改善舞臺空間熱舒適的模擬分析研究

同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司 李晨玉 王 健 王 穎 曾 剛

0 引言

隨著經濟、科技、文化的發展，人們日益增長的物質文化、精神文明需求使得我國近年來劇場類建筑迅速增多，而舞臺工藝這一專業也逐步進入到了空調設計任務書當中[1]。舞臺是劇場建筑設計的一大重點與難點，而如何保障舞臺上的演員熱舒適性更是近年來亟待解決的問題。以上海市某歌劇廳舞臺空間為例，設計了一種臺倉加熱系統，利用CFD數值模擬方法快速簡便、準確有效、成本較低的優點，分析舞臺空間的熱舒適性并進行優化設計，以供相關設計人員參考。

1 項目概況

1.1 舞臺簡介

某歌劇院項目位于上海市，歌劇廳舞臺為品字型鏡框式固定舞臺，由主舞臺、左右側舞臺和后舞臺組成。主舞臺寬28.00 m，進深20.00 m，高27.73 m；左側舞臺寬20.00 m，進深17.00～23.00 m，高14.00 m；右側舞臺寬20.00 m，進深14.00～21.00 m，高14.00 m；后舞臺寬18.00 m，進深17.00 m，高15.00 m。主舞臺臺倉深11.10 m(自舞臺面算起)。歌劇廳舞臺平面圖如圖1所示。

圖1 歌劇廳舞臺平面圖

1.2 空調系統簡介

歌劇廳舞臺采用定風量一次回風全空氣系統，主舞臺向下30°側送風，左右側舞臺頂送風，回風采用墻體底部側回風的氣流組織形式。

為保證冬季舞臺地板溫度符合人體熱舒適性要求，設計一種臺倉加熱系統，在臺倉內緊貼臺倉頂板送40 ℃熱風，使舞臺地板溫度升高。

2 分析內容與評價標準

2.1 主要分析內容

在夏季，由主舞臺側送、側舞臺上送的冷空氣自然下降，熱舒適性要求較容易得到滿足。而冬季，受熱氣流上升的影響，下部演員活動區的溫度常得不到保障，這是近年來舞臺暖通設計中一直未解決的問題。因此，僅對冬季工況進行重點分析。

在原設計基礎上，模擬分析舞臺區的溫度和速度分布情況，對人員活動區的舒適度進行分析，并對比輻射對室內舒適度的影響。

若人員活動區溫度達不到要求，擬在主舞臺臺倉內設置一種加熱系統，即將熱空氣送入臺倉，在演出前對舞臺地面進行加熱，起到地暖的作用。因此，模擬共分為4個工況，見表1。

表1 各工況對比

各工況主要分析的內容為：

1) 距舞臺地板1.5 m高度處室內空氣的平均溫度；

2) 距舞臺地板1.5 m高度處室內空氣的平均風速；

3) 舞臺地板的平均溫度；

4) 歌劇廳舞臺室內溫度的豎直分布情況。

2.2 評價標準

JGJ 57—2016《劇場建筑設計規范》表10.2.3規定，歌劇廳舞臺冬季室內設計溫度為18～22 ℃，平均風速為0.1～0.2 m/s[2]；《全國民用建筑工程設計技術措施 暖通空調·動力》(2009年版)表1.2.2和表5.4.2-1規定，歌劇廳舞臺冬季的室內設計溫度為16～20 ℃，室內活動區的允許氣流速度為0.2 m/s[3]。綜合上述2種室內設計參數的規定，擬將冬季室內設計溫度的范圍設定為16～22 ℃，氣流平均速度定為不大于0.2 m/s。

3 技術方法

使用軟件為計算流體動力學軟件STAR-CCM+。

3.1 建筑模型

由于歌劇廳舞臺的空調系統與觀眾廳分開設置，且觀眾廳的氣流組織形式還需根據工藝要求進行二次深化設計，故暫不考慮觀眾廳空調系統的影響。后舞臺主要為候場時使用，表演時會利用反聲板將其與主舞臺隔開，因此模擬分析時僅考慮主舞臺及左右2個側舞臺。簡化后建立的舞臺模型如圖2所示。

圖2 歌劇廳舞臺模型

3.2 邊界條件

歌劇廳舞臺的冬季室內設計溫度為20 ℃，其周邊相鄰房間主要為樓梯間、耳光室、衛生間和走廊等，其溫度按照值班溫度5 ℃考慮，室外環境溫度為上海市冬季空氣調節室外計算溫度-2.2 ℃[4]。主舞臺和側舞臺送風溫度為25 ℃。

