國(guó)家體育場(chǎng)項(xiàng)目自然通風(fēng)效果模擬分析

1、國(guó)家體育場(chǎng)項(xiàng)目自然通風(fēng)效果模擬分析清華大學(xué)陳玖玖李先庭中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院丁高李瑩工程概況國(guó)家體育場(chǎng)坐落在北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，俗稱(chēng)“鳥(niǎo)巢”，是北京2008年奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)，承擔(dān)開(kāi)幕式、閉幕式和田徑、足球決賽等活動(dòng)和賽事。國(guó)家體育場(chǎng)占地20.4萬(wàn)平方米，建筑面積25.8萬(wàn)平方米，長(zhǎng)333m，寬298m，高69m。其中地下3層，地上7層。國(guó)家體育場(chǎng)觀眾席的通風(fēng)設(shè)計(jì)采用自然通風(fēng)方式，體現(xiàn)了“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”的宗旨。除3、4層以外的區(qū)域，包括觀眾席等處都充分利用場(chǎng)地的出入通道作為自然通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口。由于國(guó)家體育場(chǎng)采用的是自然通風(fēng)，因而在保證熱安全的情況下，體育場(chǎng)的正常使用和觀眾區(qū)的熱

2、舒適是最需關(guān)注的問(wèn)題。本文的目標(biāo)是，針對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬的手段，對(duì)其在典型夏季條件下的比賽區(qū)和觀眾區(qū)的自然通風(fēng)效果(氣流速度和溫度)進(jìn)行模擬分析，得到各處的溫度、速度等相關(guān)的數(shù)值模擬結(jié)果;并對(duì)以上計(jì)算結(jié)果采用熱安全性和熱舒適性?xún)煞N指標(biāo)對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)自然通風(fēng)的效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在本次分析中，采用的商用CFD計(jì)算程序是PHOENICS。物理模型及計(jì)算首先對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)進(jìn)行了物理建模。設(shè)定計(jì)算區(qū)域?yàn)?40mx360mx90m的方型區(qū)域，將體育場(chǎng)置于計(jì)算區(qū)域中心。為了模擬自然通風(fēng)下體育場(chǎng)內(nèi)部的氣流組織，將計(jì)算區(qū)域的各個(gè)面均設(shè)為相對(duì)壓力為0Pa的邊界，通過(guò)體育場(chǎng)內(nèi)的

3、人員和燈光發(fā)熱與外部產(chǎn)生熱壓，從而形成空氣流動(dòng)。因?yàn)槟M的是2008年奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式當(dāng)晚的自然通風(fēng)效果，因而，我們把計(jì)算區(qū)域的各個(gè)面和場(chǎng)外空間的空氣溫度設(shè)為25°C。本文只考慮純熱壓下自然通風(fēng)的不利工況。由于國(guó)家體育場(chǎng)的外形及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況非常復(fù)雜，所以必須其進(jìn)行簡(jiǎn)化。體育場(chǎng)外部結(jié)構(gòu)在對(duì)自然通風(fēng)口無(wú)阻擋的情況下，可以不予考慮?？磁_(tái)部分按照實(shí)際情況簡(jiǎn)化成為上、中、下三層，在忽略其形狀上的細(xì)節(jié)后，以簡(jiǎn)單的圓和直線組合成計(jì)算用的模型，其XYZ方向的尺寸為342.7mx266mx46.5m。第一層和第二層看臺(tái)之間的空間是流動(dòng)的最主要入口。外圍三、四層為設(shè)有恒溫空調(diào)的封閉區(qū)域，在模型簡(jiǎn)化的過(guò)程中

4、以一個(gè)24C恒溫的圓環(huán)代替;對(duì)于第三層看臺(tái)的馬鞍形形狀用平面代替，忽略了看臺(tái)表面的座椅以及階梯，統(tǒng)一處理成平面。看臺(tái)上的各個(gè)出入口均按照實(shí)際的尺寸給出，忽略出口處的形狀細(xì)節(jié)。體育場(chǎng)頂部的形狀采用簡(jiǎn)單的圓和直線組合而成，忽略其馬鞍形的形狀，根據(jù)其頂部的通透面積占整個(gè)面積的比例，建模時(shí)將頂部部分面積挖空，成為空氣流動(dòng)的通道。圖1為簡(jiǎn)化后國(guó)家體育場(chǎng)的物理模型。同時(shí)，我們將整個(gè)看臺(tái)上部垂直高度2m內(nèi)的空間作為熱源區(qū)域，包括觀眾發(fā)熱720萬(wàn)W和燈光照明輻射熱50萬(wàn)W，熱量均勻分布;比賽區(qū)域內(nèi)設(shè)定50萬(wàn)W的熱源作為開(kāi)幕式時(shí)人員發(fā)熱量，熱源在XY方向的尺寸為130mx95m。圖1國(guó)家體育場(chǎng)物理模型計(jì)算結(jié)果及

