周艷瓊，李 晉，唐松林

1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641

2.空軍廣州工程設(shè)計(jì)室，廣東 廣州 510052

過(guò)去，體育場(chǎng)館主要用于進(jìn)行體育訓(xùn)練及舉行賽事，隨著體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，慢慢地體育場(chǎng)館開(kāi)始變成多功能復(fù)合化的綜合體，兼具競(jìng)技、觀演、展覽的功能。有研究表明，在冬季和夏季，可控的自然通風(fēng)建筑物有很高的舒適度和很好的空氣質(zhì)量。有學(xué)者將純自然通風(fēng)的大廳與全機(jī)械系統(tǒng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)通風(fēng)的大廳進(jìn)行了模擬比較，結(jié)果顯示受控自然通風(fēng)比熱回收系統(tǒng)具有更好的性能[1]?？梢哉f(shuō)，自然通風(fēng)對(duì)于調(diào)節(jié)室內(nèi)微氣候是一種十分常見(jiàn)且有效的被動(dòng)技術(shù)，對(duì)于體育建筑這種大空間建筑的節(jié)能是十分有利的[2-6]。

未來(lái)的體育建筑的設(shè)計(jì)需要應(yīng)對(duì)不斷變化的氣候條件和靈活多變的使用需求，因而良好的自然通風(fēng)控制以及各種調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)熱環(huán)境的主動(dòng)手段協(xié)同就非常重要。同時(shí)，自然通風(fēng)有利于室內(nèi)廢氣的排出和新風(fēng)的引入，能夠給場(chǎng)館帶來(lái)足夠的新鮮空氣，改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，同時(shí)良好的通風(fēng)環(huán)境還能夠改善室內(nèi)熱環(huán)境，提高人群的熱可接受度。文章選擇了廣東藥科大學(xué)體育館作為實(shí)測(cè)室內(nèi)風(fēng)熱環(huán)境的對(duì)象，研究體育建筑的實(shí)際自然通風(fēng)效果。

1 實(shí)測(cè)對(duì)象概況

廣東藥科大學(xué)（大學(xué)城校區(qū)）體育館位于廣州中心城區(qū)東南的小谷圍島廣東藥科大學(xué)大學(xué)城校區(qū)教學(xué)區(qū)內(nèi)。該體育館分為1個(gè)主館和1個(gè)訓(xùn)練館，此次實(shí)測(cè)對(duì)象為主館，主館南北長(zhǎng)約92m、東西長(zhǎng)約72m。主體育館整體形態(tài)呈北高南低狀，屋面為桁架結(jié)構(gòu)支撐的單坡屋面，南北均有屋檐出挑。體育館個(gè)立面采用了豎向長(zhǎng)條形的窗戶設(shè)計(jì)，屋面采用階梯形橫向天窗。室內(nèi)最低處約11m、最高處約20m。主館為籃球館，并劃分有羽毛球場(chǎng)地，可滿足正式的籃球、羽毛球比賽及日常訓(xùn)練使用。全館配有4968座，屬于中型體育館，曾作為2010年廣州亞運(yùn)會(huì)的排球館。廣藥體育館采用自然通風(fēng)結(jié)合機(jī)械通風(fēng)的機(jī)制，在實(shí)測(cè)期間完全采用自然通風(fēng)模式來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)微氣候。廣藥體育館外觀及總平面圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 廣藥體育館外觀

