劇院觀眾廳氣流組織模擬與設(shè)計(jì)探析

陳必宙

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

劇場(chǎng)觀眾廳屬于高大空間，空調(diào)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)直接影響著觀眾的舒適體驗(yàn)感，并與空調(diào)能耗息息相關(guān)。而復(fù)雜多變的氣流，很難通過(guò)手動(dòng)計(jì)算體現(xiàn)，為暖通設(shè)計(jì)帶來(lái)較大困難。本文擬用airpak軟件建立模型，對(duì)觀眾廳空調(diào)常用的頂送風(fēng)和座椅送風(fēng)進(jìn)行氣流組織模擬，通過(guò)采用不同的送風(fēng)、回風(fēng)方式得出直觀的溫度和速度云圖，以輔助設(shè)計(jì)選擇合理的風(fēng)口布置方案，優(yōu)化氣流組織設(shè)計(jì)。

1 建立并簡(jiǎn)化劇場(chǎng)觀眾廳CFD模型

為簡(jiǎn)化建模復(fù)雜程度，減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量，劇場(chǎng)的座椅采用直線布置。整個(gè)模型大廳長(zhǎng)35 m，寬28 m，高16 m，其中池座25排、樓座6排，每排44座，樂(lè)池按118座計(jì)算,并忽略中間過(guò)道。劇場(chǎng)中部上空設(shè)置兩道面光橋，樓座上方設(shè)置兩道追光燈。面光橋燈光額定功率共60 kW，發(fā)熱量按文獻(xiàn)[1]公式計(jì)算共計(jì)18 kW，其中第一、二道面光橋?qū)α鞑糠稚崃糠謩e為5.5 kW、3.5 kW；輻射部分散熱量9 kW賦值到前舞臺(tái)工作區(qū)。樓座后方追光燈額定功率共8 kW，散熱量約4 kW，其中對(duì)流散熱量2 kW大部分被追光燈室的排風(fēng)機(jī)排走。散入觀眾廳內(nèi)按0.5 kW考慮，輻射部分散熱量2 kW賦值到前舞臺(tái)工作區(qū)。人體散熱量按成年男子靜坐狀態(tài)108W/人計(jì)算。冬夏季室內(nèi)溫濕度按常規(guī)設(shè)定。以觀眾廳空調(diào)常用的頂送風(fēng)和座椅送風(fēng)，分別建模并模擬計(jì)算。

2 頂送風(fēng)

頂送風(fēng)按樓座及其正下方池座合設(shè)一個(gè)系統(tǒng)，其余池座設(shè)置一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，以滿足觀眾較少時(shí)，僅開啟池座空調(diào)節(jié)能運(yùn)行。模型采用條縫送風(fēng)，送風(fēng)口尺寸為1000 mm×150 mm。現(xiàn)代劇場(chǎng)多采用弧形吊頂，送風(fēng)口和下方池座座椅相對(duì)等高弧形布置，平均高差約12 m。為避免對(duì)面光橋射燈的遮擋，局部送風(fēng)口高度微調(diào)。回風(fēng)口設(shè)置在樂(lè)池和樓座(利用樓座下方空腔做回風(fēng)靜壓箱)側(cè)墻，共計(jì)4個(gè)。吊頂、檢修馬道按通透格柵考慮，為減少計(jì)算網(wǎng)格，模型不體現(xiàn)。由于人體及座椅網(wǎng)格數(shù)量巨大，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，將人體散熱量均勻賦值到階梯臺(tái)階。

2.1 夏季送風(fēng)

夏季送風(fēng)溫度17℃，送風(fēng)管共9排。其中樓座上方和下方各2排，樓座上方送風(fēng)風(fēng)速4 m/s,樓座下方送風(fēng)風(fēng)速1.5 m/s；池座上方共5排，送風(fēng)風(fēng)速4.5 m/s，模型參圖1夏季頂送豎向剖面溫度云圖。

