某劇院座椅送風(fēng)氣流組織數(shù)值模擬研究

皮英俊 劉東 王婷婷 周鵬 劉芳

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

某劇院座椅送風(fēng)氣流組織數(shù)值模擬研究

皮英俊1劉東1王婷婷1周鵬2劉芳2

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

在座椅送風(fēng)的設(shè)計(jì)過程中，某些情況下，不能為每個(gè)座椅配置一個(gè)座椅送風(fēng)口。本文針對(duì)某劇院在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的此問題進(jìn)行模擬研究。首先通過建立局部模型，對(duì)兩種不同的座椅送風(fēng)口布置方式的空調(diào)效果進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)風(fēng)口數(shù)量的減少并未對(duì)空調(diào)效果產(chǎn)生很大的影響；在此基礎(chǔ)上根據(jù)劇院建筑及空調(diào)建立模型進(jìn)行模擬，得出此劇院座椅送風(fēng)口的布置可以取得良好的空調(diào)效果的結(jié)論。

劇院數(shù)值模擬座椅送風(fēng)氣流組織

0 引言

座椅送風(fēng)是置換通風(fēng)的一種具體形式[1]，它將送風(fēng)口與座椅相結(jié)合，使氣流更加均勻，能讓人體活動(dòng)區(qū)得到較高的空氣品質(zhì)，適合于熱源密度比較大的體育館、劇院等場(chǎng)所。

在工程設(shè)計(jì)中，座椅下送風(fēng)的使用往往受到其他專業(yè)（如結(jié)構(gòu)等）和初投資等因素的限制，在某些情況下，不能對(duì)每個(gè)座椅都設(shè)置一個(gè)座椅送風(fēng)口。這樣的座椅送風(fēng)能否起到良好的空調(diào)效果將是本文著重探討的問題。

筆者首先給出座椅下送風(fēng)的模型和模擬方法，然后利用該模型，構(gòu)造兩種布置條件不同的座椅下送風(fēng)模型，比較了兩種情況下的溫度場(chǎng)合速度場(chǎng)；最后，根據(jù)工程實(shí)例，建立與實(shí)際工程相符的物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)其空調(diào)效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

這是實(shí)際設(shè)計(jì)中的某劇院，由一個(gè)1229座觀眾大廳、主舞臺(tái)與側(cè)臺(tái)及后臺(tái)排演廳、公共服務(wù)空間、交通輔助用房等組成，總建筑面積6422.59m2，地上2層，局部三層（2-3軸觀眾公共衛(wèi)生間及上方區(qū)域），地上建筑面積5741.61m2，地下1層，地下建筑面積680.98m2。

由于在設(shè)計(jì)過程中，要與結(jié)構(gòu)、工藝等其他部門相配合，無法為每個(gè)座椅都配置座椅送風(fēng)口。綜合考慮各種因素，座椅送風(fēng)口的布置如圖1～2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 座椅下送風(fēng)局部效果數(shù)值模擬

2.1.1 物理模型

筆者通過建立座椅送風(fēng)局部模型，對(duì)兩種不同的座椅送風(fēng)口布置方式進(jìn)行比較，來驗(yàn)證座椅送風(fēng)口的減少是否會(huì)對(duì)空調(diào)效果產(chǎn)生影響。工況1為傳統(tǒng)工況，即對(duì)每個(gè)座椅配置一個(gè)座椅送風(fēng)口；工況2為每兩個(gè)座椅只設(shè)置一個(gè)座椅送風(fēng)口，有無送風(fēng)口的座椅交叉放置。兩個(gè)工況的參數(shù)見表1。

模擬的人體及座椅送風(fēng)口尺寸如圖3所示：人體尺寸根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88中國成年人人體的尺寸數(shù)據(jù)簡化；座椅送風(fēng)口根據(jù)某座椅置換送風(fēng)系列風(fēng)口的TCD-B/250190和TCD-B/250簡化。

網(wǎng)格對(duì)人體所在區(qū)域及送風(fēng)口區(qū)域進(jìn)行了加密處理，在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)量。

觀眾區(qū)有多排座椅，每一排座椅的情況基本相同。在模擬計(jì)算中考慮前后排座椅以及左右列座椅之間的相互影響。所以，在本次模擬中，建立5×5模型來比較兩個(gè)工況的空調(diào)效果。模型如圖4。其中，工況2中座椅送風(fēng)口的設(shè)置如圖5所示。

