分层空调与置换通风的数值模拟及比较

摘要:随着现代生活水平的提高，人们除了对电影或文艺演出等舞台艺术的质量要求提高外，对观赏环境也提出了很高要求。

在剧场中，观众席是整个建筑的核心部分，也是空调作用的重点。而观众席的气流组织处理，是实现人工环境要求的最主要手段。因此，将研究重点放在剧场观众席的气流组织上。

本文选取一个剧场的简化模型，分别采用混合通风及置换通风两种通风方式。在混和通风中采用了侧送下回的气流组织形式，置换通风中采用两种气流组织形式，使用商业软件Airpak，通过数值模拟的方法，分析研究了建筑物内的气流组织、热舒适性。并对结果进行分析。模拟结果较为直观的展示了不同通风方式对室内气流组织的影响。本课题所采用的气流组织形式，是目前高大空间建筑较有代表性的几种，通过模拟的结果，可以对工程设计起到一定的借鉴作用。

关键词剧场；数值模拟；气流组热；热舒适性

1.剧场空调负荷的研究

在高大建筑的空调中，从高度上划分成空调区和非空调区的空调设计方法称为分层空调设计。采用分层空调方法计算影剧院等高大空间的空调负荷可以有效地节约能耗。

分层空调的负荷由两部分组成，即空调区本身的冷负荷和非空调区冷负荷转入空调区的部分。在满足使用要求的前提下，空调区的高度越低则空调负荷越小。其具体计算方法多种多样，工程中使用较多的做法可以归纳为以下几种：

（1）经验系数法。这是目前各国实际工程设计最为普遍采用的做法。

我国有关技术措施[1]规定：高大空间采用分层空调时，可按全室空调逐时冷负荷的综合最大值乘以经验系数作为房间冷负荷，经验系数为0.5～0.85。1976年美国Dean和1978年Beier及Gorton提出分层空调算法并应用于实际，采用上部非空调区得热的60％转移到空调区内与下部空调区的全部得热构成空调总负荷，还有美国设计者将上部非空调区屋顶和侧墙得热的30％和上部照明发热量的50％计入空调总负荷的方法[2]。经验系数法较为简便，但作为经验值，比较粗糙，准确性较低。

（2）一次辐射法。由日本学者提出[3]，一次辐射法的优点是考虑了非空调区对空调区辐射的影响，比经验值可靠，据介绍实际负荷与计算负荷仅差5％左右，缺点是没有考虑非空调区由于空气流动而引起的热量转移。

（3）假想转移法。由日本学者宫川保之提出并进行了修正[4]。假想转移法相对于其它方法，更为接近实际情况，比较准确，但计算复杂。

2 剧场气流组织的模拟及分析

参照北京某剧场简化模型，分别采用两种通风方式，分析其通风系统夏季运行时的气流组织。

2.1数学模型的建立

本文采用的是数值模拟结果与实验数据较吻合的零方程湍流模型[5]。

2.2 物理模型的建立

模拟采用北京某剧场简化模型，物理尺寸为：40×30×12m（长×宽×高），剧场呈南北对称，南北两侧为观众席，可容纳400人，中间为演出场地。由对称性，取其二十分之一作为此次模拟的区域，物理模型如图2-1所示。坐标原点（0,0,0）位于地面中心。

图2-1物理模型

此区域模型为剧场模型尺寸的二十分之一，x指向为北，模型大小为15（X）×4（Z）×12（Y）m，由南向北依次为五级台阶，直至与地面持平。后墙台阶与模型等宽，高2.2m。由此台阶向北，每级递减0.5m，最前面一级台阶高0.2m。每级台阶坐5人，每人发热量70W，灯光负荷300W/m2, 在模型中简化为6个大小相等的柱体，沿X轴对称分布，每个发热量3000W。

2.3辐射模型的选择

AirPak提供了两种室内辐射计算模型： S2S辐射模型与DO辐射模型。本课题中各个面的温度、有效辐射不是均匀的，并且存在对称边界，故选用DO 辐射模型。

2.4网格的划分和收敛标准的确定

2.4.1网格的划分

网格生成的质量是CFD应用中除边界条件外的另一个决定性重要因素[6]。

本文采用六面体结构化网格对计算区域进行离散。计算区域划分步长不大于模型尺寸的1/40，并在热源、风口处局部加密。

2.4.2收敛标准的确定

收敛标准确定如下：能量方程的残差小于10-6，连续性方程、各速度分量的残差小于10-3；并且各计算残差曲线都趋于水平，即随迭代次数的增加各残差变化趋于稳定，以保证各参数值的稳定。

3采用的气流组织形式及结果分析

因篇幅所限，本文仅列出部分温度场模拟结果，速度场、PMV、PPD不列出，对其结果加以分析。

3.1方案一：侧送下回（上部排风）

此方案在观众席后墙设置两个送风口，为d=0.4m喷口，喷口中心距地面6m，在模型中简化为0.36×0.36m矩形风口，风口中心距2m，单个送风量0.75m3/s, 送风温度15℃,为定流量边界。回风回风口3个，一级台阶、三级台阶、观众席后墙各一个。尺寸分别为0.15×0.15m ，0.45×0.45m ，0.45×0.45m ，为压力边界。后墙回风口位于距地面3.5m处的Y轴中心线上。人体热源及顶灯为定热流量边界。地面为绝热边界。东、西、北墙为对称边界。后墙上部设置排风口，排风口中心距地面10.5m，尺寸为0.5×0.5m,排风量0.3 m3/s，为定流量边界。

