黃梅戲大劇院觀眾廳的座椅送風(fēng)設(shè)計(jì)

1、黃梅戲大劇院觀眾廳的座椅送風(fēng)設(shè)計(jì) 白明強(qiáng)，徐鴻，吳銀光，袁樂(lè)( 中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430071)摘 要 通過(guò)對(duì)黃梅戲大劇院的空調(diào)設(shè)計(jì)的介紹，對(duì)座椅送風(fēng)的計(jì)算方法進(jìn)行了探討，針對(duì)劇場(chǎng)建筑，在置換通風(fēng)及下送風(fēng)的基礎(chǔ)理論上，對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的分配和氣流組織進(jìn)行了研究，提出了計(jì)算方法，并總結(jié)了一些劇場(chǎng)空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞 劇院; 座椅送風(fēng); 觀眾廳; 負(fù)荷分配比例; CFD 模擬中圖分類(lèi)號(hào) TU242. 2; TU834. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A通過(guò)負(fù)荷計(jì)算可以得到觀眾廳的冷熱負(fù)荷，其冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表 2。0引言劇場(chǎng)建筑是一座城市或地區(qū)的文化藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)的標(biāo)志和象征，其建筑內(nèi)部環(huán)

2、境的舒適性尤為 重要，劇場(chǎng)一般空間高大，上部的面光室、耳光室等 設(shè)備用房的散熱量較大，基于這些特性，黃梅戲大劇 院劇場(chǎng)觀眾廳采用了座椅送風(fēng)的空調(diào)方式。座椅送風(fēng)是將經(jīng)過(guò)處理的空氣由安裝在座椅下 部的送風(fēng)口以較低的流速送出，這樣可以使冷量和 新風(fēng)直接作用于人員工作區(qū)，使得工作區(qū)的舒適性 更好; 另一方面，將排風(fēng)口設(shè)置于面光及耳光等散熱 量較大的設(shè)備的周?chē)?，這樣可以將該部分熱量及時(shí) 的排除室外，以減少室內(nèi)負(fù)荷，同時(shí)室內(nèi)形成了下送 上回的氣流組織。表 2 夏季負(fù)荷計(jì)算結(jié)果2計(jì)算方法座椅送風(fēng)的特點(diǎn)是大風(fēng)量、小溫差、低流速，可以參考置換通風(fēng)的基礎(chǔ)理論計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。置換通風(fēng)的計(jì)算方法較多，應(yīng)根據(jù)不同的項(xiàng)

3、目在其理 論基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，才能更加符合不同項(xiàng)目的實(shí)際情況。1設(shè)計(jì)參數(shù)黃梅戲大劇院位于湖北省黃岡市，夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為 34. 3 ，相對(duì)濕度 55. 11% ，冬季空調(diào)室外計(jì)算干 球 溫 度 2. 3 ，相 對(duì) 濕 度 78% 。其 大劇場(chǎng)觀眾廳包括池座 772 個(gè)座位，樓 座 242 個(gè) 座 位，室內(nèi)計(jì)算參數(shù)如表 1:2. 1置換通風(fēng)的理論計(jì)算置換通風(fēng)理論將室內(nèi)分為上下兩個(gè)區(qū)域，下半?yún)^(qū)為工作區(qū)域，區(qū)內(nèi)氣流呈由下向上的單向流，空氣清潔、溫度涼爽; 上半?yún)^(qū)有回流的污染氣體，其空氣 溫度和污染物濃度都較高。在置換通風(fēng)的作用下，室內(nèi)溫度分布一般可隨高度分為三段1，如圖 1。首先，空氣從風(fēng)口

