多功能厅岛型舞台采用喷口送风空调方式的数值分析

第25卷　第2期空气动力学学报V ol.25,N o.2 2007年06月ACTA AER ODYNAMICA SINICA Jun.,2007　文章编号:025821825(2007)022*******多功能厅岛型舞台采用喷口送风空调方式的数值分析赵相相1,周孝清2,张　燕3(1.广州市建筑科学研究院,广东广州　510440;2.广州大学建筑环境与设备工程研究所,广东广州　510405;3.广州瀚华建筑设计有限公司,广东广州　510440)摘　要:利用CFD技术,以某多功能厅为例,对该多功能厅岛型舞台空调采用喷口送风的三种气流组织方式下的温度场和速度场进行了数值模拟,从舒适节能的角度对三种气流气流组织方式进行了分析比较。

结果表明,喷口对喷的送风方式具有流场对称的特点,但喷口射程偏小容易在中间区域形成涡流高温区,影响人员的舒适性。

受灯光渡桥影响,屋顶回风的方式回风温度偏高,不利于空调系统节能。

最后得出,喷口送风,灯光渡桥局部排风、下回风为针对此类建筑的最佳气流组织方式,从而可以为以后此类建筑的空调设计提供参考。

关键词:CFD;气流组织;喷口送风;节能;局部排风中图分类号:V211.3 文献标识码:AΞ0　引　言 本文选取某大剧院多功能厅作为工程实例,该多功能厅共分三层,其中地下一层为机坑,天桥层设有两架灯光渡桥,可以在天桥任一位置运行,17.5m标高处为栅顶层。

该多功能厅面积大约在400m2左右,共有六种不同的功能,分别为:大厅、会议厅、伸出式舞台、尽端式舞台、T型舞台和岛型舞台。

本文选取了其中的岛型舞台功能进行了分析研究。

结合本工程的实际特点,由于两架灯光渡桥使用功能方面的限制,普通的吊顶下送风的空调方式行不通。

并且两架可移动的灯光渡桥的热负荷较大,每架的安装功率为400kW,人员活动区(即工作区)主要集中在房间下部区域,因此模拟时采用了喷口侧送风与下送风相结合的空调方式。

本文结合实际工程需要,模拟了三种不同的夏季室内空调气流组织方案,计算出了初始设计方案工况下的室内温度场和速度场,针对其存在的问题在初始设计方案基础上提出了改进方案,并对改进方案重新进行了模拟,从而得出了适合于该类工程的最佳送风方式,为该类工程的空调设计提供了参考依据。

1　模型简化 根据岛型舞台功能的建筑图纸,建立了如下数值模拟的物理模型: (1)岛型舞台共有座位400个,人员负荷取108W/人(静坐状态),群集系数为0.89[1]。

模型中将人员负荷简化为厚度为1.2m的热空气层,其发热量与人体散热相同,空气层厚度代表人员活动区,这里取人员静坐时高度按1.2m计算,这种简化方法得到了上海PH OE NICS仿真公司的验证和认可。

(2)考虑到演出时观众区不需要照明,因此模拟时没有考虑日常照明负荷。

(3)岛型舞台的照明负荷主要有两架灯光渡桥来承担,并且实际过程中舞台灯光最高负荷的延续时间不长,因此需要考虑同时使用系数,在这里取016[2]。

图1　岛型舞台物理模型Fig.1　The physical m odel of insular stage2　研究方法2.1　基本控制方程Ξ收稿日期:2006201217;　修订日期:2006204208.基金项目:建设部科技攻关计划资助项目(编号03222127).作者简介:赵相相(19812),男,硕士,主要从事空调、通风及建筑火灾方面的研究工作.和能量守恒方程。

为了使上述方程组得以封闭,必须引入湍流模型。

本文采用带浮升力修正的k 2ε两方程模型。

湍流流动的基本控制方程的通用形式为[3]:5(ρ<)5t+div (ρu <)=div (Γ<grad <)+S <(1)式中,<为通用变量,<=[1,u ,v ,ω,T ,k ,ε],Γ<为输运系数,S <为源项。