模型中的尺寸以及空間位置都是根據(jù)實(shí)際情況確定。一般座椅送風(fēng)系統(tǒng)需要考慮的冷負(fù)荷有人體散熱負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷以及燈光的輻射負(fù)荷等。本次模擬考察座椅送風(fēng)的局部效果，只考慮人體散熱負(fù)荷。人體的顯熱散熱量按表面積均勻分布，根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的負(fù)荷資料，取人員散熱負(fù)荷為55W/人。座椅下送風(fēng)風(fēng)口尺寸按照表1給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行選取。在模型中央上部4m高處設(shè)置回風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為0.2m× 0.2m。座椅送風(fēng)溫度為19℃，模型中設(shè)計(jì)溫度取25℃。

此次模擬選擇的座椅送風(fēng)口樣本的有效面積系數(shù)為0.4，本次模擬中通過編譯UDF文件來表征此項(xiàng)參數(shù)，使模擬結(jié)果更接近于實(shí)際情況。

2.1.2 模擬結(jié)果比較分析

1）溫度場(chǎng)比較。圖6圖7給出了兩個(gè)工況下，人員周圍的溫度分布情況，所取截面為過中間一排人員中心的截面。

風(fēng)從座椅下方送出，沿程吸收熱量，因此人員周圍的溫度上高下低。兩個(gè)工況下，人員周圍的溫度都在23～25℃的范圍內(nèi)，并無顯著差別。所以在總風(fēng)量不變的情況下，將送風(fēng)口數(shù)量減半，并不會(huì)對(duì)環(huán)境的溫度場(chǎng)產(chǎn)生明顯的影響。

2）速度場(chǎng)比較。圖8、圖9給出了兩個(gè)工況下，人體腳踝附近的速度分布情況，所取截面為通過大部分人員腳踝的水平截面。工況1和工況2的送風(fēng)風(fēng)速分別為0.26m/s和0.43m/s，從模擬結(jié)果中可以看出，風(fēng)從送風(fēng)口吹出后，風(fēng)速衰減很快，在距離送風(fēng)口較近的地方風(fēng)速大概為0.1m/s。而兩個(gè)工況下，在人體腳踝區(qū)域的風(fēng)速分別為0.04m/s和0.06m/s，都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。也就是說，雖然工況2減少了風(fēng)口數(shù)量，加大了單個(gè)送風(fēng)口的送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)風(fēng)速，但由于座椅送風(fēng)的特性，風(fēng)速衰減很快，并不會(huì)使人體產(chǎn)生不適的吹風(fēng)感。

綜上所述，將座椅送風(fēng)口數(shù)量減半以后，仍然可以產(chǎn)生較好的熱環(huán)境，且風(fēng)量加大以后，人員并不會(huì)感到不適的吹風(fēng)感。

2.2 某劇場(chǎng)觀眾區(qū)座椅送風(fēng)效果模擬

2.2.1 物理模型

某劇場(chǎng)觀眾區(qū)共有1229個(gè)座位，分為池區(qū)前區(qū)、池區(qū)后區(qū)和樓座三個(gè)部分，觀眾區(qū)座椅及座椅送風(fēng)口的分布如圖1圖2所示。

由于劇院較大，為降低模型復(fù)雜程度和計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行簡化。將送風(fēng)方式改為地板送風(fēng)，送風(fēng)口改為座椅下地面條形風(fēng)口，將同一排的送風(fēng)口建立為一個(gè)模型；人體尺寸根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88中國成年人人體的尺寸數(shù)據(jù)簡化而成，并將每一排的人體建立為一個(gè)模型，如圖10所示。

從風(fēng)口的布置圖（圖1、圖2）上不難發(fā)現(xiàn)，很多座椅都沒有配置座椅送風(fēng)口，為了更真實(shí)地模擬劇場(chǎng)的空調(diào)效果，對(duì)送風(fēng)口數(shù)目較少的區(qū)域?qū)⒉辉O(shè)置條形送風(fēng)口，對(duì)送風(fēng)口數(shù)目較多的區(qū)域設(shè)置條形送風(fēng)口。模型中風(fēng)口的布置如圖11所示。

在設(shè)計(jì)施工圖中，觀眾區(qū)的回風(fēng)口和排風(fēng)口都設(shè)置在觀眾區(qū)的前方，所以在本次模擬中，在觀眾區(qū)的前區(qū)兩側(cè)各布置兩個(gè)排風(fēng)口，回風(fēng)口尺寸為2m×1m。建立的觀眾區(qū)模型如圖12所示。