4、出來(lái)后，在近地面處一方面與 室內(nèi)空氣發(fā)生摻混，另一方面由于受到室內(nèi)其它熱表面的輻射作 用，在 近 地 面 約 0. 1m 高 度 的 區(qū) 域 內(nèi) 的送風(fēng)溫度會(huì)有提升，這一部分溫升的大小與無(wú)量綱溫度 f 相關(guān)，f 表示送風(fēng)溫度在近地面處的溫升占室內(nèi)總溫升的比例，的計(jì)算方法如公式( 1) 。表 1 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)收稿日期 2012-06-06作者簡(jiǎn)介 白明強(qiáng)( 1986-) ，男聯(lián)系方式 kevinbmq 163. com夏季冬季新風(fēng)量設(shè)計(jì)溫度相對(duì)濕度設(shè)計(jì)溫度相對(duì)濕度20m3 / ( hp)2560%1830%負(fù)荷類(lèi)型冷負(fù)荷人員散熱冷負(fù)荷顯熱 54kW 潛熱 37kW 共 91kW照明散熱冷負(fù)荷46

5、kW圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷10kW室內(nèi)總負(fù)荷147kW濕負(fù)荷15. 29g / s新風(fēng)負(fù)荷170kW總負(fù)荷( 含新風(fēng))317kW81白明強(qiáng)，等: 黃梅戲大劇院觀眾廳的座椅送風(fēng)設(shè)計(jì)增刊 2占 的 比 例，在辦公環(huán)境下分別為 0. 295，0. 132，0. 185，然而觀眾廳的負(fù)荷特點(diǎn)與辦公環(huán)境有很大的 差別，辦公環(huán)境下，人員密度相對(duì)較小，人員的負(fù)荷有一部分通過(guò)輻射的形式傳向了室內(nèi)其它物體及圍 護(hù)結(jié)構(gòu)上，而觀眾廳內(nèi)人員密集，人員的輻射散熱大 部分在人員之間相互傳遞，最終仍由空調(diào)送風(fēng)所消 除，因此在觀眾廳環(huán)境下 oe 應(yīng)大于 0. 295，文獻(xiàn)2 對(duì)下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為位于房間下部 的熱源產(chǎn)生的

6、 負(fù) 荷 約 有 79% 是 需 要在工作區(qū)以?xún)?nèi) 消除的，而文獻(xiàn)3建議在進(jìn)行下送風(fēng)負(fù)荷計(jì)算時(shí)，人員的負(fù)荷 應(yīng) 乘 以 系 數(shù) 0. 95，這些研究結(jié)果表明， 在不同的條件下進(jìn)行置換通風(fēng)的負(fù)荷計(jì)算時(shí)，負(fù)荷 的修正系數(shù) 是 有 差 異 的。文 獻(xiàn)1提 到，在 對(duì) 某 正在演出的劇院觀眾廳進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)風(fēng)量和頭腳溫圖 1 置換通風(fēng)的室內(nèi)溫度分布tf ts1Ls cp r) + 1 ( 1 1 qf = t=( 1)+ tAaracfe s3式中: Ls 送風(fēng)量，m/ s，A房間地板面積，m2 ;cp 干空氣定壓比熱，1010J / kg ;r 房 間 輻 射 換 熱 系 數(shù)，一 般 取 ) ;c 房

7、 間 對(duì) 流 換 熱 系 數(shù)，一 般 取 ) 。25W / ( m升進(jìn)行 計(jì) 算 的 結(jié) 果 約為人員顯熱負(fù)荷的 60%70% ，其余 30% 40% 的負(fù)荷通過(guò)輻射和對(duì)流的形式被帶到觀眾廳上部，成為上區(qū)負(fù)荷的一部分，該結(jié) 果比較適用于劇場(chǎng)環(huán)境。觀眾廳在演出時(shí)照明燈光會(huì)關(guān)閉，然而在演出 換場(chǎng)或中間休息時(shí)，人員開(kāi)始活動(dòng)，觀眾廳上部場(chǎng)燈 會(huì)打開(kāi)，燈光直射到觀眾席，而且在現(xiàn)代演出中往往會(huì)有一些互動(dòng)環(huán)節(jié)，此時(shí)都會(huì)需要燈光，這些熱量一 部分會(huì)通過(guò)輻射的方式進(jìn)入下部人員活動(dòng)區(qū)形成冷 負(fù)荷，因此如果不考慮燈光負(fù)荷，有可能會(huì)達(dá)不到觀眾的舒適性要求。對(duì)于照明負(fù)荷的在人員活動(dòng)區(qū)與 非人員活動(dòng)區(qū)的分配問(wèn)題，Kenn

