体育馆计算上座率的确定及其对空调系统的影响

在体育馆建筑的比赛大厅中，观众人数多，人员密度大，人员负荷所占的空调负荷比例最大。在国内体育馆中，人员发热量占整个大厅余热负荷比平均为70%左右，北京首都体育馆的最大，达到81.3%。表1为国内部分体育馆的人员散热量、比赛大厅室内总余热量及它们之间的百分比[1]。

表1国内部分体育馆人员散热量及其余总余热量的比例

笔者对北京市各体育馆进行调查时发现，在进行体育比赛时，体育馆普遍存在着上座率不高的现象。对北京一中型体育馆进行的跟踪统计显示，该馆在进行全国排球甲级联赛时上座率平均不足50%。各体育馆在使用过程中，由于实际人员数远小于计算值，设备初投资不能得到有效的回报，运行时通常也很难使设备达到最高效率。

以往在计算比赛大厅的人员负荷时，通常按照观众席满员的情况进行计算，人员发热量为静坐或轻微活动状态时的发热

量。这种计算方法从实际结果来看，偏安全，经济性较差。

因而，在设计计算时，适当减少人员数，使总负荷随之减少，可以降低初投资费用，获得最佳经济技术效果。体育馆建筑空调属于舒适性空调范畴，并且还有着人员密集、停留时间短(通常不超过2h)等特殊性，因而这种想法具有一定的可行性。目前国内外在体育馆观众人员分布及负荷计算上还没有足够的研究，本文将就这一课题作一些探讨。

以下结合调查结果，对体育馆观众上座情况进行分析，得出在非满座率情况下的人员分布规律，并依此运用计算流体动力学(CFD，computational fluid dynamics)方法，对不同上座情况下观众席温度分布进行预测，并使用热舒适指标PMV与PPD进行评价，提出计算上座率的概念，结合算例得出符合最佳技术经济条件的计算上座率数值。

2 上座情况调查

笔者对北京一座中型体育馆进行全国性球类比赛时的观众人数做了统计调查。图1为该馆北看台平面示意图。观众看台分别位于比赛场地的南北两侧，其中1～6排为活动座椅，7～22排为固定座椅。据该馆管理人员反映，所调查的两场比赛的观众人数较具代表性。结果显示，平均每场的上座人数不足观众席总座位数的一半，分布情况及上座率见图2～4。观众上座人统计及上座率见表2。

表2观众上座人数及上座率

观众分布情况显示，西、东侧的观众比较明显地集中在前7排(上座率分别达到60%和51%)，中部观众多集中于3排(上座率为58%)。

将观众席分为大致相等的前后两部分，在国家级的比赛中，前半部分观众上座率为60%左右，后半部分观众上座率为30%左右，总上座率不足50%。笔者对北京市多家体育馆的调查了解证实了上述结论与实际情况是吻合的。据体育馆工作人员介绍，在上座率增加时，前后排观众基本是以相同人数增加，直至满员。

3 不同上座率情况下的负荷比较及分析

由于人员负荷在比赛大厅的室内负荷中所占比例相当大，因此如果在设计计算时，按照部分观众人数计算得热，将会明显减少空调计算负荷，避免设备浪费。但是，一旦观众人数增加，负荷增大，现有设备则无法满足观众的温度要求。下面以上文调查的体育馆作为算例，对不同送风温度、不同上座率情况下观众席的温度场进行数值模拟计算，并对结果进行分析比较，采用热舒适指标PMV(predicted mean vote)、PPD (predicted percentage dissatisfied) 对计算结果进行热舒适性评价[2] ，从而得出最佳的计算上座人数。该馆观众席采用座位下送风，每个风口设计送风量80m3/h，人员发热按照人静坐且有轻微活动状态时的发热量计算(110.5W/人)，室内设计温度26℃，相对湿度50%。计算工具为CFD软件STACH-3，参考文献[3，4]表明，其对空调通风空间内空气流动的模拟结果能达到工程满意的程度。

笔者采用了两种方法进试算比较，一种为采用不同的送风温度，另一种为采用不同的送风量进行考试，考察在不同上座率情况下观众席热舒适程度的变化，以下为几种典型情况下的模拟计算结果。