圖2 廣藥體育館總平面圖

2 室內(nèi)微氣候?qū)崪y(cè)方案

廣藥體育館室內(nèi)微氣候的實(shí)測(cè)時(shí)間為2020年11—12月，每周進(jìn)行2d，實(shí)測(cè)時(shí)間處于過(guò)渡季，正是廣州地區(qū)自然通風(fēng)潛力最大的季節(jié)。選取的測(cè)試點(diǎn)共5個(gè)（見(jiàn)圖3），分別設(shè)置在東、西、南、北四個(gè)方向的窗戶處（E、W、S、N）及運(yùn)動(dòng)區(qū)中心點(diǎn)（M），高度為距地面1.2m。之所以4個(gè)測(cè)試點(diǎn)不在各個(gè)方向的中點(diǎn)，是因?yàn)楸毕蛑胁吭O(shè)置有播音室和電視發(fā)送室，東西兩個(gè)入口的門平時(shí)因?yàn)楣芾碓蚨P(guān)閉，因而4個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置有所調(diào)整。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)布置1臺(tái)testo480主機(jī)、1個(gè)風(fēng)速探頭、1個(gè)室內(nèi)空氣質(zhì)量探頭。實(shí)測(cè)獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)有各個(gè)點(diǎn)的空氣溫度、濕度、風(fēng)速。實(shí)測(cè)期間體育館正常開(kāi)放，開(kāi)放時(shí)間段為10：00～15：00，實(shí)測(cè)期間無(wú)體育賽事，有籃球和羽毛球運(yùn)動(dòng)員正常訓(xùn)練。

圖3 實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果與CFD模擬結(jié)果比較分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

各測(cè)試點(diǎn)風(fēng)速對(duì)比見(jiàn)圖4，南北向與東西向平均風(fēng)速對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖4 各測(cè)試點(diǎn)風(fēng)速對(duì)比圖

圖5 南北向與東西向平均風(fēng)速對(duì)比圖

廣州地區(qū)過(guò)渡季室外主導(dǎo)風(fēng)為北風(fēng)及東北風(fēng)，從圖4可看出，N向、E向、W向的通風(fēng)窗自然通風(fēng)情況良好，而S向通風(fēng)窗和場(chǎng)地中心區(qū)自然通風(fēng)的效果一般。從圖5可看出，實(shí)測(cè)期間，體育館N向、E向、W向通風(fēng)窗的平均風(fēng)速分別為0.31m/s、0.61m/s、0.44m/s，人員可以明顯感覺(jué)到空氣流動(dòng)；S向通風(fēng)窗處的平均風(fēng)速為0.17m/s，空氣流動(dòng)較微弱；位于運(yùn)動(dòng)區(qū)的M點(diǎn)平均風(fēng)速為0.09m/s，靜止?fàn)顟B(tài)下，幾乎感覺(jué)不到空氣流動(dòng)。

從圖5可看出，體育館進(jìn)深方向（南北向）的自然通風(fēng)動(dòng)力不足，由于建筑進(jìn)深較大，場(chǎng)館南區(qū)的風(fēng)速衰減明顯；場(chǎng)館中部是下沉式的場(chǎng)地，只有4個(gè)出入口，導(dǎo)致通風(fēng)不暢，難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓通風(fēng)；體育館開(kāi)間向（東西向）的自然通風(fēng)狀況較好，由于體育館東西向采用了迎向主導(dǎo)風(fēng)向的傾斜構(gòu)件設(shè)計(jì)，有導(dǎo)風(fēng)的作用，因此過(guò)渡季東西向可以很好地引入自然通風(fēng)。廣藥體育館采用了可開(kāi)合天窗的設(shè)計(jì)，由于管理原因，屋頂天窗在實(shí)測(cè)期間并未打開(kāi)，這也是導(dǎo)致場(chǎng)館中部通風(fēng)不暢的原因之一。

實(shí)測(cè)還比較了各測(cè)點(diǎn)的平均溫度，N、S、E、W、M點(diǎn)的平均溫度分別為25.08℃、25.84℃、25.13℃、25.60℃、25.18℃。可以看出，南北向溫度差為0.76℃，由于南北向的測(cè)點(diǎn)在不同的高度上，可以反映出體育館在垂直方向的溫差較大，具有采用熱壓通風(fēng)的潛力，而東西向溫差為0.47℃，在整個(gè)實(shí)測(cè)期間場(chǎng)館保持在一個(gè)較為舒適的溫度范圍。實(shí)測(cè)還同時(shí)對(duì)場(chǎng)館內(nèi)的運(yùn)動(dòng)人群進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱舒適性研究，超過(guò)80%的實(shí)測(cè)人員對(duì)于體育場(chǎng)館運(yùn)動(dòng)區(qū)域的環(huán)境感到舒適。這說(shuō)明，采用自然通風(fēng)手段的體育館可以保持一個(gè)良好的熱舒適性。