8、eth J Loudermilk 提 出了有效顯熱的熱系數(shù)的概念，提出了地板送風(fēng)的 粗略分配比率4，其中照明 20% ，圍護(hù)結(jié)構(gòu) 60% 的 顯熱冷負(fù)荷分配在人員工作區(qū)。24W / ( m第二段是送風(fēng)在工作區(qū)域的溫升，在觀眾廳內(nèi)指從人員腳踝到頭頂這一段區(qū)域內(nèi)的溫升，在這一 區(qū)域內(nèi)空氣的溫度和濕度都會(huì)增加，其大小主要與 工作區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷與濕負(fù)荷大小相關(guān)，空氣狀態(tài) 點(diǎn)會(huì)在這一區(qū)域內(nèi)的隨著熱濕比線(xiàn)變化。需要注意的是，座椅送風(fēng)的風(fēng)口位于觀眾的座椅下方，離人員的腳部很近，如果送風(fēng)溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致人的頭腳溫 差 tfn 過(guò)大而引起不適，因此一般規(guī)定人在坐姿 狀 態(tài)下的頭腳溫 差 不 超 過(guò) 2 ，在 站

9、 立 狀 態(tài) 下 不 超 過(guò)3 。從人員頭部到回風(fēng)口處為第三段，這一段的溫 升主要受到上部燈具及設(shè)備的顯熱散熱量的影響， 因此在這一區(qū)域內(nèi)空氣的溫度會(huì)隨著高度的增加而 上升，而含濕量不會(huì)發(fā)生變化。2. 2 負(fù)荷的分配與混合通風(fēng)需要消除全室負(fù)荷不同，置換通風(fēng) 所針對(duì)的是人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的熱濕負(fù)荷，觀眾廳下區(qū)的顯熱負(fù)荷主要包括人員散熱引起的冷負(fù)荷 Qoe ，上區(qū)燈具輻射至下區(qū)而引起的熱負(fù)荷 Q1 ，圍護(hù)結(jié)構(gòu) 冷負(fù)荷 Qex ，由于觀眾廳內(nèi)設(shè)備較少，因此設(shè)備散熱冷負(fù)荷可忽略不計(jì)。觀眾廳下區(qū)負(fù)荷:根據(jù)以 上 的 分 析，本 工 程 選 取 = 0. 7，=oe10. 2，ex = 0. 6 作為計(jì)算參

10、數(shù)，可以計(jì)算出觀眾廳下 區(qū)的顯 熱 負(fù) 荷 約 為 53kW，潛 熱 負(fù) 荷 為 37kW，上 區(qū) 的負(fù)荷為 57kW。2. 3空氣的處理過(guò)程座椅送風(fēng)的風(fēng)口位于觀眾的座椅下方，離人員的腳部很近，為避免頭腳溫差過(guò)大，座椅送風(fēng)一般采用小溫差的方式進(jìn)行送風(fēng)，提高送風(fēng)溫度一般采用 再熱或二次回風(fēng)的方式。對(duì)于舒適性空調(diào)系統(tǒng)，采用再熱的方式是不節(jié)能的，因此本項(xiàng)目采用二次回 風(fēng)的方式進(jìn)行空氣處理，下面以夏季工況為例，對(duì)空 氣的處理過(guò)程進(jìn)行分析。圖 2 是空氣狀態(tài)點(diǎn)變化的 h-d 圖，空氣經(jīng)空氣Q下區(qū) = oe Qoe + 1 Q1 + ex Qex( 2)式中的 oe ，1 ，ex 指各種負(fù)荷在工作區(qū)域內(nèi)所

