综合性体育馆自然通风利用综述

时间：2024-09-03

赵福云申广刘科君徐颖寇广孝王汉青

湖南工业大学土木工程学院

0 引言

随着体育事业的发展，体育馆的高速建造，体育场馆的能耗问题也越来越引起了人们的重视。体育馆是一种比较特殊的公共建筑类型，从规划设计到环境、建筑设计均具有多方面特征，自然通风的基本原理只有与体育馆特点相结合，才能产生与之相适应的、行之有效的生态设计方法。这就要求设计者必须坚持体育馆整体设计模式的提出应有利于自然通风，同时也应依据模拟信息对传统、即定设计模式进行反思和修正.经过多次反复才能将自然通风的基本原理与体育馆的具体特征紧密结合，从而达到事半功倍的效果[1]。

在体育馆自然通风方面，国内外学者进行了相关的研究工作，但从已发表的有关文献来看，大部分采用计算机模拟技术[2-4]，基本停留在针对具体工程的分析上，缺乏对自然通风形式进行整体评价的研究成果。因此，本文总结综合性体育馆自然通风利用，并提出未来的研究方向，为今后的实际工程设计提供参考。

1 综合性体育馆自然通风设计利用情况

1.1 热压作用下的自然通风

体育馆由于其高大、宽阔的空间格局，可以形成一个利用热压作用的自然通风，使体育馆看台区域满足人体舒适度要求；因体育馆其人员主要集中于四周的看台上，则在场馆看台形成一个大的热源，使场馆看台区域的温度远高于上部区域及室外温度，根据自然通风的热压原理，热气流上升，并通过上部百叶扩散至室外，由于上部空气流动带动看台下冷空气补充到场馆内，使看台区域温度大大降低，且冷空气由室外进入场馆，可以充分稀释场馆内污浊空气环境，改善场馆微环境。

为了保证空气流动不受外界风压影响，上部排风百叶设成下倾40°（与水平面夹角），起到挡风避雨的功效，且不影响内部气流组织；因场馆下部有相关配套功能和座位遮蔽，以及场馆进深较大，可避免因形成穿堂风所致的气流组织紊乱，故下部进风百叶呈水平安装[5]。表1为热压通风的利用情况。

表1 热压通风的利用情况

1.2 水体的降温设计下的自然通风

水体的利用是改善体育馆自然通风的另一主要方法。可在其上风向设计人工水体，通过蒸发作用对主导风进行降温。徐州中国矿业大学综合性体育馆位于徐州市西南部云龙湖风景区的南湖校区内，在体育场馆的北部有云龙湖，夏季主导风东北风经过云龙湖被降温，在一定程度上可改善体育场馆室内外的风环境[7]，因此在体育馆的上风向方向设计了一个较大面积的人工水池[8]，当夏季主导风吹过水面时可对风有一定程度的降温作用。

1.3 风压作用下的自然通风

风压通风就是利用建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通。当风吹向建筑时，因受到建筑的阻挡，会在建筑的迎风面产生正压力。同时，气流绕过建筑的各个侧面及背面，会在相应位置产生负压力。表2为风压通风的利用情况。

表2 风压通风的利用情况

1.4 风压和热压相结合作用下的自然通风

在建筑的自然通风设计中。风压通风与热压通风往往是互为补充、密不可分的。一般来说，进深较大的部位则多利用热压来达到通风效果，而在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风，上海交通大学体育馆在进深较小的训练馆、附属用房利用风压直接通风，而位于中间部分的比赛厅则更多的依靠“烟囱效应”进行自然通风。体育馆属于大空间建筑，只使用风压通风或热压通风都不足以保持优良的室内风环境，而将两者巧妙的结合能发挥出的效果，是适用于该地区的最佳通风方式[9]。

1.5 机械辅助式自然通风

在一些大型建筑中，由于通风路径较长，流动阻力较大单纯依靠自然风压与热压往往不足以实现自然通风。而对于空气污染和噪声污染比较严重的城市，直接的自然通风还会将室外污浊的空气和噪声带入室内，不利于人体健康。在这种情况下，常常采用一种机械辅助式的自然通风系统。该系统有一套完整的空气循环通道，辅以符合生态思想的空气处理手段（如土壤预冷、预热、深井水换热等），并借助一定的机械方式加速室内通风，如地道风降温系统的自然通风。

地道风系统一般分为两个步骤：一是使空气与地道进行换热以冷却或加热空气；二是利用设备完成空气与建筑物的换热。济源一中新校区体育馆[10]周边有运动场和绿地，在用地上具备使用地道风系统的条件，进行了地道通风，初投资比当地常规集中空调系统造价低57万元，建成后电力消耗和设备维护费用大大节省，对环境没有污染。总体来说，这项技术原理简单、造价廉价又能有效节约能源。