圖1 夏季頂送豎向剖面溫度云圖

圖2 夏季頂送池座臺(tái)階1.1 m高處斜切面溫度云圖

模擬分析：

圖1～圖2：由于樓座在半空挑出，阻擋上方氣流下沉，在結(jié)構(gòu)板挑出末端形成局部渦流。樓座最低處正下方池座的溫度明顯比其余區(qū)域高1～2℃。

圖2：樓座正下方池座:由于送風(fēng)口相對(duì)臺(tái)階較近，該區(qū)域都存在送風(fēng)口正下方觀眾區(qū)溫度過(guò)低、風(fēng)速太高(超過(guò)1 m/s)現(xiàn)象。樓座正下方池座靠墻角落的兩邊走道，處于氣流死角，溫度也較高。

2.2 冬季送風(fēng)

冬季送風(fēng)溫度32°C，送風(fēng)管共9排，其中樓座上方和下方各2排，樓座上方送風(fēng)風(fēng)速為零,樓座下方送風(fēng)風(fēng)速0.3 m/s；池座上方共5排，送風(fēng)風(fēng)速3 m/s，模型參豎向剖面溫度云圖3。考慮回風(fēng)口位置和送風(fēng)風(fēng)速(3 m/s和6 m/s對(duì)比)對(duì)熱風(fēng)的影響較大，分別模擬，結(jié)果如下：

(1)回風(fēng)口設(shè)置在池座中部走道處和樓座側(cè)墻；

(2)回風(fēng)口設(shè)置在觀眾廳樂(lè)池處和樓座側(cè)墻；

(3)池座上空5排送風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)速增加至6.0 m/s。

圖3 冬季頂送豎向剖面溫度云圖

圖4 冬季頂送樂(lè)池回風(fēng)豎向剖面溫度云圖

圖5 冬季頂送速度(1.1 m斜切面溫度)云圖

圖6 冬季頂送豎向剖面溫度及2.0 m斜切面處風(fēng)速云圖

模擬分析：

圖3～圖4：樓座區(qū)域不存在外墻和樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，并且熱空氣上浮，在沒(méi)有送風(fēng)的情況下，溫度達(dá)到23℃。樓座正下方屬于池座最高處，其送風(fēng)速度0.3 m/s時(shí)，溫度可達(dá)21℃。回風(fēng)口設(shè)置在樂(lè)池低處比設(shè)置在過(guò)道中部，樂(lè)池溫度約提高1℃，具有明顯的節(jié)能意義。同樣送風(fēng)量下，整個(gè)觀眾廳從階梯低處到高處呈現(xiàn)出明顯的溫度差，池座后方比樂(lè)池低處溫度高約2℃。

圖5：池座距離臺(tái)階2 m高人員活動(dòng)區(qū)域，觀眾區(qū)風(fēng)速≤0.15 m/s；送風(fēng)核心射流區(qū)在距地約8 m處，核心風(fēng)速為≤0.5 m/s，風(fēng)速衰減快。

圖6：由1.1 m、2.0 m標(biāo)高處斜面的溫速度及剖面高度方向溫度所示。同樣送風(fēng)量，改變池座上空5排風(fēng)口長(zhǎng)度，使送風(fēng)速度由3 m/s增加為6 m/s,觀眾廳低處尤其是樂(lè)池區(qū)域溫度提升明顯，具有較好節(jié)能效果，同時(shí)距離臺(tái)階2.0 m處人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速約0.25 m/s，滿足舒適性要求。

小結(jié)：頂送風(fēng)的空調(diào)模式，當(dāng)夏季轉(zhuǎn)冬季運(yùn)行時(shí)，需要重新調(diào)整支管風(fēng)閥，以滿足樂(lè)池區(qū)域和樓座區(qū)域冬夏季節(jié)較大的送風(fēng)量差別。頂送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的樓座及正下方區(qū)域宜采用一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，其他池座區(qū)域采用一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)；當(dāng)觀眾廳作為多功能廳或報(bào)告廳使用，觀眾較少時(shí)，樓座及樓座正下方的池座，則可完全關(guān)閉，具有較大節(jié)能效益。

3 座椅送風(fēng)

座椅送風(fēng)是置換通風(fēng)的一種，處理過(guò)的低速、小溫差新鮮清潔空氣，直接從座椅下的送風(fēng)口送入室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)。

