高大空間座椅送風(fēng)案例分析

康寧 王雯翡 張艷芳 賀芳 范鳳花 魏加雯

中國建筑科學(xué)研究院有限公司

近年來，隨著暖通技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)對(duì)于公共建筑的室內(nèi)熱舒適要求越來越高，對(duì)劇院、體育館、報(bào)告廳等具有高大空間的觀演類建筑而言，人員分布僅占空間的一部分，這意味著這類建筑僅通過空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度必將造成很大的能源浪費(fèi)，而通過座椅送風(fēng)的形式針對(duì)性較強(qiáng)，將送風(fēng)口和座椅結(jié)合便于控制調(diào)節(jié)局部氣流，能夠提供更好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，可以有效的避免交叉感染[1-2]。同時(shí)可以滿足舞臺(tái)和觀眾席不同的環(huán)境特點(diǎn)和空調(diào)需求，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本文以南沙青少年宮項(xiàng)目為依托，應(yīng)用Aiapak 軟件對(duì)其進(jìn)行座椅送風(fēng)氣流組織模擬，通過得出直觀的溫度和速度云圖進(jìn)行分析，從而為同類項(xiàng)目的座椅送風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

1 工程簡介

本工程為廣州南沙區(qū)青少年宮項(xiàng)目，項(xiàng)目位于廣州市南沙區(qū)明珠灣區(qū)起步區(qū)內(nèi)，鳳凰大道西側(cè)南沙體育館片區(qū)A1-12-01 地塊。項(xiàng)目東側(cè)為60 m 寬的鳳凰大道，西側(cè)為規(guī)劃路（12 m 寬），南北兩側(cè)現(xiàn)有20 米寬的主要道路，地塊南側(cè)為南沙體育館，北面為規(guī)劃體育公園。項(xiàng)目總建筑面積為：51656.29 m2，其中，地上共五層（局部四層），建筑面積約37481.95 m2，地下共一層，建筑面積14174.34 m2。建筑高度為23.63 m，為多層公共建筑，地上耐火等級(jí)為二級(jí)，地下防火等級(jí)一級(jí)。初步統(tǒng)計(jì)建筑空調(diào)面積約32897.15 m2。

建筑功能主要為多功能兒童劇場、文化交流展廳、圖書館、科技互動(dòng)展廳、報(bào)告廳、教學(xué)用房，建筑為局部5 層的多層公共文化建筑。地下部分主要為地下汽車庫及配套餐飲和設(shè)備用房。地上除展廳教室外，設(shè)有部分配套、會(huì)議、辦公及相關(guān)設(shè)備用房等。建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 效果圖

2 研究對(duì)象

2.1 模型建立

劇場觀眾席采用二次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，氣流組織方式為座椅送風(fēng)側(cè)回風(fēng)。送風(fēng)管接入觀眾廳下部的送風(fēng)靜壓箱，并通過座椅送風(fēng)柱為承重型，結(jié)合劇場座椅設(shè)置?；仫L(fēng)設(shè)置于觀眾廳側(cè)壁。劇場舞臺(tái)區(qū)采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，其氣流組織為頂送，回風(fēng)設(shè)置在中下部，排風(fēng)設(shè)置在舞臺(tái)頂部柵頂內(nèi)。劇場房間高度達(dá)15.3 m，為高大空間，標(biāo)高10.8 m～15.3 m 處為檢修空間。

劇場觀眾廳氣流組織采用座椅送風(fēng)，側(cè)壁送上回，劇場觀眾廳側(cè)壁回風(fēng)口布置在9.6 m、8 m、6 m 處及頂部10.6 m 處，回風(fēng)口布置在空間9.6 m 高度處。劇場舞臺(tái)廳頂送中下部回風(fēng)，南沙青少年宮熱環(huán)境模型根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙建立，為方便模型的建立和網(wǎng)格的生成，在不影響計(jì)算精度的前提下，可對(duì)模型做一定的簡化，模型如圖2 所示。

圖2 物理模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

邊界條件設(shè)置如表1 所示。本文模擬做了如下的假設(shè)：

表1 邊界條件

1）假設(shè)空氣流動(dòng)為不可壓縮牛頓粘性流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2）滿足Boussinesq 假設(shè)。除密度外其他物性為常數(shù)，在計(jì)算動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)時(shí)考慮密度的可變性，其余時(shí)候的密度亦作為常數(shù)。在此假設(shè)下，密度差可被近似的認(rèn)為純粹受溫度的影響。引入容積膨脹系數(shù)β，密度可以表示為：

式中：T為空氣的溫度，K；ρ為空氣密度，kg/m3；ρc、Tc分別為對(duì)應(yīng)的密度和參考溫度。

引入有效壓力p'=p+ρcgh。

3）不考慮固體內(nèi)部耦合傳熱，只做固體與流體和流體之間的傳熱計(jì)算，固體與流體之間的傳熱量按等溫邊界條件計(jì)算。

2.3 網(wǎng)格劃分

由于幾何構(gòu)造復(fù)雜，項(xiàng)目采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（四面體網(wǎng)格）。建立大空間網(wǎng)格時(shí)對(duì)空間進(jìn)行分區(qū)加密處理，如貼近送風(fēng)口、回風(fēng)口、壁面處的網(wǎng)格均進(jìn)行局部加密。模型軟件自動(dòng)生成，劇場網(wǎng)格單元數(shù)：3082698，節(jié)點(diǎn)數(shù)3221920。網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3 熱環(huán)境模擬分析