11、82建 筑 科 學(xué)第 28 卷經(jīng)過(guò)表 冷 器 到 達(dá) 露 點(diǎn) L，最后進(jìn)行二次混合到達(dá) M2 ，依次循環(huán)。2. 4 送風(fēng)量和各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)的確定由于頭腳溫 差 tfn 不 宜 過(guò) 大，設(shè)定送風(fēng)溫差為 3 ，基本滿(mǎn)足人體的頭腳溫差，則可以確定 F 點(diǎn)的 溫度為 22 ，通過(guò)下半?yún)^(qū)的熱濕比線(xiàn)便可以確定 F 點(diǎn)的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，然后可以利用公式( 3) ( 4) 分別計(jì) 算出總的送風(fēng)量 V 和總的送回風(fēng)溫差 t，于是可以 計(jì)算出回風(fēng)溫度。圖 2 夏季空氣 h-d 圖處理機(jī)處理后 到 達(dá) M2 狀 態(tài) 點(diǎn)，隨后進(jìn)入座椅下方 的靜壓箱內(nèi)，空氣在靜壓箱內(nèi)會(huì)有一定的熱損失，考 慮 1 的溫升到達(dá) S 點(diǎn)，然后由座

12、椅送風(fēng)口 送 入 室 內(nèi)，在近地面處與室內(nèi)氣體進(jìn)行摻混，同時(shí)受到室內(nèi) 其他物體表面的輻射作用而產(chǎn)生第一段溫升到達(dá) F 點(diǎn)并進(jìn)入人員活動(dòng)區(qū)。隨后在活動(dòng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行熱濕交 換，隨熱濕比線(xiàn) 到 達(dá) N 點(diǎn)，由于上區(qū)負(fù)荷基本都是 顯熱負(fù)荷，因此空氣的含濕量不會(huì)發(fā)生變化，溫度有 所上升，空氣到達(dá)回風(fēng)狀態(tài)點(diǎn) N，之后在機(jī) 組 內(nèi) 與 室外新風(fēng)進(jìn)行一次混合，空氣狀態(tài)點(diǎn)變?yōu)?M1 ，然后Q( 3)V =hn hfQt= te ts =( 4)Vcp再根據(jù)公式( 1) 可以計(jì)算出近地面的無(wú)量綱溫度 f ，進(jìn)而計(jì)算出近地面處的溫升，然后可以計(jì)算出S 點(diǎn)的溫度 ts 以及 M2 點(diǎn)的溫度 tM ，再根據(jù)送風(fēng)量2和新風(fēng)量

13、可以將各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，可以計(jì)算出總的制冷量及一、二次回風(fēng)的風(fēng)量。計(jì)算結(jié)果如表 3:表 3 計(jì)算結(jié)果從表 3 的結(jié)果中可以看到池座的人均送風(fēng)量為53 m3 / h，樓座的人均送風(fēng)量為 61 m3 / h，其主要原因 是樓座位于觀眾廳上部，由于對(duì)流的作用，池座的一 部分熱量會(huì)隨著上升的氣流進(jìn)入樓座，導(dǎo)致負(fù)荷發(fā) 生轉(zhuǎn)移，計(jì)算過(guò)程中應(yīng)予以考慮。另外從計(jì)算的結(jié) 果可以看到排風(fēng)溫度較高，達(dá) 到 28. 1 ，經(jīng) 面 光 室 后，溫度繼續(xù) 上 升，因此本項(xiàng)目并未采用熱回收技 術(shù)。3送回風(fēng)口的布置圖 3 是本項(xiàng)目的送回風(fēng)系統(tǒng)示意圖，劇場(chǎng)觀眾圖 3 觀眾廳的送回風(fēng)系統(tǒng)示意圖廳的空間高 大，人 員 集 中，對(duì)氣流

14、組織形式要求較 高，在布置風(fēng)口時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，其中有 幾個(gè)問(wèn)題是需要注意的:( 1) 樓座的送風(fēng)。座椅送風(fēng)的形式會(huì)在室內(nèi)形 成溫度的分層，樓座位于上方，溫度較高，因此在送 風(fēng)時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)加大樓座的送風(fēng)量，此外可以在樓座 的后墻上設(shè)置部分送風(fēng)口，在這些風(fēng)口送風(fēng)時(shí)應(yīng)該調(diào)整到適合的角度，以免冷風(fēng)直接吹到觀眾而引起不適。( 2) 池座后部的熱堆積問(wèn)題。池座后部位于樓 座下部的區(qū)域由于空間較小，氣流在此區(qū)域內(nèi)易產(chǎn)生回流，形成“死角”，針對(duì)這種情況，可以在其后墻上設(shè)置回風(fēng)口，以改善局部環(huán)境。( 3) 排風(fēng)口的設(shè)置。面光室位于觀眾廳上部悶計(jì)算 結(jié)果一次回風(fēng)量V1 ( m3 / h)二次回風(fēng)量V2

