陈必宙

(福建省交通规划设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

剧场观众厅属于高大空间，空调的温度场、速度场直接影响着观众的舒适体验感，并与空调能耗息息相关。而复杂多变的气流，很难通过手动计算体现，为暖通设计带来较大困难。本文拟用airpak软件建立模型，对观众厅空调常用的顶送风和座椅送风进行气流组织模拟，通过采用不同的送风、回风方式得出直观的温度和速度云图，以辅助设计选择合理的风口布置方案，优化气流组织设计。

1 建立并简化剧场观众厅CFD模型

为简化建模复杂程度，减少计算网格数量，剧场的座椅采用直线布置。整个模型大厅长35 m，宽28 m，高16 m，其中池座25排、楼座6排，每排44座，乐池按118座计算,并忽略中间过道。剧场中部上空设置两道面光桥，楼座上方设置两道追光灯。面光桥灯光额定功率共60 kW，发热量按文献[1]公式计算共计18 kW，其中第一、二道面光桥对流部分散热量分别为5.5 kW、3.5 kW；辐射部分散热量9 kW赋值到前舞台工作区。楼座后方追光灯额定功率共8 kW，散热量约4 kW，其中对流散热量2 kW大部分被追光灯室的排风机排走。散入观众厅内按0.5 kW考虑，辐射部分散热量2 kW赋值到前舞台工作区。人体散热量按成年男子静坐状态108W/人计算。冬夏季室内温湿度按常规设定。以观众厅空调常用的顶送风和座椅送风，分别建模并模拟计算。

2 顶送风

顶送风按楼座及其正下方池座合设一个系统，其余池座设置一个空调系统，以满足观众较少时，仅开启池座空调节能运行。模型采用条缝送风，送风口尺寸为1000 mm×150 mm。现代剧场多采用弧形吊顶，送风口和下方池座座椅相对等高弧形布置，平均高差约12 m。为避免对面光桥射灯的遮挡，局部送风口高度微调。回风口设置在乐池和楼座(利用楼座下方空腔做回风静压箱)侧墙，共计4个。吊顶、检修马道按通透格栅考虑，为减少计算网格，模型不体现。由于人体及座椅网格数量巨大，为进一步简化模型，将人体散热量均匀赋值到阶梯台阶。

2.1 夏季送风

夏季送风温度17℃，送风管共9排。其中楼座上方和下方各2排，楼座上方送风风速4 m/s,楼座下方送风风速1.5 m/s；池座上方共5排，送风风速4.5 m/s，模型参图1夏季顶送竖向剖面温度云图。

图1 夏季顶送竖向剖面温度云图

图2 夏季顶送池座台阶1.1 m高处斜切面温度云图

模拟分析：

图1～图2：由于楼座在半空挑出，阻挡上方气流下沉，在结构板挑出末端形成局部涡流。楼座最低处正下方池座的温度明显比其余区域高1～2℃。

图2：楼座正下方池座:由于送风口相对台阶较近，该区域都存在送风口正下方观众区温度过低、风速太高(超过1 m/s)现象。楼座正下方池座靠墙角落的两边走道，处于气流死角，温度也较高。

2.2 冬季送风

冬季送风温度32°C，送风管共9排，其中楼座上方和下方各2排，楼座上方送风风速为零,楼座下方送风风速0.3 m/s；池座上方共5排，送风风速3 m/s，模型参竖向剖面温度云图3。考虑回风口位置和送风风速(3 m/s和6 m/s对比)对热风的影响较大，分别模拟，结果如下：

(1)回风口设置在池座中部走道处和楼座侧墙；

(2)回风口设置在观众厅乐池处和楼座侧墙；

(3)池座上空5排送风口送风风速增加至6.0 m/s。

图3 冬季顶送竖向剖面温度云图

图4 冬季顶送乐池回风竖向剖面温度云图

图5 冬季顶送速度(1.1 m斜切面温度)云图

图6 冬季顶送竖向剖面温度及2.0 m斜切面处风速云图

模拟分析：

图3～图4：楼座区域不存在外墙和楼板等围护结构传热，并且热空气上浮，在没有送风的情况下，温度达到23℃。楼座正下方属于池座最高处，其送风速度0.3 m/s时，温度可达21℃。回风口设置在乐池低处比设置在过道中部，乐池温度约提高1℃，具有明显的节能意义。同样送风量下，整个观众厅从阶梯低处到高处呈现出明显的温度差，池座后方比乐池低处温度高约2℃。

图5：池座距离台阶2 m高人员活动区域，观众区风速≤0.15 m/s；送风核心射流区在距地约8 m处，核心风速为≤0.5 m/s，风速衰减快。

图6：由1.1 m、2.0 m标高处斜面的温速度及剖面高度方向温度所示。同样送风量，改变池座上空5排风口长度，使送风速度由3 m/s增加为6 m/s,观众厅低处尤其是乐池区域温度提升明显，具有较好节能效果，同时距离台阶2.0 m处人员活动区风速约0.25 m/s，满足舒适性要求。

小结：顶送风的空调模式，当夏季转冬季运行时，需要重新调整支管风阀，以满足乐池区域和楼座区域冬夏季节较大的送风量差别。顶送风空调系统的楼座及正下方区域宜采用一个独立系统，其他池座区域采用一个空调系统；当观众厅作为多功能厅或报告厅使用，观众较少时，楼座及楼座正下方的池座，则可完全关闭，具有较大节能效益。