3.1 溫度分布

通過圖4～8 可知：從Z 方向的截圖可以看出，舞臺(tái)2.1 m 高度處平均溫度為24.1°左右，觀眾席1.0 m高度處前三排的溫度大約在24.5 ℃，大部分區(qū)域溫度處于25.75 ℃，整體溫度在25.2 ℃左右，其原因在于前三排的座位離舞臺(tái)區(qū)域較近，且位置偏低故而在前三排溫度相對(duì)略低，而隨著熱羽流和高度的增加，后面區(qū)域溫度相對(duì)于前三排偏高1.2 ℃左右，舞臺(tái)和觀眾席均滿足對(duì)劇場室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度的要求。從X 方向的截圖可以看出，觀眾席前排上方由于設(shè)置光橋，熱量較大，距離下部座椅較遠(yuǎn)，頂部溫度稍高，但不影響整體人員的舒適度。從Y 方向的截圖可以看出，縱向溫度場相對(duì)均勻，平均溫度為25.2 ℃左右。從X 方向，Y 方向的截圖分析可知垂直高度上，溫度呈現(xiàn)一定的梯度分布，上高下低，熱量聚集在頂部，不影響人員的整體舒適度，這與龔光彩等人的研究結(jié)果一致[3]。大空間縱向溫度場在9 m 高度以下溫度較均勻，未出現(xiàn)嚴(yán)重的溫度分層現(xiàn)象。

圖4 X=13.4 m 處溫度云圖

圖5 Y=10 m 處溫度云圖

圖6 Y=38 m 處溫度云圖

圖7 Z=1.0 m 溫度云圖（距臺(tái)階1 m 高度處的溫度云圖）

圖8 Z=2.1 m 溫度云圖

3.2 速度分布

通過圖9～13 可知：劇場觀眾席整個(gè)大空間的人員常待區(qū)域（Z=1.0 m 截面處）的風(fēng)速相對(duì)均勻、風(fēng)速較小，平均風(fēng)速為0.20 m/s。從X 方向，Y 方向的截圖分析可知腳踝處風(fēng)速很大，容易造成頭暖腳寒的不利影響。但大部分區(qū)域的風(fēng)速小于0.3 m/s，不會(huì)對(duì)室內(nèi)人員造成明顯吹風(fēng)感，符合夏季空調(diào)室內(nèi)風(fēng)速的要求。舞臺(tái)區(qū)演員演出區(qū)域的風(fēng)速相對(duì)較均勻，送風(fēng)口對(duì)應(yīng)的位置風(fēng)速稍大，局部達(dá)到0.5 m/s，人員會(huì)有一定的吹風(fēng)感?？筛鶕?jù)實(shí)際情況在演出時(shí)關(guān)閉一些空調(diào)，減少吹風(fēng)感及人員衣服的晃動(dòng)，整體滿足人員舒適度的要求。

圖9 X=13.4 m 處風(fēng)速云圖

圖10 Y=10 m 處速度云圖

圖11 Y=38 m 處溫度云圖

圖12 Z=1.0 m 高度處風(fēng)速云圖

圖13 Z=2.1 m 高度處風(fēng)速云圖

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬的方法，通過對(duì)南沙青少年宮項(xiàng)目高大空間夏季制冷工況下的室內(nèi)空調(diào)送風(fēng)氣流組織模擬分析，為夏熱冬暖地區(qū)高大空間公共建筑的設(shè)計(jì)提供了參考，并得出以下主要結(jié)論：

1）舞臺(tái)2.1 m 高度處平均溫度為24.1 ℃左右，觀眾席1.0 m 高度處前三排的溫度大約在24.5 ℃，大部分區(qū)域溫度處于25.75 ℃，整體溫度在25.2 ℃左右，其原因在于前三排的座位離舞臺(tái)區(qū)域較近，且位置偏低故而在前三排溫度相對(duì)略低，而隨著熱羽流和高度的增加，后面區(qū)域溫度相對(duì)于前三排偏高1.2 ℃左右。垂直高度上溫度呈現(xiàn)一定的梯度分布，上高下低，熱量聚集在頂部，大空間縱向溫度場在9 m 高度以下溫度較均勻，未出現(xiàn)嚴(yán)重的溫度分層現(xiàn)象，舞臺(tái)和觀眾席均滿足對(duì)劇場室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度的要求。

2）劇場觀眾席整個(gè)大空間的人員常待區(qū)域（Z=1.0 m 截面處）的風(fēng)速相對(duì)均勻、風(fēng)速較小，平均風(fēng)速為0.20 m/s，劇場舞臺(tái)送風(fēng)口對(duì)應(yīng)的位置風(fēng)速稍大，局部達(dá)到0.5 m/s，人員會(huì)有一定的吹風(fēng)感?？筛鶕?jù)實(shí)際情況在演出時(shí)關(guān)閉一些空調(diào)，減少吹風(fēng)感及人員衣服的晃動(dòng)，整體滿足人員舒適度的要求。

3）除了速度場、溫度場外，送風(fēng)量，噪聲、調(diào)節(jié)性能，價(jià)格等都是設(shè)計(jì)人員考慮的重點(diǎn)。座椅下送風(fēng)方式的造價(jià)低，送風(fēng)量大時(shí)噪聲小且容易調(diào)節(jié)但腳踝處風(fēng)速很大，容易造成頭暖腳寒的不利影響。建議實(shí)際工程選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮舒適性、噪聲、調(diào)節(jié)特性、成本等因素綜合選擇合適的座椅送風(fēng)方式。