3.1 送风温度为21℃，上座率为100%时的情况

图5为该情况下的温度分布图，表3为观众席地面以上1.25～2m温度模拟计算平均值。由计算结果可以看出，除第16排以外，观众席绝大部分都感觉舒适。第16排感觉稍热，其对应的PPD值为28%，在工程上是可以接受的。

图5送风温度21℃，上座率100%时的温度分布图

表3 送风温度21℃，上座率100%时的温度模拟计算平均值

3.2 送风温度为23℃，观众上座率为45%的情况

按照前文中调查得出的上座情况计算，即前排上座率为60%，后排上座率为30%，平均上座率为45%，以此值为最低计算上座率。图6为该情况下的温度分布图，表4为观众席地面以上1.25～2m温度模拟计算平均值。所有观众均感觉舒适。因此，在体育馆上座人数不足50%的情况下，提高送风温度，减少制冷量，是可以达到满足使用要求，减少能耗的目的的。

图6 送风温度23℃，上座率45%时的温度分布图

表4 送风温度23℃，上座率45%时的温度模拟计算平均值

3.3 送风温度为23℃，观众上座率为75%的情况

观众席前半部分上座率为90%，后半部分上座率为60%，平均上座率为75%。图7为该情况下的温度分布图，表5为为观众席地面以上1.25～2m温度模拟计算平均值。所有观众均感觉舒适。说明该情况下仍可以满足设计要求。

图7 送风温度23℃，上座率75%时的温度分布图

表5 送风温度23℃，上座率75%时的温度模拟计算平均值

3.4 送风温度为23℃，观众上座率为85%的情况

观众席前半部分上座率为100%，后半部分上座率为70%，平均上座率为85%。图8为该情况下的温度分布图，表6为观众席地面以上1.25～2m温度模拟计算平均值。最后两排观众席的PMV超过了1，最大值为1.53，对应的PPD为50%，没有完全达到舒适要求。

图8 送风温度23℃，上座率85%时的温度分布图

表6 送风温度23℃，上座率85%时的温度模拟计算平均值

3.5 送风温度为23℃，上座率为100%的情况

图9为该情况下的温度分布图，表7为观众席地面以上1.25～2m温度模拟计算平均值。计算结果中，有3排观众席PMV值超过1，其中最大值为第16排的2.2，热感觉为"很热"，其对应的PPD值超过了80%，因而当送风温度为23℃时，在观众满座的情况下，不能达到设计要求。由表7可知，大部分观众席的PMV值都在1以内，所以当送风温度为23℃时，在观众席满座的情况下，其热舒适的恶化程度并不十分突出，同时，体育馆满座情况出现次数较少，而且观众停留时间通常不超过2h，因而，这种热舒适程度也是可以接受的。

图9 送风温度23℃，上座率100%时的温度分布图

表7 送风温度23℃，上座率100%时的温度模拟计算平均值

由以上计算结果可见，若以上座率为75%计算人员负荷，当观众席满座时，其空气温度比设计温度略有增高，但舒适性良好，全部观众席PPD值均在12%以下，在工程上是可以接受和信人满意的。因此，将75%确定为计算上座率比较合理。

需要说明的是，若采用改变送风量的方法进行试算比较，采用设计送风温度(21℃)，当送风量为设计送风量的65%时，可以得出与前面计算结果相近的计算上座率。图10、图11分别为当磅风量为设计送风量的70%，观众席上座率平均为75%和满座时的温度分布图。

图10 送风量70%，上座率75%时的温度分布图图11 送风量70%，上座率100%时的温度分布图

计算上座率概念的提出，改变取往按满座计算观众席空调负荷的方式，达到最佳技术经济性效果。按照计算上座率进行冷负荷计算，可以节省设计冷量15%以上，以本文介绍的中型体育馆为例，其夏季设计空调负荷1163kW，若以0.80元/W计，则仅制冷机一项就可节省设备初投资费用约14万元，运行费用也可以大大减少。此外，目前数值模拟方法在大空间气流组织设计和分析中的应用越来越广泛，人员负荷对模拟计算结果有着极大的影响。本文中的各个算例正是具体的验证实例。因此，这类大

空间人员上座率的合理取法，也对利用CFD方法进行同类大空间气流组织设计和分析起到了指导性的作用。