忽略人體散熱和燈光散熱，以最不利條件進行模擬計算。模擬分析的入口、出口邊界條件，壁面邊界條件的具體設置見表2和表3。

表2 入口、出口邊界條件

4 模擬結果分析

4.1 原設計方案

圖3顯示了原設計方案歌劇廳舞臺剖面溫度場、風速場。

原設計方案不考慮輻射影響時，熱空氣從頂部送風口向下送出，與冷空氣混合使舞臺室內溫度升高，由于熱空氣向上升，室內出現了上熱下冷的現象。舞臺地板附近溫度僅為9.2 ℃，溫度過低，人員于舞臺上活動時的舒適性差。但1.5 m高度處人員活動區基本符合冬季室內設計溫度要求，平均溫度為20.8 ℃，比冬季室內設計溫度20.0 ℃高0.8 ℃；1.5 m高度處的平均風速為0.19 m/s，在冬季室內設計平均速度范圍內。

表3 壁面邊界條件

注：工況1不考慮輻射影響，工況2考慮輻射影響。

以工況1模擬結果為基礎，考慮輻射影響，將舞臺地板的平均溫度設為9.2 ℃進行模擬。歌劇廳舞臺1.5 m高度處的平均溫度為19.2 ℃，較工況1降低了1.6 ℃，但仍在冬季室內設計溫度范圍內；1.5 m高度處的平均風速為0.19 m/s，無變化。

4.2 優化設計方案

圖4顯示了優化方案歌劇廳舞臺剖面溫度場、風速場。

注：工況3不考慮輻射影響，工況4考慮輻射影響。

為提高舞臺地板溫度，使人員于舞臺上活動時的舒適性較好，增加臺倉送風加熱系統。經計算分析，系統為維持舞臺地板溫度所需總送風量為10 800 m3/h，送風溫度為40 ℃，送風速度為3 m/s。

熱空氣從頂部送風口向下送出，與冷空氣混合使舞臺室內溫度升高。由于熱空氣向上升，室內出現了上熱下冷的現象，但有臺倉內加熱系統的熱空氣對舞臺底部進行加熱，舞臺內溫度豎直分布變得較為均勻，底部與頂部溫差大大減小。主舞臺地板的平均溫度為24.5 ℃，對比無臺倉加熱系統升高了15.3 ℃，人員于舞臺上活動時的舒適性非常好。舞臺1.5 m高度處的平均溫度有所升高，為21.1 ℃，比冬季室內設計溫度20.0 ℃高1.1 ℃；1.5 m高度處的平均風速為0.20 m/s，仍在冬季室內設計氣流平均速度范圍內。

以工況3模擬結果為基礎，考慮輻射影響，將舞臺地板的平均溫度設為24.5 ℃進行模擬。歌劇廳舞臺1.5 m高度處的平均溫度為21.0 ℃，較工況1僅降低了0.1 ℃；1.5 m高度處的平均風速為0.17 m/s，降低了0.03 m/s。

臺倉加熱系統增加的總熱負荷約為31.4 kW，在提高舞臺地板熱舒適性的同時，臺倉內的溫度也大大升高，頂部溫度更是達到33 ℃以上，如圖5所示。

圖5 優化方案舞臺臺倉剖面溫度云圖

4.3 預熱時間

臺倉加熱系統對改善舞臺地板熱舒適性效果明顯，采用非穩態方法分析該加熱系統的最佳預熱時間，模擬時長為2 h，計算步頻為5 s-1。圖6顯示了臺倉頂板平均溫度變化曲線。由圖6可知，模擬運行到第20 000步，即約1 h時，臺倉頂板(舞臺地板)平均溫度基本達到如圖7所示的穩定狀態。

圖6 臺倉頂板平均溫度變化曲線

圖7 歌劇廳舞臺地板溫度分布云圖

5 結論

演出人員在舞臺上進行表演時，對舞臺空間的熱舒適性要求較高，特別是冬季赤腳表演時，這一直是舞臺暖通設計中的重點難點問題。結合上海市某歌劇廳舞臺案例，提出了一種臺倉加熱系統并驗證了其有效性，為這一重難點問題提供了一種解決思路，主要得到以下結論：

1) 歌劇廳舞臺僅采用原定風量一次回風全空氣系統時，舞臺1.5 m高度處平均溫度約為19～21 ℃，平均風速均小于0.2 m/s，基本能夠滿足相關標準規范中的室內設計參數要求。但舞臺地板表面溫度較低，僅有約9 ℃，人員活動區的舒適度并不高。

2) 考慮輻射影響后，舞臺空間整體溫度較未考慮輻射時更加均勻并有所降低，對風速影響較小。

3) 設計一種臺倉加熱系統，在臺倉內緊貼臺倉頂板送40 ℃熱風，能使歌劇廳舞臺地板的平均溫度大大升高，足以達到24.5 ℃，且舞臺內溫度豎直分布變得較為均勻，改善了室內上熱下冷現象，更加符合人體熱舒適性要求。

4) 臺倉加熱系統開機運行約1 h后，舞臺地板平均溫度基本達到穩定。因此，僅需在演出前提前1 h開啟該加熱系統，就能保證演出人員的熱舒適性。

5) 臺倉加熱系統會造成其內部溫度過高，在實際設計使用該系統時，需考慮其對臺倉內部工作活動、機械系統等的影響。