室内娱乐性游泳馆湿负荷计算方法及气流组织的研究

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3.0 侯斌 2025-01-09 5 4 7.26MB 109 页 15积分

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摘要

随着人们对游泳这项娱乐运动需求的不断增加,越来越多的室内娱乐性游泳

池不断兴起。然而由于室内环境的特殊性，越来越多的问题也逐渐显露出来，比

如舒适性和空气品质差以及高湿造成建筑使用寿命短等等。在查阅大量文献资料

以及实地调研检测的基础上，本文从理论与实测分析产生这些问题的原因，并归

纳为两个方面的问题。一方面是空调湿负荷计算方法的不当导致热湿负荷计算结

果的不准确；另一方面是室内气流组织方式的选择对室内环境的影响。

针对室内空调湿负荷部分，目前国内外关于室内游泳馆湿负荷的计算方法不

一，本文收集总结了五种比较权威的计算方法，发现计算结果相差较大，偏差最

大者相互之间能达到 141.8%。笔者从热质交换的理论出发，分析湿表面与空气进

行质交换的机理；然后基于从局部到总体的思路，将室内散湿源分为池水、池边

湿地和人员三种主要散湿源，采用热质交换类比原理，建立了与各散湿源相对应

的物理模型，提出了用于预测娱乐性室内游泳馆散湿量的计算公式。为了验证模

型计算方法的准确性，对某室内娱乐性游泳馆的散湿量进行了实验测试，提出了

修正的计算公式，对比结果显示修正后的模型计算方法与测试结果吻合性较好，

而且修正后的计算公式不仅能够用于计算池水内不同人数下的散湿量还可以应用

于不同类型的游泳池。

针对室内气流组织部分，目前国内外关于这方面的研究并多集中于比赛性的

游泳馆，因此对于娱乐性的游泳馆采用什么形式的气流组织方式也急需科学依据

作为支撑。笔者首先对某娱乐性游泳池进行实测，探索气流组织的研究思路和方

法，结合 FLUENT 数值模拟的手段来研究气流组织，针对娱乐性游泳池室内常用的

四种气流组织方式，两侧上送中间上回、两侧下送中间上回、中间上送两侧下回

以及单侧上送单侧上回，用 FLUENT 数值模拟软件进行计算。研究结果显示两侧上

送中间上回的气流组织方式较其他三种气流组织方式，在舒适性、能量利用率、

新风利用率、防结露效果以及池水蒸发速率等多个方面，都显示出很大的优势，

是适用于娱乐性泳池的气流组织方式。

关键词：游泳馆室内泳池湿负荷模型方法气流组织 CFD 模

拟 PMV-PPD

ABSTRACT

With the increasing demand for swimming of the modern people, more and more

recreational indoor natatoriums grows. However, because the uniqueness of its

environment, more and more problems also gradually revealed, such as poor comfort,

bad air quality, short life of buildings and so on. Based on consulting large number of

literatures and actual on-site investigation, the author analyses the reasons causing

above problems, and summarized as two aspects. One aspect is the inaccuracy of the

thermal and moisture load calculation caused by improper moisture load calculation

method; and the other is the improper choice of the air distribution.

To the indoor air conditioning moisture load, nowadays there are different ways

of calculation for indoor natatorium moisture load around the globe. The author

collecting five kinds of calculation finds out that the results of each method vary, and

the maximum deviation is 141.8%. The author analyzes the mechanism of wet surface

and air mass exchange based on the theory of heat and mass transfer. Then according

to the thought of from local to overall, indoor moisture source is divided into three

main moisture sources, namely the pool, pool wetland and person. Applying the heat

exchange and mass transfer analogy principle, the corresponding physical models are

first established to the moisture sources, the moisture load calculation formula applied

in the design stage is put forward based on recreational indoor natatoriums. In order to

verify the accuracy of the model calculation method, the indoor recreational natatorium

experiments have been carried out to test the amount of moisture, the comparison

results show that there is a big deviation. And then the author analyzes causes of

deviation, and presents the calculation formula of correction, the comparison results

show that the revised model calculation and test results is very good, and the revised

formula not only can be used to calculate moisture load under different number in the

pool and they can be applied to different types of recreational natatorium.

