基于通风窗高度的自然通风体育馆室内空气品质性能模拟研究.pdf
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1、017237|2023|12建筑学表 1体育馆通风窗工况模型图 1通风窗高度对通风率的影响引言“健康中国”战略背景下,体育建筑作为全民健身公共服务体系的关键组成部分,为人民群众增强体魄、健康生活提供了重要物质环境和服务保障。但是2020年初,新冠肺炎疫情暴发后,为降低病毒传播风险,具有人员聚集性特征的公共体育场馆暂停一切活动,直至2021年8月国务院颁布重点场所重点单位重点人群新冠肺炎疫情常态化防控相关防护指南(2021年8月版)1(下称指南)才将体育场馆纳入常态化管理,成为有序恢复开放的最后一批公共空间。空间尺度大、人员密集导致的体育场馆空气品质管控难题是导致这一结果的原因之一。目前,新冠肺
2、炎疫情的影响虽已减弱,但体育场馆空气品质的健康调控仍值得关注。指南中建议:为防控疫情,体育场馆应“确保有效通风换气。定时开窗通风,保持室内空气流通”。自然通风以其不消耗化石能源、通风量大、换气效率高的优势,在各种空气调节方式中成为体育场馆重新开放后的“首选”。但是体育馆空间高度高、进深大,自然通风遇到的空气阻力较强,且比赛场地、观众看台等主要活动区均位于高大空间底部,距离通风口较远,自然通风的有效性需要进一步分析。近年来,国内外学者通过优化建筑形体2,3、空间布局4,5等参数,研究如何提高大空间建筑的自然通风效率。但是,对于已建成体育馆,施工快、成本低的立面改造是提高自然通风性能的方法路径,且
3、具备更强的可行性。增加通风窗面积6,改变开启扇形状7对自然通风气流运动的影响已得到充分分析,但是对通风口位置的相关研究仍然较少。因此,本文采用CFD数值模拟方法,以通风率、换气次数以及主要功能空间空气龄作为评价指标,通过比较通风窗高度对体育馆室内空气品质的影响,为体育馆形态设计及运行过程中通风窗布局的调节应变提供建议。1研究对象本研究选择4500座中等规模体育馆为基础模型,运动场地选型为3654m的多功能II型场地,在考虑看台疏散、视线设计、运动净高等工艺要求的前提下,最终呈现为“64m边长的正方形平面、20m建筑高度、中轴对称”的体育馆几何模型。体育馆比赛大厅侧窗主要位于固定看台后部侧墙,可
4、开窗范围较大,且布局方式灵活。本研究选择边长为 22m 的正方形窗作为窗扇,在进风侧及出风侧分别设置 20 个通风口,并设置不同窗台高度,各工况几何参数见表 1。各工况通风口总面积满足 ASHRAE 62.1-2016 中规定的双侧通风建筑最低窗摘要:运用 CFD 模拟方法,以通风率、换气次数、主要功能空间空气龄为自然通风性能评价指标,为体育馆形态设计及运行过程中通风窗高度的调节应变提供建议。研究发现,虽然改变通风窗高度对体育馆通风率的影响较小,但显著改变了进风口入射气流方向,并进一步改变了主要功能空间的空气龄分布。Abstract:The influence of opening heigh
5、ts on natural ventilation performance in gymnasia are investigated through CFD simulation methods,using volume flow rate,air changes per hour and local mean age of air as the evaluation indicators.It is shown that opening heights have small impacts on the air exchange rate of the gymnasium but signi
6、ficant influences on the air age distribution in the occupied spaces.关键词:自然通风;体育馆;通风窗位置;室内空气品质Keywords:natural ventilation;gymnasia;opening positions;indoor air quality基金项目:国家自然科学基金青年项目(项目编号:52008393)文程征中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院副教授许程骞西安交通大学硕士研究生谢芳灵中国石油大学(华东)张培峰中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院高级实验师(通讯作者)DOI:10.19875/ki
7、.jzywh.2023.12.006Indoor Air Quality Investigation in Wind-driven Natural Ventilated Gymnasia with Various Opening Heights基于通风窗高度的自然通风体育馆室内空气品质性能模拟研究地比 4%的要求。本研究以通风率、换气次数与主要使用空间空气龄作为衡量体育馆自然通风效率的主要依据。选取 A、B、C 三个截面作为数据采样点。其中,由于运动场地使用人群多为站姿,因此 A 截面为距离运动场地地面 1.5m 高度处水平面;看台区观众多为坐姿,因此截面 B 为距离看台区地面 1.2m 高度
8、处斜面;C1、C2 截面为体育馆进深方向垂直截面,C1 靠近体育馆中心且通过进出风口,C2 位于体育馆边缘在通风口水平范围之外,二者对比以全面探讨体育馆内不同位置的气流运动特性。2研究方法研究采用 Starccm+17.02.007 软件对自然通风体育馆的室内空气品质特性进行CFD模拟。模拟采用Realizable k湍流模型并引入外部计算域。模型迎风截面的建筑阻截度为 4%,满足JGJ/T309-2013 建筑通风效果测试与评价标准中小于或等于 5%的要求。网格划分选择多面体网格。网格生成过程中从外部计算域到建筑通风窗逐渐加密(图 1)。本文 8 个工况均使用相同的边界条件。其中,出口边界采
9、用压力出流边界;计算域的侧界面与上界面设定为对称边界;地面及建筑表面设定为光滑墙体;计算域入流边界采用速度入口,风速设置为梯度风,以 2.5m/s 作为 10m 高度处参考风速值,地面粗糙度取值为 0.228。3研究结果3.1通风窗高度对通风量的影响根据疫情后最新修订的ASHRAE 62.1-2022标准中对体育馆最低通风率的建议9计算本研究基础模型需要满足的最低通风率为19.7m3/s。以此为参考值(100%),图1比较了不同通风窗高度对体育馆自然通风量的影响。研018究发现,各工况通风率均远远超过最低要求,且换气次数均高于“荷兰室内运动空间指南(Guidelines for Access
10、Indoor Sports Accommodations)”10中对体育运动空间6次/小时的换气次数建议。其中,通风率最低的工况为窗台高度2.1m的H3,通风率达到最低通风率要求的608.27%;通风率最高的工况为窗台高度0.1m的H1,通风率达到最低要求的618.35%。随着窗台高度的加高,换气次数呈现先降低再升高的趋势,但总体差异较小。3.2通风窗高度对纵深方向风场的影响图 2 比较了体育馆纵深方向垂直截面 C1、C2 气流风速云图,发现在四个工况中,窗台高度最低的工况 H1的入射气流在康达效应(Coanda Effect,一种流体靠近表面时,由于粘性作用而沿着表面流动的现象)的作用下,形
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