劇院觀眾廳氣流組織模擬與設計探析

陳必宙

(福建省交通規劃設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

劇場觀眾廳屬于高大空間，空調的溫度場、速度場直接影響著觀眾的舒適體驗感，并與空調能耗息息相關。而復雜多變的氣流，很難通過手動計算體現，為暖通設計帶來較大困難。本文擬用airpak軟件建立模型，對觀眾廳空調常用的頂送風和座椅送風進行氣流組織模擬，通過采用不同的送風、回風方式得出直觀的溫度和速度云圖，以輔助設計選擇合理的風口布置方案，優化氣流組織設計。

1 建立并簡化劇場觀眾廳CFD模型

為簡化建模復雜程度，減少計算網格數量，劇場的座椅采用直線布置。整個模型大廳長35 m，寬28 m，高16 m，其中池座25排、樓座6排，每排44座，樂池按118座計算,并忽略中間過道。劇場中部上空設置兩道面光橋，樓座上方設置兩道追光燈。面光橋燈光額定功率共60 kW，發熱量按文獻[1]公式計算共計18 kW，其中第一、二道面光橋對流部分散熱量分別為5.5 kW、3.5 kW；輻射部分散熱量9 kW賦值到前舞臺工作區。樓座后方追光燈額定功率共8 kW，散熱量約4 kW，其中對流散熱量2 kW大部分被追光燈室的排風機排走。散入觀眾廳內按0.5 kW考慮，輻射部分散熱量2 kW賦值到前舞臺工作區。人體散熱量按成年男子靜坐狀態108W/人計算。冬夏季室內溫濕度按常規設定。以觀眾廳空調常用的頂送風和座椅送風，分別建模并模擬計算。

2 頂送風

頂送風按樓座及其正下方池座合設一個系統，其余池座設置一個空調系統，以滿足觀眾較少時，僅開啟池座空調節能運行。模型采用條縫送風，送風口尺寸為1000 mm×150 mm。現代劇場多采用弧形吊頂，送風口和下方池座座椅相對等高弧形布置，平均高差約12 m。為避免對面光橋射燈的遮擋，局部送風口高度微調。回風口設置在樂池和樓座(利用樓座下方空腔做回風靜壓箱)側墻，共計4個。吊頂、檢修馬道按通透格柵考慮，為減少計算網格，模型不體現。由于人體及座椅網格數量巨大，為進一步簡化模型，將人體散熱量均勻賦值到階梯臺階。

2.1 夏季送風

夏季送風溫度17℃，送風管共9排。其中樓座上方和下方各2排，樓座上方送風風速4 m/s,樓座下方送風風速1.5 m/s；池座上方共5排，送風風速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，在結構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域高1～2℃。

圖2：樓座正下方池座:由于送風口相對臺階較近，該區域都存在送風口正下方觀眾區溫度過低、風速太高(超過1 m/s)現象。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

冬季送風溫度32°C，送風管共9排，其中樓座上方和下方各2排，樓座上方送風風速為零,樓座下方送風風速0.3 m/s；池座上方共5排，送風風速3 m/s，模型參豎向剖面溫度云圖3。考慮回風口位置和送風風速(3 m/s和6 m/s對比)對熱風的影響較大，分別模擬，結果如下：

(1)回風口設置在池座中部走道處和樓座側墻；

(2)回風口設置在觀眾廳樂池處和樓座側墻；

(3)池座上空5排送風口送風風速增加至6.0 m/s。

圖3 冬季頂送豎向剖面溫度云圖

圖4 冬季頂送樂池回風豎向剖面溫度云圖

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斜切面處風速云圖

模擬分析：

圖3～圖4：樓座區域不存在外墻和樓板等圍護結構傳熱，并且熱空氣上浮，在沒有送風的情況下，溫度達到23℃。樓座正下方屬于池座最高處，其送風速度0.3 m/s時，溫度可達21℃。回風口設置在樂池低處比設置在過道中部，樂池溫度約提高1℃，具有明顯的節能意義。同樣送風量下，整個觀眾廳從階梯低處到高處呈現出明顯的溫度差，池座后方比樂池低處溫度高約2℃。

圖5：池座距離臺階2 m高人員活動區域，觀眾區風速≤0.15 m/s；送風核心射流區在距地約8 m處，核心風速為≤0.5 m/s，風速衰減快。

圖6：由1.1 m、2.0 m標高處斜面的溫速度及剖面高度方向溫度所示。同樣送風量，改變池座上空5排風口長度，使送風速度由3 m/s增加為6 m/s,觀眾廳低處尤其是樂池區域溫度提升明顯，具有較好節能效果，同時距離臺階2.0 m處人員活動區風速約0.25 m/s，滿足舒適性要求。

小結：頂送風的空調模式，當夏季轉冬季運行時，需要重新調整支管風閥，以滿足樂池區域和樓座區域冬夏季節較大的送風量差別。頂送風空調系統的樓座及正下方區域宜采用一個獨立系統，其他池座區域采用一個空調系統；當觀眾廳作為多功能廳或報告廳使用，觀眾較少時，樓座及樓座正下方的池座，則可完全關閉，具有較大節能效益。