To the indoor air distribution, there are not too many researches at local and

abroad, mostly focused on competitive natatorium, so it is very urgent to provide

scientific basis using what type of air distribution for recreational natatorium. Firstly

the author makes an on-site experiment measurement on a recreational natatorium, and

explores the approach to the study of air distribution, and then explores the method of

research by FLUENT numerical simulation, and through the comparison with the

measured results to verify the accuracy of the numerical simulation result. Then, the

author studies four types of air distribution commonly used, which is both sides ceiling

supply middle side ceiling return, both sides floor supply middle side ceiling return,

middle side ceiling supply both sides floor return and one side ceiling supply one side

ceiling return by FLUENT software. the researching results shows that the air

distribution of both sides ceiling supply middle side ceiling return has the obviously

great advantages compared with the other three types in comfort, energy utilization,

utilization rate of fresh air, condensation resistant and the water evaporation rate. It’s

suitable for recreational swimming pool.

Key Word: natatoriums, indoor swimming pool, moisture load, model

method, air distribution, CFD simulation, PMV-PPD

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景 .................................................................................................... 1

1.2 课题研究目的及意义 ........................................................................................ 2

1.3 国内外研究现状 ................................................................................................ 4

1.3.1 游泳馆湿负荷国内外研究现状 .................................................................. 4

1.3.2 游泳馆气流组织国内外研究现状 .............................................................. 9

1.4 本课题主要研究内容 ...................................................................................... 10

第二章湿负荷计算方法的理论研究与实验测试 ................................................. 13

2.1 散湿表面的水分蒸发机理 .............................................................................. 13

2.1.1 分子扩散和对流扩散 ................................................................................ 13

2.1.2 分子扩散方程及对流传质方程 ................................................................ 13

2.1.3 湿表面与空气之间湿交换量计算公式 .................................................... 15

2.2 三种散湿源传质模型的建立 .......................................................................... 15

2.2.1 池水与空气传质模型的建立 .................................................................... 16

2.2.2 池边湿地与空气传质模型的建立 ............................................................ 17

2.2.3 人员与空气传质模型的建立 .................................................................... 17

2.3 三种散湿源传质模型与准则关联式的匹配 .................................................. 18

2.3.1 对流传质过程中的相关准则数 ................................................................ 19

2.3.2 池水传质物理模型与准则关联式的匹配 ................................................ 19

2.3.3 池边湿地传质模型与准则关联式的匹配 ................................................ 20

2.3.4 人员传质模型与准则关联式的匹配 ........................................................ 20

2.3.5 湿负荷计算公式 ........................................................................................ 21

2.4 室内娱乐性游泳馆散湿量的实验测试 .......................................................... 21

2.4.1 实验研究对象概况介绍 ............................................................................ 21

2.4.2 实验测试方案 ............................................................................................ 24

2.4.3 实验测试结果 ............................................................................................ 27

2.4.4 测试结果与计算结果的对比与分析 ........................................................ 27

2.4.5 偏差产生的原因及修正 ............................................................................ 28

2.5 本章小结 .......................................................................................................... 30

第三章娱乐性室内泳池气流组织实测研究 ......................................................... 32

3.1 室内气流组织方式概述 .................................................................................. 32

3.1.1 常用气流组织方式的分析与比较 ............................................................ 33

3.1.2 评价指标 .................................................................................................... 35

3.2 室内气流组织实验测试方案 .......................................................................... 37

3.2.1 实验测试目的及实验总体方案 ................................................................ 38

3.2.2 测试工况及测试仪器 ................................................................................ 38

3.2.3 测点选择及布置 ........................................................................................ 40

3.3 室内气流组织实验测试结果及分析评价 ...................................................... 42

3.3.1 测试结果 .................................................................................................... 42