直角坐标系中,式中各项的含义见文献[4]。

2.2　边界条件和源项的确定 由于该多功能厅位于剧院内区房间,四周房间均设空调,因此通过四周墙壁的导热可以忽略不计,模拟时简化为绝热边界。

初始设计方案采用喷口送风,屋顶回风的空调方式,送风管安装在灯光渡桥以下,回风管紧贴楼板。

喷口个数为37个,两侧分别有8组喷口,每组都有一个侧喷口和一个下喷口,喷口孔径为400mm 。

另外,在多功能厅前端靠墙位置设置了五个下喷喷口,具体布置图详见图3。

喷口送风的送风温度为16℃,单个喷口风量为1250C MH ,送风方向为侧喷向下15°,下喷向下60°。

回风口尺寸为1m ×0.8m ,共17个,回风口给出压力边界条件。

2.3　数值计算方法 模拟选用D B S palding 教授创立开发的求解三维流动与传热的商用CFD 软件PH OE NICS 进行计算。

离散方法采用有限容积法,差分格式选用混合格式,求解方法为SI MP LE 算法,计算网格采用正交的结构化网格。

3　计算结果分析和讨论3.1　初始方案的结果分析 图2(a 、b )给出了X =8m 处横断面的温度和速度分布。

从图2(a )可以看出,喷口送风所形成的温度场比较对称,人员座位区温度在26℃左右,能够满足设计的要求。

中间区域温度稍高,温度在26℃～28℃之间,这是由于两侧对喷喷口射程偏小(图2b ),在中间区域形成了一个温度较高的涡流区造成的。

另外,从图2(a )还可以看出,回风口温度已达到34℃左右,这一情况不利于空调系统的节能。

图2(c 、d )为Y =8m 处纵断面的温度和速度分布图。

图2(c )中舞台上方有个明显的高温区,温度在28℃～30℃左右。

贴近舞台表面温度更高,已有32℃,容易对人员造成不舒适感。

这是由于两架灯光渡桥之间上升的热气流正好处在岛型舞台的上方造成的(图2d )。

其它人员座位区温度在26℃左右,能够满足设计要求。

另外,从图2(b 、d )的速度向量图还可以看出,人员区风速在0.25m/s [2]以下,满足了对人员无吹风感的要求,这说明初始设计的下喷喷口的风速和送风角度比较合适。

3.2　改进方案1的结果分析 由3.1的分析可知,初始方案主要存在两个问题,一是由于侧喷喷口的射程偏小造成的中部涡流高温区;二是灯光渡桥散热量对舞台上方和回风的影响很大,造成舞台上方和回风的温度偏高。

针对以上提到的两个问题,提出了以下的两个整改措施:(1)在风量不变情况下将侧喷喷口孔径调整为200mm ,从而增大了侧喷喷口的风速,以此来解决问题一中提到的涡流高温区。

(2)在灯光渡桥上加设局部排风装置,将灯光渡桥部分热量直接排到室外,以此来解决问题二。

由于空调系统的排风量不应该超过该系统的新风量,按人员算得该房间的最小新风量大约为10000C MH ,这里排风量选择8000C MH ,并且在每架灯752第2期 赵相相等:多功能厅岛型舞台采用喷口送风空调方式的数值分析光渡桥的上部和两侧分别均匀的布置了10个大小为0.5m ×0.8m 和0.3m ×0.5m 的局部排风口(图3d )。

图3为改进方案的模拟结果。

从中可以看出,改进方案的人员区和舞台上方的空调温度大约在24℃～26℃之间(图3(a 、c )),回风口温度大约在30℃左右(图3a ),初始方案中存在的两个问题已基本得到解决。

同时,从图3(b 、d )还可以看出,人员工作区风速在0.25m/s 左右,不会对人员造成吹风感。

3.3　改进方案2的结果分析 从节能角度分析,改进方案中30℃的回风温度还是有所偏高,这是由于灯光渡桥局部排风只能排走渡桥的部分热量,并且由于采用屋顶回风,灯光渡桥对回风的影响还是比较大。

因此,在改进方案基础之上,将屋顶回风改为下回风(图4d ),以减少灯光渡桥对回风温度的影响。

图4给出了改进方案2的模拟结果。

从中可以看出,该方案的人员区和舞台区温度在24℃～26℃之间(图4(a 、c )),回风温度在26℃～28℃左右。

由此可见,该方案为针对此类建筑最为合适的气流组织方式。

4　结　论 喷口对喷的送风方式具有流场和温度场对称的特点,但是倘若喷口的射程不够,将会在两侧对喷喷口的中间区域形成涡流高温区,从而使得该区域无法满足人员的舒适性要求。

为了减小灯光渡桥的散热量对回风温度和舞台区空调效果的影响,采用了在灯光渡桥上加设局部排风装置的措施,模拟结果表明该方法可行。

该方法虽然在初投资方面有所增加,但由于其节能效果显著,从长期运行的角度来看仍然是经济的。

从节能和舒适角度出发,本文最后通过模拟得出,采用喷口送风,灯光渡桥局部排风、下回风的空调方式既可以满足人员的舒适性要求,又具有节能的效果,为针对此类建筑的最佳气流组织方式。

参　考　文　献:[1]　王鸿章,李惠风.影剧院空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.852空　气　动　力　学　学　报 第25卷[2]　路延魁等.空气调节设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.[3]　S ・V ・帕坦卡著,张政译.传热与流体流动的数值计算[M].北京:科学出版社,1984.[4]　陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.Numerical analysis of the air 2conditioning method in themulti 2function theater with insular stageZH AO X iang 2xiang ,ZH OU X iao 2qing ,ZH ANG Y an(1.Guangzhou Institule o f Building Science ,Guangzhou 510440,China ;2.Engineering Institute o f Building Environment and Service ,Guangzhou 510405,China ;3.Guangzhou Hanhua Architects &Engineers LTD ,Guangzhou 510440,China ) Abstract :With the exam ple of a multi 2function theatre ,the paper simulates numerically the tem perature and airflowfields at three different air conditioning schemes by CFD s oftware ,and analyzes the three air 2conditioning schemes aiming at com fort and energy saving.The results show that the tem perature and vector distribution are symmetrical with ejector type air supplying method ,but the v olute high tem perature fields are forming at small ejector distance and affect the thermal 2com fort of people.Being affected by lighting bridge ,roof air return method is no help to the energy saving because of the high re 2turn air tem perature.The best air 2conditioning method 2ejector air supplying ,local exhaust over lighting bridge and bottom air returning is obtained at last ,s o it can provide referenced basis for the air 2conditioning design of similar building. K ey w ords :CFD ;air conditioning scheme ;ejector air supplying ;energy saving ;local exhaust952第2期 赵相相等:多功能厅岛型舞台采用喷口送风空调方式的数值分析。