網(wǎng)格對(duì)人體所在區(qū)域、送風(fēng)口區(qū)域以及回風(fēng)口區(qū)域進(jìn)行了加密處理，人體上方劇院中空區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)稀疏，這樣能在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確前提下，減少網(wǎng)格數(shù)量，加快計(jì)算速度。

人體的顯熱散熱量按表面積均勻分布，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，取人員散熱負(fù)荷為55W/人。送風(fēng)溫度為19℃，空調(diào)設(shè)計(jì)溫度為25℃。

2.2.2 模擬結(jié)果

1）速度場(chǎng)。圖13、14給出了典型截面的速度分布情況。從計(jì)算結(jié)果來看，配置有座椅送風(fēng)口的區(qū)域的人體周圍的風(fēng)速一般在0.05～0.10m/s之間；沒有配置座椅送風(fēng)口的區(qū)域的人體周圍的風(fēng)速一般在0.05m/s以下。除了在送風(fēng)口附近和觀眾廳正上方的風(fēng)速較大之外，其他區(qū)域的氣流速度均較小，氣流從下到上，從后向前依次排出。由于人體熱源的影響，在人體表面附近形成了上升氣流。另外，由于排風(fēng)口設(shè)置在整個(gè)區(qū)域的前方，氣流都有一個(gè)向前、向上的趨勢(shì)。

2）溫度場(chǎng)。圖15給出了典型截面的溫度分布情況。從計(jì)算結(jié)果來看，座椅送風(fēng)的空調(diào)效果基本能達(dá)到人體舒適度的要求，且同一區(qū)域的溫度分布較為均勻。但是，也出現(xiàn)了明顯的溫度分層情況。前區(qū)的溫度較低，其原因?yàn)椋孩倌M計(jì)算過程中，忽略了舞臺(tái)燈光輻射所產(chǎn)生的負(fù)荷；②處于劇場(chǎng)的最低處，冷空氣下沉停滯，導(dǎo)致溫度降低；③距離排風(fēng)口最近，相對(duì)于后排來說，空氣齡較小，能及時(shí)將人員的散熱帶走。樓座的溫度偏高，其原因?yàn)椋孩匐x回風(fēng)口較遠(yuǎn)，空氣齡較大，人員散熱量不能被及時(shí)帶走；②處于劇場(chǎng)的最高處，熱空氣上浮，導(dǎo)致樓座溫度偏高；③由于模型建立的原因，樓座區(qū)域?qū)痈呦鄬?duì)于前排來說較低，這也會(huì)對(duì)空調(diào)效果產(chǎn)生一定的影響。總體來說，模擬結(jié)果是令人滿意的。

3 結(jié)論及建議

1）座椅送風(fēng)可以為人員提供舒適的熱環(huán)境；

2）在總風(fēng)量不變的前提下，適當(dāng)減少座椅送風(fēng)口的數(shù)量，并不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很大的影響；

3）本劇院內(nèi)的座椅送風(fēng)口布置可以取得良好的空調(diào)效果；

4）由于出現(xiàn)了明顯的溫度分層，建議對(duì)送風(fēng)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)控制，適當(dāng)提高池區(qū)前區(qū)的送風(fēng)溫度，適當(dāng)降低樓座的送風(fēng)溫度，這樣不僅能夠節(jié)能，還能為人員提供更好的環(huán)境。

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Num e ric a l Ana lys is on A ir Dis tribu tion fo r Cha ir Ven tila tion in a Thea tre

PIYing-jun1,LIU Dong1,WANG Ting-ting1,ZHOU Peng2,LIU Fang2
1 SchoolofMechanicaland Energy Engineering,TongjiUniversity
2 TongjiArchitecturalDesign(Group)Co.,Ltd.

Under certain circumstances during the chair ventilation design process,it is difficult to install the seatoutlet foreach seat.In this paper,a simulation study is conducted based on this problem,which occurred in the design process fora theater.To begin w ith,the effectof air conditioning under two differentdistributionsof chair ventilation outletwas simulated,and it is found thata reduction of air supply outletactually did notaffect the effectof air conditioning to a greatextend.In the nextstep,the theatre building and air conditioningmodeling isput into simulation,which led us to a conclusion that,the distribution of seatairsupply outletin this theatre can resultinwonderfulair conditioning effect.

theatre,numericalsimulation,chairventilation,airdistribution

1003-0344（2014）03-055-4

2013-5-21

皮英?。?989～），男，碩士研究生；上海市楊浦區(qū)四平路1230號(hào)202室建筑一院（200092）；E-mail:piyingjun1913@sina.com