3.3.2 测试结果分析 ............................................................................................ 43

3.3.3 气流组织评价 ............................................................................................ 44

3.4 本章小结 .......................................................................................................... 45

第四章气流组织 CFD 数值模拟与实验对比分析 ............................................... 46

4.1 CFD 数值模拟概述 ........................................................................................... 46

4.2 控制方程的选取 .............................................................................................. 46

4.2.1 相对湿度的控制方程 ................................................................................ 47

4.2.2 湍流模型的控制方程 ................................................................................ 48

4.3 物理模型的建立 .............................................................................................. 49

4.3.1 几何建模 .................................................................................................... 49

4.3.2 散湿源的定义 ............................................................................................ 49

4.3.3 网格划分 .................................................................................................... 51

4.3.4 边界条件 .................................................................................................... 52

4.4 模拟结果与实验测试对比与分析 .................................................................. 53

4.5 气流组织中存在的问题 .................................................................................. 59

4.6 本章小结 .......................................................................................................... 62

第五章不同气流组织形式数值模拟研究及分析 ................................................. 63

5.1 研究对象概述 .................................................................................................. 63

5.2 两侧上送中间上回方式 .................................................................................. 65

5.2.1 基本参数设置 ............................................................................................ 65

5.2.2 模拟结果及分析 ........................................................................................ 66

5.2.3 流场特点及气流组织评价 ........................................................................ 68

5.3 两侧下送中间上回方式 .................................................................................. 72

5.3.1 基本参数设置 ............................................................................................ 72

5.3.2 模拟结果及分析 ........................................................................................ 73

5.3.3 流场特点及气流组织评价 ........................................................................ 75

5.4 中间上送两侧下回方式 .................................................................................. 78

5.4.1 基本参数设置 ............................................................................................ 78

5.4.2 模拟结果及分析 ........................................................................................ 79

5.4.3 流场特点及气流组织评价 ........................................................................ 81

5.5 单侧上送单侧上回方式 .................................................................................. 84

5.5.1 基本参数设置 ............................................................................................ 84

5.5.2 模拟结果及分析 ........................................................................................ 84

5.5.3 流场特点及气流组织评价 ........................................................................ 86

5.6 四种气流组织方式特性的对比与建议 .......................................................... 89

5.7 本章小结 .......................................................................................................... 90

第六章结论与展望 ................................................................................................. 91

6.1 结论 .................................................................................................................. 91

6.2 展望 .................................................................................................................. 92

参考文献 ..................................................................................................................... 93

附录 1 游泳馆气流组织测试结果 ............................................................................ 97

附录 2 PMV-PPD VB 程序 ....................................................................................... 101

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 104

致谢 ....................................................................................................................... 105

