剧院座椅下送风不同冷负荷率的最优送风温差分析

2017年第6期（总第45卷第316期)建筑节能■暖通与空调doi:10.3969/j.issn.1673-7237.2017.06.006剧院座椅下送风不同冷负荷率的最优送风温差分析黄华明，冀兆良(广州大学土木工程学院，广州510006)摘要：以广州某剧院为例，发现剧院座椅下送风在不同冷负荷率下送风温差存在优化空间。

采用 CFD模拟软件，通过正交实验的方法对剧院座椅下送风冷负荷率在100%、75%、50%时的不同送风温差进行计算分析。

通过对比温度场和速度场，探究剧院座椅下送风不同冷负荷率与送风温差的关系。

得到剧院座椅下送风在100%、75%冷负荷率的最优送风温差为3 °C，在50%冷负荷率的最优送风温差为2 °C。

关键词：剧院；座椅下送风；冷负荷率；送风温差；CFD中图分类号：TU831 文献标志码：A文章编号：1673-7237(2017)06-0022-06Optimal Temperature Difference of Under - seat Air Supply inTheater with Different Cooling Load RatesHUANG Hua —ming，JI Zhao —Hang(School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou510006，China) Abstract:Taking a theater in Guangzhou as an example，the under -seat air supply temperature difference can be optimized in theater with different cooling load rates in summer. Using the CFD simulation software，various air supply temperature difference is calculated through orthogonal experiment under the cooling load rates of100%，75%and50%in theater in summer. By comparing the temperature field and velocity field，e the relationship between the different cooling load rates and the temperature difference of under-seat air supply is explored in the theater. The optimal air-supply temperature difference are3°C in100%and75%load rates，and the optimal air -supply temperature difference is 2°C in50%load rates in summer.Keywords：theater；under- seat air supply；cooling load rates；supply air temperature difference；CFD0引言观众厅是剧院建筑的主体之一。

对于剧院观众 厅，由于面积大，顶棚高，人员密度大，发热量大，选用 合理的送风方式对于剧院的节能至关重要[|]。

剧院 建筑空气具有分层调节的特点，垂直方向的温度梯度 较大[2]，若采用上送风或者侧送风将使部分冷量浪费 在非人员活动区域，浪费能源。

目前对于影剧院、体 育馆等高大空间的空气调节，一般采用座椅下送风的 送风方式，采用座椅下送风分层空调能有效节约能源[3]。

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空 气调节设计规范》要求，采用置换通风时，送风温度不 宜低于18 C，座椅通风是置换通风方式的一种[4]，国收稿日期:2016-10-23;修回日期:2016-11-26内外同行进行研究后得出剧院座椅下送风条件下送 风温度通常比室内设计温度低2〜4 C[5]。

本文剧院 设计温度为26 C，当送风温差为2〜4 C时，送风温度 为22〜24 C，符合规范要求。

对于目前研究得到的送 风温差在一个范围内，还存在一定的优化空间，由于 室内送风温度每提高1C，节能约8%~ 10%的能 耗[6]，故若能提高送风温度，将会带来较大的节能潜 力。

目前，空调设计师在设计夏季送风温度差时，只是考虑最大冷负荷情况下的送风温度差，而剧院等文 化场所由于演出内容和演出时间的因素影响，导致上 座率不同。

不同上座率将会在很大程度上影响空调 冷负荷。

因此，本文通过CFD模拟对剧院座椅下送 风不同冷负荷率时不同送风温差做对比，试着提出剧 院座椅下送风不同冷负荷率的最优送风温差。

1 C F D 模拟设计思路对于剧院，在夏季影响其热湿环境的因素主要有 冷负荷率、送风温差及送风风量。

本文中通过恒定送 风风量情况下，变化冷负荷率和送风温差。

采用正交实验的方法,通过对剧院在100%、75%及50%冷负荷 率与2 °C 、3 °C 及4 °C 的送风温差进行组合，得到不同 空调设计工况，进而选出100%、75%、50%冷负荷率的 最优空调设计工况。

其中送风温差为设计温度与送 风温度的差值,送风量为人均85 m 3/h 。

正交实验安 排如表1所示。

表1正交实验安排Table 1 Orthogonal experiment situation工况号因素冷负荷率/%送风温差/C110042100331002475457536752750485039502首先，通过CFD 软件对剧院在100%、75%及50% 冷负荷率时2 °C 、3 °C 及4 °C 的送风温差进行模拟，根 据模拟得到的温度分布云图和速度分布云图对比剧 院在同一冷负荷条件下不同送风温差对温度场及速 度场的影响，最后结合规范及人体热舒适性要求分析 剧院在100%、75%及50%冷负荷率条件下不同送风温 差对温度和速度变化的关系，找到既满足剧院空调设 计温度要求,又满足剧院设计速度要求的平衡点，最 终得到剧院不同冷负荷率条件下的最优送风温差。

