、。图9标出了第1列、第4列、第8列测点在五个高度上的速度值。
依据国家空调设备质量监视检验中心的报告,竞赛区域气流速度(9m以下)~,,测试280个点中,有225个测点满足设计要求,%,。