劇院觀眾廳夏季不同氣流組織舒適度模擬分析

王 鋒

（深圳市東大建筑設(shè)計有限公司，深圳 518000）

1 引言

劇院的空調(diào)主體是舞臺和觀眾廳。觀眾廳具有面積大、頂棚高、人員密度大、發(fā)熱量大、散濕量大等特點［1］。本文運用Airpak軟件對三種氣流組織進行模擬分析，選用的通風(fēng)方式是目前劇院比較常用的方式，所以模擬結(jié)果對實際工程有一定的借鑒作用。

觀眾廳的采用三種通風(fēng)方式，分別為頂棚送風(fēng)下回風(fēng)、后部噴口送風(fēng)下回風(fēng)、下部送風(fēng)頂棚回風(fēng)。

2 模型建立及結(jié)果分析

該劇院位于濟南市，觀眾廳長×寬×高:26m×24m×14m，觀眾席有880個座位，按照觀眾容量來分，屬于中等劇院，見圖1。本文采用室內(nèi)零方程湍流模型，由于送風(fēng)速度遠(yuǎn)小于聲速，所以假設(shè)空氣為不可壓縮透明介質(zhì)［2］，考慮輻射，選用面對面輻射模型?？紤]重力因素，Y方向為－9.8 m/s2，送風(fēng)取速度入口 （velocity－inlet），出口取自由出口 （outflow）。

圖1 劇院簡圖

圖2 方案一送風(fēng)口布置圖

因為劇院南北對稱，所以取二分之一作為模擬的區(qū)域，物理尺寸為:44m×12m×14m（長×寬×高），臺階簡化為block模塊，一層臺階共有22個，二層臺階有8個，沿X正方向逐漸升高，每級遞增0.2m，每層臺階寬度為1m，一層靠近舞臺最近的臺階高為1m，Y方向坐標(biāo)為－1。每層臺階坐20個人，模型中簡化為10（Z）m×0.3（X）m×1（Y）m的block模塊，發(fā)熱量為1922.4W，人員居中，南北兩側(cè)各有寬1m的過道。觀眾廳的照明負(fù)荷直接平均分布在屋面上，圍護結(jié)構(gòu)按照常熱流設(shè)定，與其它房間相鄰隔墻按絕熱設(shè)定。西外墻及北外墻均是指高出周圍附屬房間的部分，西外墻尺寸8（Y）m×12（Z）m，北外墻尺寸8（Y）m×44（X）m，散熱量都為25.216W/m2，屋面為20.34W/m2。送風(fēng)噴口簡化為openings模塊，回風(fēng)口設(shè)為vents模塊，在環(huán)境條件壓力和溫度下進行回風(fēng)。

2.1 送回風(fēng)方案

2.1.1 方案一:上送風(fēng)下回風(fēng)

如圖2所示，在觀眾廳頂棚設(shè)置送風(fēng)口，一層觀眾廳靠近舞臺前14排設(shè)6個送風(fēng)口，每個由四個小風(fēng)口（0.2m×0.2m）組成，送風(fēng)溫度為20℃，風(fēng)速沿Y軸，送風(fēng)角度與Y軸有30°夾角，Y方向速度為－2.73m/s，X方向的速率為1.563m/s，在觀眾區(qū)下部及北外墻設(shè)置回風(fēng)口;一層后8排觀眾區(qū)及二層觀眾區(qū)各設(shè)6個送風(fēng)口，每個送風(fēng)口由兩個大小為0.2（X）m×0.4（Z）m組成，送風(fēng)溫度為20℃，送風(fēng)角度與Y軸成45°夾角，Y軸方向速度為－1.26m/s，X方向速率為1.26m/s，回風(fēng)設(shè)置在后墻，大小為0.5（Y）m×1（Z）m，距地面0.2m。

2.1.2 方案二:后部噴口送風(fēng)下回風(fēng)

圖3 方案二送風(fēng)口布置圖

如圖所示，在觀眾區(qū)后墻設(shè)置送風(fēng)口，觀眾區(qū)后部臺階處回風(fēng)，隔一排放一個回風(fēng)口，一層共11個回風(fēng)口，二層4個回風(fēng)口，尺寸大小為0.5m×10m（X×Z）。一層觀眾區(qū)后部設(shè)置10個送風(fēng)口，負(fù)責(zé)后部8排觀眾的負(fù)荷，模型中簡化為0.3m×0.3m矩形風(fēng)口，風(fēng)口中心距地面為3.15m，風(fēng)口間距為1.1m，送風(fēng)溫度為22℃，水平送風(fēng)，X方向速度為－2.85m/s;二層布置8個送風(fēng)口，負(fù)責(zé)二層觀眾和一層剩余觀眾的負(fù)荷，風(fēng)口尺寸為0.3m×0.3m，送風(fēng)溫度為22℃，水平送風(fēng)，沿X軸負(fù)方向，速度為－9.8m/s。