3.1 夏季送風(fēng)

夏季送風(fēng)溫度21℃，每個(gè)座椅送風(fēng)量60 m3/h。模型繼續(xù)簡(jiǎn)化兩側(cè)過(guò)道，將座椅送風(fēng)改為地板條形送風(fēng)口，且同一排座椅送風(fēng)口連成一個(gè)長(zhǎng)條風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為25000 mm×100 mm,送風(fēng)風(fēng)速0.29 m/s。升降樂(lè)池空間特殊，在過(guò)道處設(shè)置靜壓箱，采用條縫側(cè)送風(fēng)口2500 mm×300 mm，送風(fēng)速度0.29 m/s。面光橋散熱量大，排風(fēng)口同樣設(shè)置在其正上方。模型參豎向剖面溫度云圖如圖7所示。

圖7 夏季座椅送風(fēng)豎向剖面溫度及2.0 m斜切面處風(fēng)速云圖

3.2 冬季送風(fēng)

冬季樓座不送風(fēng)，池座送風(fēng)溫度28℃，送風(fēng)風(fēng)速0.1 m/s。其中，樂(lè)池條縫側(cè)送風(fēng)口送風(fēng)速度0.6 m/s。

圖8 冬季座椅送風(fēng)豎向剖面和1.1 m高處斜切面溫度云圖

模擬分析：

圖7：整個(gè)觀眾廳的高度方向溫度非常均勻。樓座由于位置較高，熱空氣上升，溫度比池座略高0.4℃。樓座可適當(dāng)增加設(shè)計(jì)送風(fēng)量。在2.0 m高處，風(fēng)速在0.05～0.1 m/s之間，滿足舒適性要求。

圖8：冬季座椅送風(fēng)高度方向最大溫差約1℃，與圖4頂送風(fēng)的4℃溫差比較，供熱效率極高。但樂(lè)池處側(cè)吹風(fēng)口，因熱空氣上升，效率較低。

4 頂送風(fēng)和座椅送風(fēng)方式的比較

圖1可見：夏季頂送風(fēng)最低溫出現(xiàn)在臺(tái)階6 m以上，沿空間高度方向從低到高，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)“高(25.45℃)-低(24.48℃)-高(26.50℃)”的變化。而圖7可見：座椅地板送風(fēng)的溫度場(chǎng)沿高度方向呈現(xiàn)“低(25.52℃)-高(26.38℃)”的變化。冬季送風(fēng)時(shí)，頂送風(fēng)這種現(xiàn)象更明顯。無(wú)論冬夏，當(dāng)人員活動(dòng)區(qū)處于溫度場(chǎng)的最低溫處，空調(diào)效率最高，節(jié)能效果明顯。顯然座椅送風(fēng)系統(tǒng)更吻合這種理想的“置換通風(fēng)”溫度分布。由以上云圖比較可以看出，座椅送風(fēng)具有更均勻的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，“層高”和“樓座”讓座椅送風(fēng)在劇場(chǎng)觀眾廳的氣流組織和能耗方面優(yōu)勢(shì)盡顯。但是，項(xiàng)目的能耗也和商業(yè)運(yùn)營(yíng)關(guān)系密切。座椅送風(fēng)地面下設(shè)大面積的靜壓箱空間，蓄冷量大，每場(chǎng)演出均需很長(zhǎng)時(shí)間預(yù)冷，增大了能量消耗。對(duì)于非連續(xù)使用、間歇時(shí)間長(zhǎng)的劇場(chǎng)，反而不節(jié)能。小型演藝廳和報(bào)告廳，沒(méi)有樓座區(qū)域、空間氣流組織相對(duì)簡(jiǎn)單、人員少、層高相對(duì)低、無(wú)效空調(diào)少，頂送風(fēng)空調(diào)方案無(wú)需靜壓箱空間，供冷、送熱快速，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 模擬在具體工程設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)應(yīng)用及驗(yàn)收實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)效果