第一章绪论

1.1 课题研究背景

现代游泳运动起源于英国。十九世纪七十年代，伦敦成立了游泳俱乐部联合

会，并把游泳作为一个专门的运动项目正式确定下来。随后这项运动被传播到英

国的各殖民地，随之又传播到世界各地。随着该项运动的不断发展，逐渐被分为

实用游泳和竞技游泳两大类。竞技游泳，是从第一届奥运会（1896 年）开始，就

被列入了奥运会正式项目之一。发展到现在，各种国际锦标赛，大型比赛都在不

断的推动着该项运动的发展。2008 年北京奥运会上，美国游泳运动员菲尔普斯狂

揽八金，一时间声名大噪，越来越多的人开始关注并喜欢上游泳运动，在全民中

掀起了游泳的高潮，间接的对这项运动在全民中起到一个推广的作用。2012 年英

国伦敦奥运会上，我国游泳运动员孙杨勇夺四金并一举打破世界纪录，在国内引

起了极大的反响，使中国的游泳运动推上了更高层次的发展。近年来各项游泳赛

事的举办是促进人们对游泳运动喜欢的重要契机之一，也是越来越多的室内娱乐

性游泳馆不断兴起的契机。

现代人由于社会各方面竞争激烈、生活节奏快、工作压力大，越来越多的人

呈现亚健康的状态。随着人们对健康意识的提高以及认识到亚健康的危害，这使

得越来越多的人开始寻求各种健身锻炼的方式以增强身体的抵抗力，同时又能起

到娱乐放松的效果以缓解人们紧张工作一天后的疲劳。无疑游泳运动能够满足以

上两点要求，因此越来越多的人们选择游泳这种健身方式，这也是室内娱乐性游

泳馆大量涌现的重要契机。

在地理位置上，我国位于世界最大的大陆欧亚大陆的东南部，濒临世界最大

的海洋太平洋。因此大陆性气候特点显著，气温的年较差和日较差均较大，四季

分明。对于大部分人来讲，适合在室外游泳的季节只有夏季，而夏季除去下雨天，

剩下适合游泳的天数非常少。这是造成室内游泳馆不断出现的客观因素。随着人

们生活水平的提高，对生活的方方面面都要求比较高，游泳的环境也不例外，希

望一年四季都能有一个舒适的游泳环境来尽情享受游泳运动带来的乐趣。舒适的

室内环境需要室内空气温度维持在 28℃左右，湿度维持在 65%左右，风速小于

0.3m/s,这是越来越的室内游泳馆配备的空调系统的主观因素。

以上诸多契机以及主客观因素是大量的室内游泳馆不断兴起以及配置空调系

统的背景。

上海理工大学硕士学位论文

1.2 课题研究目的及意义

随着越来越多的安装有空调系统的室内娱乐性游泳馆在学校，宾馆、公共泳

池以及健身会所等不断的出现，越来越多的问题也逐渐显露出来。主要表现为以

下几个问题[1-2]：

（1）舒适性差

室内游泳环境舒适性差具体表现为夏季闷热，冬季寒冷，无法为游泳者提供

一个舒适的游泳环境。笔者于 2013 年12 月份期间对上海若干家室内游泳馆的现

状进行了调研。调研结果见下表 1-1。

表1-1 上海部分室内游泳馆调查现状

游泳馆名称

泳池水温℃

室内空气温度℃

所在位置

江湾游泳馆

杨浦区

二军大游泳馆

杨浦区

同济大学游泳馆

杨浦区

新凤城迎宾馆

杨浦区

财经大学游泳馆

杨浦区

舒适堡健身中心

27.5

杨浦区

浦东游泳馆

浦东新区

美格菲健身中心

杨浦区

调研结果显示池水温度大部分维持在 27~28℃，基本能够满足《游泳池给水

排水工程技术规程》的规定，对于公共泳池水温要保持在 27~29℃；空气温度大

部分维持在 25℃左右，比水温低 2~3℃，而国际泳联规定空气的温度要比池水温

度高 1~2℃[3-4]，才能保证人员上岸后的舒适性。

（2）空气质量差

目前对于大部分的室内娱乐性游泳馆，池水的消毒仍然采用的是含氯的化学

消毒产品。由于池水的不断蒸发会有大量的含氯化合物挥发出来，在潮湿的空气

中会形成主要成分是三氯甲烷和氯胺的结合余氯，对人体的健康有极大的危害。

同时挥发出来的含氯化合物在空气中形成一种难闻的刺激气味，损害人体的嗅觉

功能。

另一方面，室内游泳馆由于空气的温度和相对湿度比较高，使得空气的露点

温度比较高，导致建筑围护结构的内表面极容易出现结露的现象；其次，现在的