2.1.3 方案三:下部送風(fēng)上部回風(fēng)

送風(fēng)口位于座椅后部臺階上，大小為0.1m×10m，送風(fēng)角度與水平面有45°夾角，方向如圖4，送風(fēng)溫度為22℃，X方向速度為－0.23m/s，Y方向速度為0.23m/s。舞臺回風(fēng)口位置及大小不變，觀眾廳回風(fēng)口設(shè)在頂棚，回風(fēng)口大小均為1m×1m。

圖4 方案三送風(fēng)口布置簡圖

2.2 分析

2.2.1 溫度場

溫度場和速度場的比較主要通過對三個截面（Z=－10、－6、－2截面）距地面1.1m處的數(shù)值進行比較，觀測點為人體模型上部0.1m處的值，觀眾區(qū)選取22個點?？梢钥闯龇桨敢挥^眾區(qū)的平均溫度最接近設(shè)計溫度，方案二和方案三溫度很接近，雖然略低于設(shè)計溫度，但滿足設(shè)計要求，觀眾感覺較為涼爽。觀眾區(qū)的溫度均勻性差別較大，方案一靠近北外墻處溫度明顯大于中部，且其中不同區(qū)域溫度變化較大;方案二在靠近中間過道處的溫度比中部的溫度要高;方案三溫度變化最為平緩，在靠近外墻處及觀眾區(qū)后部溫度略有升高，整體溫度波動在1度左右。這是由于送風(fēng)口數(shù)量較多，風(fēng)口均勻的放置在觀眾區(qū)內(nèi)，送風(fēng)速度較小。

2.2.2 速度場

由圖可以看出，三種方案都滿足設(shè)計要求，其中方案一的速度值最大，方案三的速度明顯小于前兩種方案。觀眾區(qū)的前排三種方案速度變化都比較大，這是由于靠近舞臺回風(fēng)口的緣故。

2.2.3 PMV－PPD

因為PMV于PPD對應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，PMV等于零即PPD≤5%【3】，所以本文只取PPD作為比較。三種方案的PPD都小于20%，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，觀眾整體感覺較為舒適。由圖可以清晰的看出方案二PPD值最大，波動也最大，其次是方案一，方案三最優(yōu)。另外可以看出，一層觀眾區(qū)的前部的PPD較大，沿X軸逐漸減小，直至平穩(wěn)。方案一和方案三中二層的PPD變化較為平緩，方案二挑臺處的PPD變化較大，這也是氣流通過挑臺處的急劇變化而導(dǎo)致的。

2.2.4 空氣齡

由圖可知方案一空氣齡在500s左右，方案二在400s左右，方案三在200s左右。方案二、方案三的一層觀眾區(qū)空氣齡波動較大，空氣齡由前到后逐漸減小，這一是由于前排靠近舞臺回風(fēng)口的原因，容易形成湍流，其次與送風(fēng)口的位置、送風(fēng)速度有關(guān)。以方案三為例，送風(fēng)口的速度在0.2m/s左右，而舞臺回風(fēng)口速度在2m/s左右，這使得前排氣流組織受回風(fēng)口的影響明顯。方案二空氣齡變化較為平穩(wěn)，只是在二層挑臺下部出現(xiàn)空氣齡陡降，這與溫度、速度變化的原因一致。雖然方案三空氣齡變化較大，但變化范圍大約在100～300s之間，在三個方案中空氣齡最小。另外，方案一送風(fēng)量小于其他兩種方案，這也直接導(dǎo)致空氣齡較大。雖然方案二和方案三送風(fēng)量相同，但方案三比方案二空氣齡小得多，這也體現(xiàn)了置換通風(fēng)的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

本文以舒適度為標(biāo)準(zhǔn)，對三種方案進行比較，得出方案三為最優(yōu)。

（1）下送上回的氣流組織形式不但各項指標(biāo)能很好的達(dá)到設(shè)計要求，并且下送上回的氣流組織形式對應(yīng)的溫度場、速度場都比較均勻，沒有明顯的氣流死角，氣流流動速度舒緩，人員感覺較為舒服。

（2）就換氣效率來說，由于方案三為置換通風(fēng)，相比于混合通風(fēng)，置換通風(fēng)優(yōu)勢明顯，因為送風(fēng)口距離人體較近，人體周圍的空氣品質(zhì)較好，從這個角度來看，可以適當(dāng)調(diào)小置換通風(fēng)形勢下的人員的新風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

［1］王鴻章，李惠風(fēng).影劇院空調(diào)設(shè)計［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1995

［2］鐘大亮.劇場通風(fēng)方式的數(shù)值模擬及比較 ［D］，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006

［3］薛殿華.空氣調(diào)節(jié) ［M］．北京:清華出版社，1991