3.2 模擬結(jié)果分析

此次室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬采用CFD軟件Airpak，根據(jù)實(shí)測(cè)情況可知北側(cè)及東側(cè)的風(fēng)速最大，因此將北側(cè)及東側(cè)設(shè)為進(jìn)風(fēng)口，西側(cè)、南側(cè)及天窗為出風(fēng)口。CFD模擬的主館內(nèi)自然通風(fēng)情況見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 主體育館1.5m處風(fēng)速分布圖

圖7 主體育館垂直方向風(fēng)速分布圖

由圖6可知，主館內(nèi)1.5m處的風(fēng)速較小，越靠近場(chǎng)館中心風(fēng)速趨近于0m/s，這與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。場(chǎng)館四周高中間低，中心點(diǎn)距離各處通風(fēng)窗都較遠(yuǎn)，風(fēng)壓通風(fēng)、熱壓通風(fēng)的動(dòng)力均不足，因此此處幾乎沒(méi)有氣流流動(dòng)。

由圖7可知，天窗可以提高室內(nèi)自然通風(fēng)效果，從而改善高處的觀眾席區(qū)的通風(fēng)狀況。同時(shí)，還可以看出整個(gè)場(chǎng)館從北到南風(fēng)速衰減程度很大，這是因?yàn)橹黟^南北向進(jìn)深較大，風(fēng)壓通風(fēng)的路徑較長(zhǎng)，導(dǎo)致氣流經(jīng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入場(chǎng)館之后迅速衰減，使南向北向風(fēng)速相差較大。實(shí)測(cè)期間場(chǎng)館的天窗并未打開(kāi)，使得實(shí)際的通風(fēng)效果與模擬的狀況有所差異。

4 結(jié)論

體育館的北向、東向、西向的通風(fēng)窗平均風(fēng)速較大，分別為0.31m/s、0.61m/s、0.44m/s，南向的通風(fēng)窗平均風(fēng)速為0.17m/s，場(chǎng)館運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)?.09m/s。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在過(guò)渡季，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)及東北風(fēng)的情況下，迎向主導(dǎo)風(fēng)向的通風(fēng)口北向及東向的平均風(fēng)速較大；南向通風(fēng)口由于自然通風(fēng)路徑較長(zhǎng)的原因，此處的風(fēng)速也較小，而下沉式的場(chǎng)館運(yùn)動(dòng)區(qū)域幾乎無(wú)空氣流動(dòng)感。

在體育建筑設(shè)計(jì)策略應(yīng)用上，有三個(gè)方面的策略可以考慮：一是建筑布局上可以考慮迎向主導(dǎo)風(fēng)向布置，因地制宜，提高室內(nèi)的通風(fēng)量和換氣次數(shù)；二是在形體上進(jìn)行考慮，采用迎向主導(dǎo)風(fēng)向的非對(duì)稱形體及在主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面及背風(fēng)面設(shè)計(jì)通風(fēng)口，并在屋面開(kāi)天窗等手段，促進(jìn)自然通風(fēng)；三是通風(fēng)口的設(shè)計(jì)上，需要考慮其大小、構(gòu)造形式及角度，同時(shí)針對(duì)下沉式場(chǎng)地自然通風(fēng)動(dòng)力不足的情況，可以考慮增加一些主動(dòng)設(shè)備促進(jìn)排風(fēng)換氣，增加整個(gè)場(chǎng)館的舒適度。