5.1 福州地區(qū)某演藝中心項(xiàng)目

演藝文化中心項(xiàng)目建筑面積約4萬(wàn) m2，其中包含一個(gè)400人的多功能小劇場(chǎng)兼報(bào)告廳，和一個(gè)1500座大劇院及影院等，以及其他配套建筑。大劇院觀眾廳包含樂(lè)池118座，無(wú)障礙座席4座，池座1100座，樓座278座。該演藝中心為該旅游島配套的最大文化旅游項(xiàng)目，業(yè)主要求劇場(chǎng)建筑具備有劇場(chǎng)、會(huì)議廳、報(bào)告廳等多功能運(yùn)營(yíng)能力，以適應(yīng)多樣性的商業(yè)演出，吸引來(lái)島游客。經(jīng)以上模擬分析及方案比較，大劇場(chǎng)觀眾廳空調(diào)采用地板座椅送風(fēng)；小劇場(chǎng)因面積小、無(wú)樓座、氣流簡(jiǎn)單采用頂送風(fēng)形式(略)。大劇場(chǎng)空調(diào)采用二次回風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)溫度21℃；椅腳采用φ160承重型圓筒狀送風(fēng)腳，送風(fēng)筒開孔率為42%，孔徑為φ8 mm，孔距11 mm；在送風(fēng)筒內(nèi)部設(shè)置一圓錐型均流器，平衡各風(fēng)口壓力。送風(fēng)筒底部還設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。空調(diào)按樓座和池座分設(shè)送風(fēng)系統(tǒng)。樂(lè)池區(qū)域由池座靜壓箱向側(cè)壁設(shè)置6個(gè)1000×400 mm的雙層百葉風(fēng)口側(cè)送。空調(diào)回風(fēng)口4個(gè)，分散設(shè)置在第一道面光橋下方的兩側(cè)過(guò)道隱蔽高處和池座后方墻面上。面光橋正上方分散設(shè)置排風(fēng)兼排煙口共8個(gè)，在滿足排煙距離的同時(shí)，及時(shí)排除面光橋燈具散熱量，具體如圖9所示。

圖9 觀眾廳空調(diào)系統(tǒng)原理圖

5.2 項(xiàng)目驗(yàn)收階段，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度、速度監(jiān)測(cè)

中央空調(diào)開機(jī)約25 min后，400人小劇場(chǎng)室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定。觀眾廳測(cè)點(diǎn)按《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[2]室內(nèi)60 m2～100 m2設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，100 m2及以上，每增加50 m2增加1個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均勻布置。頂送風(fēng)的小劇場(chǎng)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

中央空調(diào)開機(jī)約55 min后，大劇院室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定。大劇院觀眾廳座椅送風(fēng)，腳裸0.1 m～0.2 m處、坐姿0.8 m～1.1 m處，臺(tái)階之上1.8 m處為代表性測(cè)點(diǎn)。其中樓座位置8個(gè)測(cè)點(diǎn)分布如圖10所示。

圖10 測(cè)點(diǎn)分布圖

測(cè)點(diǎn)結(jié)果，樓座的溫度場(chǎng)稍有不均，其中中間的位置測(cè)點(diǎn)4、5，溫度偏低；測(cè)點(diǎn)3溫度較為理想；其余測(cè)點(diǎn)溫度均偏高。仔細(xì)分析現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：因樓座靜壓箱的6道斜梁太大，影響風(fēng)量分配。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)閥，問(wèn)題順利解決。而池座的各個(gè)測(cè)點(diǎn)，溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)數(shù)值相近，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

模擬可以直觀地給出溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，供方案選擇參考。采用座椅送風(fēng)方案的劇場(chǎng)從節(jié)能和舒適性、季節(jié)轉(zhuǎn)換角度顯然有更大優(yōu)勢(shì)。樓座及其正下方的池座是氣流最復(fù)雜的區(qū)域，該區(qū)域容易存在送風(fēng)死角和送風(fēng)超速，局部過(guò)冷過(guò)熱問(wèn)題，而回風(fēng)口的位置對(duì)改善氣流和節(jié)能起到很好的作用。模擬對(duì)高大空間的空調(diào)方案選擇和氣流組織有很好的指導(dǎo)意義。