游泳馆由于更加注重采光和美观的需求，因此大面积的采用玻璃窗或者是玻璃幕

第一章绪论

墙。相比较墙体来讲，玻璃的导热系数更大，使得内表面的温度与室外温度的差

距更小。冬季的时候，由于室外温度比较低导致玻璃窗或者是玻璃幕墙内表面的

温度更容易低于室内空气的露点温度，出现结露的现象。结露的产生再加上高温

的环境很容易滋生大量的细菌和霉菌，以至于污染室内的空气。图 1-1 和图 1-2

是在调研的过程中分别观察到的吊顶和玻璃幕墙的结露现象。

图1-1 游泳馆吊顶结露现象图1-2 游泳馆玻璃幕墙结露现象

（3）建筑使用寿命短

池水的不断蒸发挥发出来大量的氯气，当氯气与空气中水蒸汽相遇时会形成

酸性气体。如果游泳馆内的气流组织方式选择不合理时，大量的酸性气体会在整

个建筑物内扩散开来，对建筑物的金属制品、墙面的装饰材料均有腐蚀作用。图

1-3 和图 1-4 是在调研的过程中观察到的建筑物内的腐蚀现象。

图1-3 游泳馆钢结构的腐蚀现象图图1-4 游泳馆壁面装饰材料的腐蚀

基于以上存在的问题，概括起来讲主要原因是游泳馆室内空调系统设计不合

理。由于游泳馆的室内环境较常规空调房间的要求不同，在空调系统的设计过程

中需要考虑的因素较多且复杂，使得一个合理的空调系统设计成为一个难题，导

致游泳馆空调系统在实际的运行过程出现了以上各种各样的问题。笔者在查阅了

上海理工大学硕士学位论文

大量文献的基础上[1-6]，经过认真分析研究得出造成以上诸多问题产生的原因具体

来讲可归纳为以下两个方面：第一、热湿负荷计算方法的不当导致的热湿负荷计

算结果的不准确；第二、气流组织方式的选择不当。

对于热湿负荷计算的问题主要是由于湿负荷计算的不准确，湿负荷与冷热负

荷是相关联的，湿负荷的准确与否直接关系到冷热负荷计算的准确与否。目前为

止，关于游泳馆湿负荷计算的国内外文献都提出不同的计算方法，但相互之间计

算结果相差较大，没有达成共识采用统一的计算公式。之所以出现这样的现象主

要是由于游泳馆室内湿负荷的影响因素较多，比如：池水温度、池水面积、空气

温度、空气掠过水表面的风速，游泳人数以及池边湿地面积等诸多因素，这使得

散湿量的计算变得尤为复杂和困难。而散湿量的准确计算，又直接关系到游泳馆

空调系统的设计方案的确定以及设备装机容量和能耗的大小。因此湿负荷的准确

计算是保障空调系统提供一个舒适健康环境的最基本因素之一。

对于气流组织方式的选择不合理主要是由于气流组织所要承担的功能多且高，

可供选择的气流组织方式形式多样，在没有经过仔细的分析研究各种气流组织优

劣的情况下，选择的气流组织方式往往顾此失彼。首先，气流组织方式直接影响

到整个空气环境的温湿度场、速度场的分布；而室内人员特殊的着装条件以及特

有的身体湿表面，使得人员对室内的空气状态非常敏感，这就需要气流组织能很

好的使室内空气状态参数达到设计值，而且均匀性和波动性上都要比常规房间的

要求高，可能才能达到与常规房间相差不大的舒适性。其次，气流组织要能够把

新鲜的空气迅速的送到人员区域，也即是新鲜空气送达人员区域的路径要尽可能

短，并把池水表面散发的有害气体或者是有刺激性的气体迅速带走。最后，气流

组织还要承担另外一个重担，防止围护结构结露和腐蚀，延长建筑的使用寿命；

反过来，这一点又能间接的避免由于结露和腐蚀造成滋生细菌而污染室内空气。

因此气流组织方式的合理选择是保障空调系统提供一个舒适健康环境的重要因素

之一。

综合以上的分析，本课题选择对游泳馆湿负荷计算方法及气流组织方式的研

究正是要解决在游泳馆空调系统使用过程中产生的诸多问题，以达到为人们提供

舒适健康节能环保的游泳环境的目的，对今后室内娱乐性游泳馆空调系统的设计

有着非常实用的意义。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 游泳馆湿负荷国内外研究现状

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