计算分析过程分为以下3步。

(1) CFD 模拟:采用CFD 软件phoenics 中的flair 模块,通过对剧院在100%、75%及50%冷负荷率条件 下送风温差为2 °C 、3 °C 、4 °C 的情况进行计算，得到 剧院温度分布云图和速度分布云图。

(2)通过phoenics 模拟软件计算得到的温度分布云图和速度分布云图，分析剧院观众厅100%、75%、50%冷负荷率下不同送风温差对温度参数和速度参数的影响。

(3) 通过温度分布云图和速度分布云图对比不同冷负荷率下送风温度差对温度场和速度场的影响，结合剧院设计规范及人体热舒适性的要求，提出剧院在不同冷负荷率条件下的最优送风温差。

2模型建立及模拟条件2. 1数学模型对于剧院这类高大空间，室内气流的流动状态为湍流，故本文选择的湍流模型为e 湍流模型，由于 高大空间空气分层现象,故开启重力场。

模拟软件计算采用的离散方法为体积法(FVM )，计算离散方程组 的求解方法为改进的压力校正法（SIMPLEST )。

2. 2 物理模型为了降低模型的复杂程度和计算机模拟的计算 时间，只建立以剧院中轴对称的半个模型，另外由于2 层楼座有独立的空调系统，在建模时忽略楼座，只考 虑池座不同冷负荷率下送风时送风温差效果。

在实际的剧院中座椅排列是有一定的弧度的，在 本文建模中简化为直线排列，忽略座椅弧度对池座的 温度场和速度场不会造成太大的影响[7]。

2. 3模拟边界条件设定 2.3. 1送风参数设定剧院座椅下送风温差为2~4 C ，通过不同工况来 调整送风温度。

剧院送风方式为座椅下送风,每座一 个送风口，座椅的支撑物为中间空心的圆柱体，冷空 气从中间的孔板送出。

为简化模型，减少计算量，将 送风方式改为地板送风,送风口为座椅下面的条形送 风口，且同一个平面的送风口简化为一个模型。

每个 座椅下的送风量为85 m 3/h 。

2.3.2回风口设定本剧院采用下送侧回送风方式，回风口设在侧墙 上，实际尺寸为3 500 mm x 1 000 mm ，距地高为 1 000 mm 。

在环境压力和温度下进行回风。

2. 3. 3热源设定人体静坐时，标准人体散热量为108 W ，且影剧 院的人员群集系数为0. 89[8]，故静坐时人员的人均散 热量为108 x 0.89 =96 W 。

本文剧院池座人数总共 为515人，故池座人员模型总散热量为515 x 96 = 49 kW 。

2.3.4围护结构及其灯光负荷设定因为观众厅没有外墙，且屋顶有隔楼，温差传热量和太阳辐射得热量不大，故这里忽略围护结构的负荷。

根据剧院灯光设计公司提供的资料，演出时灯光全部射向舞台，向观众区的灯光辐射近似为零[9]，即观众厅上部、后部、两侧的面光、追光、耳光等辐射热均为舞台负荷。

且剧院灯光的总装机容量和实际使用量相差很远。

电气专业采用的同时使用系数也是某瞬时的最大容量，时间较短，形不成空调负荷。

同样舞台设备也是瞬时运转，且与最大灯光负荷不同时出现，可不计入冷负荷。

3模拟计算与结果分析3.1非满座工况人员分布由于剧院冷负荷率主要与上座率相关，对于不同 的剧院上座率,观众在剧院内的分布情况也不尽相 同。

通过前人等进行的关于剧院观众厅座位喜爱度 调查发现,观众对剧院座位的喜爱度受座位所处的空 间高度、声学效果及视觉条件等因素的影响,处于剧 院池座中央区域的位置最受欢迎，边缘位置为观众最 不喜欢区域[叫。

因此,本文对剧院不同上座率的人 员分布设置如图1、2所示。

图175%冷负荷人员分布Fig. 1Personnel distribution under 75% cooling load图2 50%冷负荷人员分布Fig. 2 Personnel distribution under 50% cooling load3.2 不同冷负荷率条件下送风温差对温度场、速度 场的影响本文中截取剧院中轴y -z截面为界面,进行分 析。

因为此区域为剧院的中心区域，人员较为集中在 此区域，能较好地反应温度场和速度场的变化。

3.2. 1100%冷负荷率条件下送风温差对温度场、速度场的影响如图3、4所示，剧院处于工况1时，由温度分布 云图可知,人员区域的温度分布主要在24. 7〜25. 9 °C 之间，低于实际设计温度26 °C，观众区前排的温度由 于冷空气下沉、风速低、无扰动等因素,导致观众区前 部实际温度在24 C左右。