5、討論圖2是體育場(chǎng)沿Z軸方向的中心面溫度場(chǎng)剖面圖(Y=180m)。其中，暖色調(diào)為溫度較高的區(qū)域，冷色調(diào)為溫度較低的區(qū)域?？梢钥吹?，由于體育場(chǎng)的形狀基本對(duì)稱(chēng)，所以溫度場(chǎng)也呈對(duì)稱(chēng)。我們關(guān)注的比賽區(qū)和觀眾區(qū)由于人體散熱，溫度較高，其周?chē)R近區(qū)域內(nèi)的溫度均維持在31°C左右。圖3是體育場(chǎng)比賽區(qū)的溫度橫剖面圖(Z=1.5m)，這是比賽區(qū)人員活動(dòng)平均高度。由圖可見(jiàn)，比賽區(qū)溫度比周?chē)鷧^(qū)域溫度高，是因?yàn)殚_(kāi)幕式的時(shí)候比賽區(qū)有大約5000位演員及運(yùn)動(dòng)員，其發(fā)熱量較大，但總體而言，比賽區(qū)溫度仍低于33C，可以為人員接受。圖4、5分別是下觀眾區(qū)(Z=3m)、上觀眾區(qū)(Z=28m)典型斷面的溫度場(chǎng)情況。由圖可見(jiàn)

6、，觀眾區(qū)溫度較體育場(chǎng)中間部分溫度要高，這是由于觀眾是很大的熱源，觀眾區(qū)周?chē)目諝獗患訜幔詼厣黠@。但總體來(lái)看，觀眾區(qū)溫度仍低于32C，可以為人員接受。Miarti毬2中心面溫度場(chǎng)剖面圖(Y=10Onn)圖3比賽區(qū)溫度場(chǎng)(z=1.5m>為了對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)自然通風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文選用了濕黑球溫度WBGT(Wet-Bulb-GlobeTemperature)作為熱安全性評(píng)價(jià)指標(biāo);在保證人體不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱條件而導(dǎo)致受到熱損傷的基礎(chǔ)上，選用標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET(StandardEffectiveTemperature)作為考察自然通風(fēng)形式下人體熱舒適的指標(biāo)。圖12是體育場(chǎng)中心面WBGT剖面圖(Y=

7、180m)。其中，暖色調(diào)為溫度較高的區(qū)域，冷色調(diào)為溫度較低的區(qū)域，陰影部分為體育場(chǎng)的模型。從圖可以看出中層觀眾區(qū)的WBGT指標(biāo)比較高，因而截取中觀眾區(qū)橫截面(Z=14m)WBGT的分布，如圖13所示?？紤]到奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式時(shí)人們的著裝(0.5clo)，在休閑狀態(tài)下(代謝率M<117W/m2)，相應(yīng)的人體安全WBGT限值為3233°C。由圖可見(jiàn)，無(wú)論比賽區(qū)的演員還是看臺(tái)的觀眾區(qū)，WBGT最高為29C，體育場(chǎng)各處WBGT均低于32C，這表明，從熱安全角度出發(fā)，體育場(chǎng)在開(kāi)幕式時(shí)候，其自然通風(fēng)可以保證人體不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱條件而導(dǎo)致受到熱損傷，即是安全的。在保證熱安全的情況下考查體育場(chǎng)的熱舒適狀

8、況。圖14是體育場(chǎng)中心面SET剖面圖(Y=180m)。由圖可見(jiàn)，本文關(guān)心的比賽區(qū)和觀眾區(qū)SET的最小值約為26.1C，按照ASHRAE里對(duì)SET的規(guī)定，把計(jì)算結(jié)果按5C一檔進(jìn)行劃分，其中SET=2530C，熱感覺(jué)為中性，舒服，生理正常，健康狀態(tài)正常;SET=3035C，感覺(jué)暖和，不舒服，脈搏不穩(wěn)定。由圖可見(jiàn)，比賽區(qū)和觀眾區(qū)的SET在30-35C檔，從熱舒適角度感覺(jué)偏熱。圖15是中觀眾區(qū)(Z=14m)典型斷面的SET分布情況。由圖可見(jiàn)，SET的分布和溫度場(chǎng)很類(lèi)似，且總體而言，我們關(guān)心的比賽區(qū)和觀眾區(qū)SET在30C左右，偏熱。但是由于本文模擬分析中將比賽區(qū)和觀眾區(qū)的人體當(dāng)作熱源塊，沒(méi)有考慮單個(gè)人體