3 座椅送風

座椅送風是置換通風的一種，處理過的低速、小溫差新鮮清潔空氣，直接從座椅下的送風口送入室內人員活動區。

3.1 夏季送風

夏季送風溫度21℃，每個座椅送風量60 m3/h。模型繼續簡化兩側過道，將座椅送風改為地板條形送風口，且同一排座椅送風口連成一個長條風口，風口尺寸為25000 mm×100 mm,送風風速0.29 m/s。升降樂池空間特殊，在過道處設置靜壓箱，采用條縫側送風口2500 mm×300 mm，送風速度0.29 m/s。面光橋散熱量大，排風口同樣設置在其正上方。模型參豎向剖面溫度云圖如圖7所示。

圖7 夏季座椅送風豎向剖面溫度及2.0 m斜切面處風速云圖

3.2 冬季送風

冬季樓座不送風，池座送風溫度28℃，送風風速0.1 m/s。其中，樂池條縫側送風口送風速度0.6 m/s。

圖8 冬季座椅送風豎向剖面和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℃。樓座可適當增加設計送風量。在2.0 m高處，風速在0.05～0.1 m/s之間，滿足舒適性要求。

圖8：冬季座椅送風高度方向最大溫差約1℃，與圖4頂送風的4℃溫差比較，供熱效率極高。但樂池處側吹風口，因熱空氣上升，效率較低。

4 頂送風和座椅送風方式的比較

圖1可見：夏季頂送風最低溫出現在臺階6 m以上，沿空間高度方向從低到高，溫度場呈現“高(25.45℃)-低(24.48℃)-高(26.50℃)”的變化。而圖7可見：座椅地板送風的溫度場沿高度方向呈現“低(25.52℃)-高(26.38℃)”的變化。冬季送風時，頂送風這種現象更明顯。無論冬夏，當人員活動區處于溫度場的最低溫處，空調效率最高，節能效果明顯。顯然座椅送風系統更吻合這種理想的“置換通風”溫度分布。由以上云圖比較可以看出，座椅送風具有更均勻的溫度場和速度場。同時也發現，“層高”和“樓座”讓座椅送風在劇場觀眾廳的氣流組織和能耗方面優勢盡顯。但是，項目的能耗也和商業運營關系密切。座椅送風地面下設大面積的靜壓箱空間，蓄冷量大，每場演出均需很長時間預冷，增大了能量消耗。對于非連續使用、間歇時間長的劇場，反而不節能。小型演藝廳和報告廳，沒有樓座區域、空間氣流組織相對簡單、人員少、層高相對低、無效空調少，頂送風空調方案無需靜壓箱空間，供冷、送熱快速，具有一定的優勢。

5 模擬在具體工程設計中的指導應用及驗收實測溫度場效果

5.1 福州地區某演藝中心項目

演藝文化中心項目建筑面積約4萬 m2，其中包含一個400人的多功能小劇場兼報告廳，和一個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池118座，無障礙座席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目，業主要求劇場建筑具備有劇場、會議廳、報告廳等多功能運營能力，以適應多樣性的商業演出，吸引來島游客。經以上模擬分析及方案比較，大劇場觀眾廳空調采用地板座椅送風；小劇場因面積小、無樓座、氣流簡單采用頂送風形式(略)。大劇場空調采用二次回風系統，送風溫度21℃；椅腳采用φ160承重型圓筒狀送風腳，送風筒開孔率為42%，孔徑為φ8 mm，孔距11 mm；在送風筒內部設置一圓錐型均流器，平衡各風口壓力。送風筒底部還設置風量調節閥，調節風量大小。空調按樓座和池座分設送風系統。樂池區域由池座靜壓箱向側壁設置6個1000×400 mm的雙層百葉風口側送。空調回風口4個，分散設置在第一道面光橋下方的兩側過道隱蔽高處和池座后方墻面上。面光橋正上方分散設置排風兼排煙口共8個，在滿足排煙距離的同時，及時排除面光橋燈具散熱量，具體如圖9所示。

圖9 觀眾廳空調系統原理圖

5.2 項目驗收階段，現場對室內環境溫度、速度監測

中央空調開機約25 min后，400人小劇場室內溫度基本穩定。觀眾廳測點按《通風與空調工程施工質量驗收規范》[2]室內60 m2～100 m2設5個測點，100 m2及以上，每增加50 m2增加1個測點，測點均勻布置。頂送風的小劇場溫度場和速度場基本達到設計要求。

中央空調開機約55 min后，大劇院室內溫度基本穩定。大劇院觀眾廳座椅送風，腳裸0.1 m～0.2 m處、坐姿0.8 m～1.1 m處，臺階之上1.8 m處為代表性測點。其中樓座位置8個測點分布如圖10所示。

圖10 測點分布圖

測點結果，樓座的溫度場稍有不均，其中中間的位置測點4、5，溫度偏低；測點3溫度較為理想；其余測點溫度均偏高。仔細分析現場發現：因樓座靜壓箱的6道斜梁太大，影響風量分配。現場通過調節風閥，問題順利解決。而池座的各個測點，溫度場和速度場數值相近，基本達到設計要求。

6 結語

模擬可以直觀地給出溫度場和速度場，供方案選擇參考。采用座椅送風方案的劇場從節能和舒適性、季節轉換角度顯然有更大優勢。樓座及其正下方的池座是氣流最復雜的區域，該區域容易存在送風死角和送風超速，局部過冷過熱問題，而回風口的位置對改善氣流和節能起到很好的作用。模擬對高大空間的空調方案選擇和氣流組織有很好的指導意義。