【摘要】大空间体育馆因其内部空间巨大，功能复杂，机械密集，能耗巨大，如何充分利用自然采光和自然通风是体育馆建筑节能的关键问题。本文以西安某高校体育馆为例，从影响建筑物理环境的建筑朝向、自然采光和通风这些被动式节能措施入手，引入建筑性能分析和优化软件（Ecotect），针对典型体育场馆热环境进行模拟分析与实际测量。对其不足之处提出优化的设计建议，为正在运营的体育馆提供节能优化设计方案。

【关键词】体育馆；被动式；模拟与实测；节能技术

1.研究目的

随着可持续发展在20世纪末期越来越得到各国的共识，生态建筑观也引起了人们广泛的关注。体育建筑因其内部空间巨大，功能复杂，机械密集，如果在生态技术策略上出现错误，就可能成为"能耗大户"，造成巨大浪费，因此必须重视这类大空间建筑能耗利用及组成情况的研究。本文以体育馆的建筑能耗组成情况、建筑节能措施潜力及其建筑节能设计为研究方向，以大量调研和模拟数据为研究对象，通过专门的建筑性能分析和优化设计软件（Ecotect Analysis）对体育馆的建筑布局、自然通风、自然采光等方面进行模拟分析，将分析数据与实际测试的数据相对比，寻求可供推广的最优化体育馆被动式可持续建筑节能设计方案。

2体育馆被动式节能技术模拟应用分析

2.1 模拟对象基本概况

本文选取西安市某体育馆为模拟对象，该馆设计于2004年，建成于2006年。该体育馆的外墙采用的是300厚陶粒混凝土砌块，外作保温层，其传热系数为0.38W/（m·K）；屋面网架部分采用的是带保温层的铝合金屋面板，传热系数为0.47W/（m·K），作为平台部分屋面的保温层采用了100厚的苯板，其传热系数为0.39W/（m·K）。窗户采用单框双层中空塑钢窗，其传热系数为2.9W/（m·K）。

3.2 自然通风

体育馆主馆呈矩形形态，通过Ecotect软件模拟获得体育馆主馆南、北外墙风压分布图（如图1、2所示）。由图可以看出，在西安地区主导风向下，主馆迎风面的南面与背风面的北面可以形成约4Pa的压差，为室内自然通风创造充足的动力。

2.陕西省体育局常规课题（项目编号：12098）

由图1、2可以看出，室外流场的速度随高度的增加而增加，而水平压力随高度的增加而减少。另外，从模拟结果可以看出各朝向外墙的压力分布直接受风向影响，从南向北呈递减趋势；南侧外墙高度在 18m 以下部分呈较大正压，最大正压接近 11N/m2，最小正压约为 2.6 N/m2，北侧基本均负压，虽然高度在 18m 以下和以上两个部分压力有一定差距，但这两部分各自的压力分布较为均匀，18米以下部分压力大小在 0N/m2～-2.6 N/m2之间，18m 以上部分压力大小在-6N/m2～-9N/m2之间。

在进出风口的选择方面，根据建筑表面风压模拟结果，在处于正压区的南向立面和屋顶布置可开启通风窗，将风引入室内。根据设计要求，自然通风措施主要是在春秋两季采用，因此分别针对这两个季节的气候特点进行通风模拟。出风口在北立面的檐口下，出风口选择在倾斜屋顶的高端一侧，使热空气沿倾斜屋顶上升排出室外。主馆内自然通风Ecotect模拟如图3所示.

从图3可以看出，南立面上下2层外窗是主要进风通道，窗口处风速接近1.0 m/s，通风窗口下部的座位区也可以获得较为理想的自然通风，平均风速达到0.6 m/s，人员可以感受到空气流动；而在下沉式比赛场地周围没有明显的进风通道，形成"盆地效应"，该区域风速相对较低，平均风速低于0.2m/s，人员几乎感受不到空气流动；在主馆北部区域，由于场馆进深过大，空气流动动力不足，风速衰减较为明显，北部座位区平均风速也不足0.2 m/s，自然通风效果不显著。

2.3 自然采光

采光口的布置形式可分为集中式和分散式，本文在开窗面积相同的情况下分别对两种形式进行了模拟，由模拟结果的数据统计表（见表1）可以看出虽然两种形式的照度最小值均大于300 lx，但照度均匀度U2均小于0.5，不能满足体育馆的日常训练要求。分散式布置比集中式布置照度分布更均匀，并且集中式布置存在眩光的可能性较分散式大，所以分散式布置更接近体育馆的要求。

本文对采光口大小的研究针对在顶界面开设分散式采光口。本文分别选取了天窗面积与场地面积之比分别为0.2，0.3，0.4，0.5，0.6进行了模拟。比赛厅的各项参数如表2所示。

从中可以发现，当天窗面积与比赛场地面积比值为0.3时，照明均匀度U2已经大于0.5，能够满足日常训练的要求，并且当天窗面积与比赛场地面积比值接近0.5时，照明均匀度U1大于0.4，U2大于0.6，照度最小值大于500lx，能够满足专业训练和业余比赛的要求。

3.1 自然通风测试结果

在主馆内南、北、东、西4个区域进行风速测量，测试结果如图4所示。由图4可以看出，主馆内南区、东区和西区风速相对较高，而北区和比赛场地则基本处于静风状态。测试期间，多为南风，南向外窗是主要的进风口，而东、西向外窗可以作为主要的出风口，而在场馆北侧区域尽管也有外窗开口但由于空气流动路程太长，因此北侧区域的空气流速相对较低。而在比赛场地，空气在场地内较难流动，形成"盆地效应"，造成这种下沉式的比赛场地几乎无法有效利用自然通风。主馆自然通风测试结果与模拟结果基本一致，表明传统下沉式的体育馆容易在比赛场地形成"盆地效应"，造成场地通风不畅，无法有效利用自然通风改善此处热舒适水平。

3.2室内热环境测试结果

采用湿球黑球温度作为室内热环境测试对象，受仪器限制，重点测量了南侧座位区的湿球黑球温度指标，如图5所示。

在国际标准ISO7243中对不同新陈代谢率的人员所处环境的湿球黑球温度限值进行了规定，观众在静坐时新陈代谢率为58.2 W/m2，则湿球黑球温度上限值为30℃，而现场湿球黑球温度测试结果表明：测试时间段内，观众区湿球黑球温度指标均小于30℃，处于热安全范围。

4 结论

体育馆被动式可持续建筑节能优化设计是一个结合多工种、各种设计关系相互协调的复杂过程。本文只是针对西安某体育馆建筑节能系统中的被动式节能设计中最常采用的自然采光和自然通风两个方面进行了优化设计，优化的目标就是在体育馆的运营过程中所消耗的建筑总能耗最少。对体育馆的模拟与实测结果表明：

（1）作为主要进、出风口的东、南和西窗附近区域风速较大，平均风速分别为0.30 m/s、0.39 m/s和0.60 m/s，而北窗附近平均风速为0.08 m/s，比赛区域由于"盆地效应"，平均风速只有0.06 m/s。进风口设置在南侧外墙坐席上方；排风口可采用屋面排风口与北侧排风口相结合的方式，北侧排风口位于高位。

（2）天窗最小面积应在比赛场地面积的0.1～0.2倍左右，天窗采用分散式的布置形式，天窗开启面积应大于213 m2

（3）室内热环境评价指标WBGT在测试期间均低于人员热安全限值30℃，处于热安全范围。

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作者简介：马斌齐（1974-），男，讲师，主要从事体育建筑设计与节能设计