9、周?chē)臒嵊鹆?，?shí)際上，人體周?chē)锌諝饬鲃?dòng)，且此時(shí)人員感受到的是室外自然風(fēng)，這會(huì)改善人員的熱感覺(jué)，故實(shí)際情況下人員的熱感覺(jué)總體較舒適，可以接受。結(jié)論由前述的模擬和分析可見(jiàn)，在典型夏季條件下，國(guó)家體育場(chǎng)采用自然通風(fēng)能基本滿(mǎn)足要求：1.觀眾區(qū)和比賽區(qū)溫度較高，其周?chē)R近區(qū)域內(nèi)的溫度均維持在31C左右。比賽區(qū)溫度低于33C，觀眾區(qū)溫度仍低于32C，均可以為人員接受；2比賽區(qū)的風(fēng)速普遍較小，在0.5m/s左右，完全滿(mǎn)足開(kāi)幕式時(shí)的演出要求，可以接受。觀眾區(qū)風(fēng)速逐層增加;各出入口通道風(fēng)速較大，是外界空氣進(jìn)入體育場(chǎng)形成空氣流動(dòng)的主要入口通道;頂部中心出口處風(fēng)速較大，是體育場(chǎng)自然通風(fēng)的主要出口；3. 采用自然通

10、風(fēng)能保證人均新風(fēng)量；4. 從熱安全角度出發(fā)，體育場(chǎng)在開(kāi)幕式時(shí)候，其自然通風(fēng)可以保證人體不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱條件而導(dǎo)致受到熱損傷，即是安全的；5. 從熱舒適角度出發(fā)，比賽區(qū)和觀眾區(qū)稍嫌熱，但是考慮單個(gè)人體周?chē)目諝饬鲃?dòng)，以及人此時(shí)所感受到的是室外的自然風(fēng)，故人員的熱感覺(jué)總體較舒適，可以接受。綜上，國(guó)家體育場(chǎng)的自然通風(fēng)效果較好，能滿(mǎn)足要求。本文考慮了純熱壓情況下的自然通風(fēng)情況，為不利工況，對(duì)于風(fēng)壓下的有利工況，自然通風(fēng)的效果將更好，能滿(mǎn)足要求。圖10下觀眾與中觀眾區(qū)通道速度場(chǎng)(Z=9m)圖11頂部速度場(chǎng)(Z=66m)磯ml圖14中心面SET剖面圖(Y=180m)圖15中觀眾區(qū)SET(Z=14m)S.6中心

11、面速度場(chǎng)剖面圖:為二1旳m扣圖7比賽岡速度場(chǎng)(Z=1.5m)囤懇下觀介區(qū)速度場(chǎng)(Z=3m)圖9下觀點(diǎn)區(qū)速度場(chǎng)局部戰(zhàn)知圖6為中心面速度場(chǎng)的剖面圖(Y=180m)。其中，暖色調(diào)為速度較高的區(qū)域，冷色調(diào)為速度較低的區(qū)域?？梢钥吹?，由于體育場(chǎng)的形狀以及結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱(chēng)，所以速度場(chǎng)也基本對(duì)稱(chēng)。圖7是比賽區(qū)的速度橫剖面圖(Z=1.5m),由圖可見(jiàn)，比賽區(qū)的風(fēng)速普遍較小，在0.5m/s左右，完全滿(mǎn)足開(kāi)幕式時(shí)的演出要求，可以接受;同時(shí)，主入場(chǎng)通道風(fēng)速較大，說(shuō)明在熱壓作用下，外部空氣通過(guò)通道進(jìn)入體育場(chǎng)內(nèi)，形成了自然對(duì)流。圖8是下觀眾區(qū)(Z=3m)典型斷面的速度場(chǎng)情況。由圖可見(jiàn)，下觀眾區(qū)的風(fēng)速較小，在0.5m/s左右，可以為人員接受。為了仔細(xì)考查入口處的流動(dòng)情況，我們對(duì)圖8紅色圈出部分做了局部放大，如圖9所示。可以清楚的看到，外部空氣通過(guò)入口處進(jìn)入體育場(chǎng)，且風(fēng)速較大，這是因?yàn)橛^眾區(qū)發(fā)熱量較大，而進(jìn)風(fēng)口只有5個(gè)主要通道，所以大量的空氣從此涌入，導(dǎo)致入口通道風(fēng)速較大。圖10是下層觀眾區(qū)和中層觀眾區(qū)之間通道(Z=9m)的斷面速度場(chǎng)。由圖可見(jiàn)此通道