15、( m3 / h)總風(fēng)量 V( m3 / h)無(wú)量綱 溫度 風(fēng)口出風(fēng) 溫度( )工作區(qū)送風(fēng) 溫度( )排風(fēng)溫度 ( )露點(diǎn)溫度 ( )制冷量 ( kW)池座 樓座148002053040800148000. 1121. 22228. 116. 932183白明強(qiáng)，等: 黃梅戲大劇院觀眾廳的座椅送風(fēng)設(shè)計(jì)增刊 2頂以?xún)?nèi)，它與耳光室的設(shè)備及照明的散熱量很大，將排風(fēng)口設(shè)置于靠近它們的地方可以將熱量及時(shí)的排 除室外，有效的減小負(fù)荷。圖 5 是觀眾廳溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，從圖中可以看出觀眾廳內(nèi)的溫度分層現(xiàn)象十分明顯，溫度至下 而上逐漸升高，在臨近吊頂?shù)膮^(qū)域溫度較高。值得 注意的是，在樓座后側(cè)設(shè)置的送風(fēng)口對(duì)其作

16、用范圍 內(nèi)的空氣溫度進(jìn)行了良好的控制，這說(shuō)明該方法可 以有效的改善樓座的環(huán)境。同時(shí)從圖 6 速度場(chǎng)的模 擬結(jié)果中可以看到，由于后側(cè)的送風(fēng)口離觀眾較近， 導(dǎo)致樓座工作區(qū)內(nèi)的空氣速度較高，易產(chǎn)生吹風(fēng)感， 因此在設(shè)置該風(fēng)口時(shí)應(yīng)該調(diào)整其送風(fēng)角度，避免冷 風(fēng)直接吹向人群。圖 7 是觀眾廳 PMV 值的 模 擬 結(jié) 果，從模擬結(jié)果看，觀眾廳工作區(qū)內(nèi)的 PMV 值基本 處于 0. 5 + 0. 5 之間，這也進(jìn)一步說(shuō)明在該空調(diào) 環(huán)境下，人員的舒適度是滿(mǎn)足要求的。4CFD 模擬為進(jìn)一步 對(duì)座椅送風(fēng)進(jìn)行研究，利 用 phoenics軟件對(duì)黃梅戲大劇院觀眾廳進(jìn)行了 CFD 模 擬。由于觀眾廳左右對(duì)稱(chēng)，為簡(jiǎn)化模型，只取其一半進(jìn)行模 擬，并認(rèn)為上 部 負(fù) 荷均勻的分布在屋面，模 型 如 圖4。5結(jié)語(yǔ)座椅送風(fēng)方式在劇場(chǎng)建筑中已經(jīng)應(yīng)用的十分廣泛，其計(jì)算方法也被廣為研究，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意幾點(diǎn): ( 1) 座椅送風(fēng)主要用于消除觀眾席的負(fù)荷， 人員區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷大小直接決定了送風(fēng)量的大小， 因此必須對(duì)室內(nèi)熱源在不同區(qū)域的負(fù)荷分配比例進(jìn) 行研究; ( 2) 座椅送風(fēng)的風(fēng)口離人員很近，需要對(duì)送 風(fēng)溫度及風(fēng) 速 進(jìn) 行 控 制; ( 3 ) 劇 場(chǎng) 觀 眾 席 一 般 都 有 樓座與池座之分，且呈階梯狀，需要對(duì)不利于形成良 好氣流組織的地方進(jìn)行處理，以保證舒適性。參考文獻(xiàn)1 孫敏生，王威，萬(wàn)水娥 國(guó)家大