剧院观众厅夏季不同气流组织舒适度模拟分析

2013-09-18王锋

制冷 2013年4期

关键词：观众厅风口外墙

王锋

（深圳市东大建筑设计有限公司，深圳 518000）

1 引言

剧院的空调主体是舞台和观众厅。观众厅具有面积大、顶棚高、人员密度大、发热量大、散湿量大等特点［1］。本文运用Airpak软件对三种气流组织进行模拟分析，选用的通风方式是目前剧院比较常用的方式，所以模拟结果对实际工程有一定的借鉴作用。

观众厅的采用三种通风方式，分别为顶棚送风下回风、后部喷口送风下回风、下部送风顶棚回风。

2 模型建立及结果分析

该剧院位于济南市，观众厅长×宽×高:26m×24m×14m，观众席有880个座位，按照观众容量来分，属于中等剧院，见图1。本文采用室内零方程湍流模型，由于送风速度远小于声速，所以假设空气为不可压缩透明介质［2］，考虑辐射，选用面对面辐射模型。考虑重力因素，Y方向为－9.8 m/s2，送风取速度入口（velocity－inlet），出口取自由出口（outflow）。

图1 剧院简图

图2 方案一送风口布置图

因为剧院南北对称，所以取二分之一作为模拟的区域，物理尺寸为:44m×12m×14m（长×宽×高），台阶简化为block模块，一层台阶共有22个，二层台阶有8个，沿X正方向逐渐升高，每级递增0.2m，每层台阶宽度为1m，一层靠近舞台最近的台阶高为1m，Y方向坐标为－1。每层台阶坐20个人，模型中简化为10（Z）m×0.3（X）m×1（Y）m的block模块，发热量为1922.4W，人员居中，南北两侧各有宽1m的过道。观众厅的照明负荷直接平均分布在屋面上，围护结构按照常热流设定，与其它房间相邻隔墙按绝热设定。西外墙及北外墙均是指高出周围附属房间的部分，西外墙尺寸8（Y）m×12（Z）m，北外墙尺寸8（Y）m×44（X）m，散热量都为25.216W/m2，屋面为20.34W/m2。送风喷口简化为openings模块，回风口设为vents模块，在环境条件压力和温度下进行回风。

2.1 送回风方案

2.1.1 方案一:上送风下回风

如图2所示，在观众厅顶棚设置送风口，一层观众厅靠近舞台前14排设6个送风口，每个由四个小风口（0.2m×0.2m）组成，送风温度为20℃，风速沿Y轴，送风角度与Y轴有30°夹角，Y方向速度为－2.73m/s，X方向的速率为1.563m/s，在观众区下部及北外墙设置回风口;一层后8排观众区及二层观众区各设6个送风口，每个送风口由两个大小为0.2（X）m×0.4（Z）m组成，送风温度为20℃，送风角度与Y轴成45°夹角，Y轴方向速度为－1.26m/s，X方向速率为1.26m/s，回风设置在后墙，大小为0.5（Y）m×1（Z）m，距地面0.2m。

2.1.2 方案二:后部喷口送风下回风

图3 方案二送风口布置图

如图所示，在观众区后墙设置送风口，观众区后部台阶处回风，隔一排放一个回风口，一层共11个回风口，二层4个回风口，尺寸大小为0.5m×10m（X×Z）。一层观众区后部设置10个送风口，负责后部8排观众的负荷，模型中简化为0.3m×0.3m矩形风口，风口中心距地面为3.15m，风口间距为1.1m，送风温度为22℃，水平送风，X方向速度为－2.85m/s;二层布置8个送风口，负责二层观众和一层剩余观众的负荷，风口尺寸为0.3m×0.3m，送风温度为22℃，水平送风，沿X轴负方向，速度为－9.8m/s。

2.1.3 方案三:下部送风上部回风

送风口位于座椅后部台阶上，大小为0.1m×10m，送风角度与水平面有45°夹角，方向如图4，送风温度为22℃，X方向速度为－0.23m/s，Y方向速度为0.23m/s。舞台回风口位置及大小不变，观众厅回风口设在顶棚，回风口大小均为1m×1m。

图4 方案三送风口布置简图

2.2 分析

2.2.1 温度场

温度场和速度场的比较主要通过对三个截面（Z=－10、－6、－2截面）距地面1.1m处的数值进行比较，观测点为人体模型上部0.1m处的值，观众区选取22个点。可以看出方案一观众区的平均温度最接近设计温度，方案二和方案三温度很接近，虽然略低于设计温度，但满足设计要求，观众感觉较为凉爽。观众区的温度均匀性差别较大，方案一靠近北外墙处温度明显大于中部，且其中不同区域温度变化较大;方案二在靠近中间过道处的温度比中部的温度要高;方案三温度变化最为平缓，在靠近外墙处及观众区后部温度略有升高，整体温度波动在1度左右。这是由于送风口数量较多，风口均匀的放置在观众区内，送风速度较小。

2.2.2 速度场

由图可以看出，三种方案都满足设计要求，其中方案一的速度值最大，方案三的速度明显小于前两种方案。观众区的前排三种方案速度变化都比较大，这是由于靠近舞台回风口的缘故。

2.2.3 PMV－PPD

因为PMV于PPD对应的关联性，PMV等于零即PPD≤5%【3】，所以本文只取PPD作为比较。三种方案的PPD都小于20%，符合设计标准，观众整体感觉较为舒适。由图可以清晰的看出方案二PPD值最大，波动也最大，其次是方案一，方案三最优。另外可以看出，一层观众区的前部的PPD较大，沿X轴逐渐减小，直至平稳。方案一和方案三中二层的PPD变化较为平缓，方案二挑台处的PPD变化较大，这也是气流通过挑台处的急剧变化而导致的。

2.2.4 空气龄

由图可知方案一空气龄在500s左右，方案二在400s左右，方案三在200s左右。方案二、方案三的一层观众区空气龄波动较大，空气龄由前到后逐渐减小，这一是由于前排靠近舞台回风口的原因，容易形成湍流，其次与送风口的位置、送风速度有关。以方案三为例，送风口的速度在0.2m/s左右，而舞台回风口速度在2m/s左右，这使得前排气流组织受回风口的影响明显。方案二空气龄变化较为平稳，只是在二层挑台下部出现空气龄陡降，这与温度、速度变化的原因一致。虽然方案三空气龄变化较大，但变化范围大约在100～300s之间，在三个方案中空气龄最小。另外，方案一送风量小于其他两种方案，这也直接导致空气龄较大。虽然方案二和方案三送风量相同，但方案三比方案二空气龄小得多，这也体现了置换通风的优势。