1.6 不同气候地区自然通风利用

中国不同气候地区的自然通风利用情况见表3。

表3 各地区体育馆自然通风利用

2 综合性体育馆自然通风潜力统计

自然通风潜力（Nature Ventilation Potential，NVP）是指仅依靠自然通风就可确保有可接受的室内空气品质和室内热舒适的潜力[14]。自然通风是风压和热压共同作用的结果，文献[15]在计算自然通风潜力时综合考虑风压和热压的影响，结合各地区典型气象参数TMY数据，计算得到各地区各月份的自然通风有效小时数如表4和图1。

表4 各地区自然通风有效小时数（h）

图1 各地区自然通风年有效百分比

从图1中可以看出，各地区自然通风月有效小时数，其总和一般占全年总时间的20%～40%左右，各地区的自然通风利用潜力排名如下：成都、广州、西安、南京、北京、乌鲁木齐、哈尔滨。室外气象参数是影响自然通风潜力的主要因素，以上计算所需要的平均换气次数大多在20～30次/h，所以体育馆合理的建筑设计必须达到上述换气次数。

3 综合性体育馆自然通风面临的主要问题

3.1 比赛区域气流速度的控制问题

在比赛区进行小球（如乒乓球、羽毛球）比赛时，对场地的风速要求是非常苛刻的。通常要求进行乒乓球比赛时，比赛区地面以上3 m以内，风速不得大于0.2 m/s；进行羽毛球比赛时，比赛区地面以上10 m以内，风速不得大于0.2 m/s[16]。但由于受场地限制，送、回风口无法布置在比赛区，因此，场地风速很难控制。

3.2 比赛区与观众区的分区问题

比赛区和观众区使用功能的不同决定了两区的环境设计参数不同。分区可以尽量减少两区气流的掺混。这个问题在游泳馆里表现的尤为突出，游泳馆中普遍存在着池区与观众区分区效果不好的问题。观众区温度偏高，观众入席后总处于高温高湿状态，感到非常闷热，有时甚至难以忍受。在国内尚没有有效的手段来解决该问题。

关于分区的方法，多年来国内外的学者进行了多方面的研究。英国W.P.Jones建议用玻璃或有机玻璃进行隔断，把游泳区和观众区机械地分为两个空间，以保持两区各自的温度场[17]。中国建筑科学研究院空调所在亚运会英东游泳馆空调方案的模型实验中，用塑料薄膜将两区隔开进行测试，完全达到了分区空调的要求[18-19]。然而，采用隔断方法容易受现场条件限制，因此实际工程中应用很少。采用空气幕隔断法进行分区空调，是一种比较可行的方法。德国慕尼黑奥林匹克体育中心游泳馆采用垂直空气幕隔断的方法，使池区和观众区的温差可达2℃。在亚运会英东游泳馆1:5的模型实验中，中国建筑科学研究院空调所进行了垂直空气幕隔断的实验研究。湖南大学环境工程系，以高大厂房等工业建筑为研究对象，进行了高大空间横向与纵向隔断气流的数值模拟方法研究，分析了横、纵向隔断气流的有关影响因素，获得了临界隔断状态的参数值[20]。

3.3 体育馆功能模式与空气调节关系

从表5[21]中可以看出，某英国体育馆正规比赛只占整个体育场全年活动的40%，另外60%为集会、庆典、展览等多功能活动；而像加拿大的多伦多天穹顶体育馆这类国外经营比较成功的体育设施，每年甚至可以举办超过200场次的各类活动，其中非比赛的活动也占据大部分比例。体育场馆的使用模式在不断变化，设计模式也随之改变。多功能的转变不仅对场地模式提出要求，同时对室内空气调节模式也提出了要求。室内空气调节由传统从服务于比赛模式的空调调节转变为服务于多种功能模式的自然调节为主、空调调节为辅相结合的综合调节（除去正式比赛之外，其他活动对于室内风速并没有严格要求）。因此，室内空气调节的自然化、生态化成为发展趋势之一。在亚热带气候条件下，体育馆对于自然通风的利用效率越高，对于空调依赖的程度越少，就越有利于节能和改善空气质量[22]。

表5 英国一座典型体育场馆每年可能的活动种类和场次

表6[23]显示体育馆自然通风的优缺点。中庭是最常见的功能是捕捉建筑自然通风和采光；风塔设备用于通风和冷却；捕风，近几十年来其可持续被动冷却和通风技术引起了研究人员的注意；风井，Herzog以某进深较大无法形成穿堂风大学场馆为例，通过将通风井高度延长一倍来对气流进行疏导，达到建筑的可持续性[24]，可以提高室内空气品质和热舒适性；烟囱简单有效，利用热浮力和风力加强自然通风；窗户不但可以照明还可以通风，同时可以利用集成自动控制更好的捕捉自然通风；双层玻璃幕墙，又叫可呼吸的墙，可以预热空气，提高室内的热舒适性，还不占空间。虽然自然通风有一些优势比较节省能源以及节省成本和空间对于暖通空调系统等机械，但也有一些缺点，如较低的控制和可靠性，减少空气处理的可能性，声学问题和安全问题[25]。

表6 体育馆自然通风的优缺点