（1）温度场分布

由图3-33可见，在距地面10.5m至12m的区域温度较高，在此区域内10.5至11m之间温度平均35℃。11m至12m之间平均温度42℃。送风口上部非空调区温度在26℃左右。其中第一排观众周围温度约为24.5℃，比设计温度稍高，后三排观众席温度在23至24℃。中间演出场地温度在25℃左右。受其影响，第一排观众的温度高于后排观众。

图3-33 z=0平面温度分布图

（2）速度场分布

模拟结果显示后墙喷口中心速度为6m/s。射流中心速度至距喷口2m处衰减至1.8m/s。受后墙回风口位置影响，射流边界层在此局部有回流，后两排观众处于回流区，平均风速为0.3m/s。送风在观众席区吸热后，温度仍然很低，除部分由台阶处回风口回风外，其余下降至地面，在后继送风推动下，在中间演出场地缓慢上升，速度约为0.2m/s，类似于单向流，前两排观众周围气流从后面吹向人体，不是处于回流区，风速在0.35m/s左右，会有脑后风的感觉。喷口上部空间由于受墙排风口影响，也有漩涡产生。台阶回风口处速度为3m/s,但对中间观众影响不大，前两排中间观众腿部风速约为0.2m/s。

后两排观众席风速在0.3m/s左右，第二排观众周围风速约为0.35m/s，因后排平行设置喷口，射流边界层在此处叠加，使前两排观众周围风速高于后排观众。

PMV及PPD

模拟结果显示后两排观众PMV在0.4左右，感觉会很舒适。受一级台阶回风口影响，第一排中间观众PMV约为0.65，稍高于推荐值。中间演出场地PMV在1.0左右，有微暖感。因此处气体温度高于观众席所致。最后排观众席PPD在5%至7%之间，感觉很舒适。由图3-43可见，前三排观众席PPD平均在10%左右，第二排观众PPD约为15%，在工程上可以接受。因为在后墙上部设置排风口，上部空间高温气体能够排出，使下部空调区所受的对流及辐射影响减少很多。

3.2方案二：置换通风

此方案在台阶设置送风口，顶棚设置回风口。

温度场分布

由图3-47可见，温度场在垂直方向呈梯度分部。下部观众席温度平均在26℃。上部空间温度较高，在40℃左右。因在台阶设置送风口，观众脚踝部位温度稍低于设计温度，约为22℃。最后排观众周围温度高于前排观众，约为26至27℃。

图3-47 z=0平面温度分布图

（2）速度场分布

模拟结果显示整个空间风速较低，观众席平均风速0.1m/s，中间演出场地风速在0.08至0.1m/s之间。风速满足规范要求。

（3）PMV及PPD

模拟结果显示整个空间PMV值较高，平均在2左右。前三排观众席PMV在1.5左右，有微暖感，最后排观众感觉较热。

3.3方案三：置换通风

此方案对送风口位置及送风量作了调整。

（1）温度场分布

由图3-61可见，改变送风量及送风口位置后，整个空间温度分布明显好于

方案四。最高温度在顶棚附近，为38℃。后墙温度为28℃。观众席温度分布较均匀，平均在23.5℃。距地面0.1m至1.1m之间即头脚温差不超过2℃。观众席未见较为明显的温度梯度，最后排观众附近温度稍高于前排，整个空间大部分区域满足设计要求。

图3-61 z=0平面温度分布图

（2）速度场分布

模拟结果显示整个空间风速较低。送风口处风速为0.8m/s，方向与X-Z 平面成45度角。送风速度衰减很快，至人体脚踝部位风速衰减至0.1m/s，人体周围风速在0.08至0.1m/s之间，观众不会有吹风感，观众席平均风速满足规范要求。

（3）PMV及PPD

对比方案二，调整送风口及送风量后，整个空间的PMV值明显降低。整个观众席的PMV值平均在0.3左右。满足舒适性要求。

不同通风方式的送风量与能耗

分层空调的送风量取决于空调区总显冷负荷和送风温差的比值，送风温差取值一般较大。显然，要比较二者的大小，就取决于上述两个比值的大小。如果房间的高度较低，工作区负荷占的比重比较大的话，由于分层空调的送风温差一般是可允许头脚温差的3到4倍，这时置换通风的送风量将比分层空调大很多。风量的增大也会导致整个系统的初投资增加，Hu.et al认为置换通风系统的初投资要比分层空调高5～17 ％[7]，这也是目前限制置换通风推广的主要原因。

方案一属于分层空调，其负荷计算采用经验系数法，系数取0.8。所得送风量1.5 m3/s。方案二由式（4-3）及（4-4）计算出的送风量0.84 m3/s。在方案三中，将送风量增至1.4 m3/s,其效果优于方案一,且送风量低于方案一。当空调运行全新风时,置换通风冷负荷明显小于混合通风及分层空调，这是过渡季节能的根本原理。而回风量比例越大，则两者冷负荷越接近。置换通风过渡季节能耗低是置换通风节能的一个重大优势。置换通风由于采用下送上回方式，新鲜空气直接进入工作区，允许工作区以上的参数高于室内设计参数，这使得在过渡季节很长一段时间内无需开制冷机，可采用全新风运行。这一方面极大提高了室内空气品质，另一方面节约了能耗。