3 座椅送风

座椅送风是置换通风的一种，处理过的低速、小温差新鲜清洁空气，直接从座椅下的送风口送入室内人员活动区。

3.1 夏季送风

夏季送风温度21℃，每个座椅送风量60 m3/h。模型继续简化两侧过道，将座椅送风改为地板条形送风口，且同一排座椅送风口连成一个长条风口，风口尺寸为25000 mm×100 mm,送风风速0.29 m/s。升降乐池空间特殊，在过道处设置静压箱，采用条缝侧送风口2500 mm×300 mm，送风速度0.29 m/s。面光桥散热量大，排风口同样设置在其正上方。模型参竖向剖面温度云图如图7所示。

图7 夏季座椅送风竖向剖面温度及2.0 m斜切面处风速云图

3.2 冬季送风

冬季楼座不送风，池座送风温度28℃，送风风速0.1 m/s。其中，乐池条缝侧送风口送风速度0.6 m/s。

图8 冬季座椅送风竖向剖面和1.1 m高处斜切面温度云图

模拟分析：

图7：整个观众厅的高度方向温度非常均匀。楼座由于位置较高，热空气上升，温度比池座略高0.4℃。楼座可适当增加设计送风量。在2.0 m高处，风速在0.05～0.1 m/s之间，满足舒适性要求。

图8：冬季座椅送风高度方向最大温差约1℃，与图4顶送风的4℃温差比较，供热效率极高。但乐池处侧吹风口，因热空气上升，效率较低。

4 顶送风和座椅送风方式的比较

图1可见：夏季顶送风最低温出现在台阶6 m以上，沿空间高度方向从低到高，温度场呈现“高(25.45℃)-低(24.48℃)-高(26.50℃)”的变化。而图7可见：座椅地板送风的温度场沿高度方向呈现“低(25.52℃)-高(26.38℃)”的变化。冬季送风时，顶送风这种现象更明显。无论冬夏，当人员活动区处于温度场的最低温处，空调效率最高，节能效果明显。显然座椅送风系统更吻合这种理想的“置换通风”温度分布。由以上云图比较可以看出，座椅送风具有更均匀的温度场和速度场。同时也发现，“层高”和“楼座”让座椅送风在剧场观众厅的气流组织和能耗方面优势尽显。但是，项目的能耗也和商业运营关系密切。座椅送风地面下设大面积的静压箱空间，蓄冷量大，每场演出均需很长时间预冷，增大了能量消耗。对于非连续使用、间歇时间长的剧场，反而不节能。小型演艺厅和报告厅，没有楼座区域、空间气流组织相对简单、人员少、层高相对低、无效空调少，顶送风空调方案无需静压箱空间，供冷、送热快速，具有一定的优势。

5 模拟在具体工程设计中的指导应用及验收实测温度场效果

5.1 福州地区某演艺中心项目

演艺文化中心项目建筑面积约4万 m2，其中包含一个400人的多功能小剧场兼报告厅，和一个1500座大剧院及影院等，以及其他配套建筑。大剧院观众厅包含乐池118座，无障碍座席4座，池座1100座，楼座278座。该演艺中心为该旅游岛配套的最大文化旅游项目，业主要求剧场建筑具备有剧场、会议厅、报告厅等多功能运营能力，以适应多样性的商业演出，吸引来岛游客。经以上模拟分析及方案比较，大剧场观众厅空调采用地板座椅送风；小剧场因面积小、无楼座、气流简单采用顶送风形式(略)。大剧场空调采用二次回风系统，送风温度21℃；椅脚采用φ160承重型圆筒状送风脚，送风筒开孔率为42%，孔径为φ8 mm，孔距11 mm；在送风筒内部设置一圆锥型均流器，平衡各风口压力。送风筒底部还设置风量调节阀，调节风量大小。空调按楼座和池座分设送风系统。乐池区域由池座静压箱向侧壁设置6个1000×400 mm的双层百叶风口侧送。空调回风口4个，分散设置在第一道面光桥下方的两侧过道隐蔽高处和池座后方墙面上。面光桥正上方分散设置排风兼排烟口共8个，在满足排烟距离的同时，及时排除面光桥灯具散热量，具体如图9所示。

图9 观众厅空调系统原理图

5.2 项目验收阶段，现场对室内环境温度、速度监测

中央空调开机约25 min后，400人小剧场室内温度基本稳定。观众厅测点按《通风与空调工程施工质量验收规范》[2]室内60 m2～100 m2设5个测点，100 m2及以上，每增加50 m2增加1个测点，测点均匀布置。顶送风的小剧场温度场和速度场基本达到设计要求。

中央空调开机约55 min后，大剧院室内温度基本稳定。大剧院观众厅座椅送风，脚裸0.1 m～0.2 m处、坐姿0.8 m～1.1 m处，台阶之上1.8 m处为代表性测点。其中楼座位置8个测点分布如图10所示。

图10 测点分布图

测点结果，楼座的温度场稍有不均，其中中间的位置测点4、5，温度偏低；测点3温度较为理想；其余测点温度均偏高。仔细分析现场发现：因楼座静压箱的6道斜梁太大，影响风量分配。现场通过调节风阀，问题顺利解决。而池座的各个测点，温度场和速度场数值相近，基本达到设计要求。

6 结语

模拟可以直观地给出温度场和速度场，供方案选择参考。采用座椅送风方案的剧场从节能和舒适性、季节转换角度显然有更大优势。楼座及其正下方的池座是气流最复杂的区域，该区域容易存在送风死角和送风超速，局部过冷过热问题，而回风口的位置对改善气流和节能起到很好的作用。模拟对高大空间的空调方案选择和气流组织有很好的指导意义。