大型剧院气流组织和温度场模拟计算分析与研究

 王静

 (北京市建设工程安全质量监督总站北京100039)

摘要：本文以上海保利大剧院作为工程实例，运用计算流体动力学(CFD)技术对歌剧厅观众席空调气流组织设计方案进行校核计算，并对原设计方案进行优化，使分层空调系统温湿度达到最佳效果，1 500个座位的送风量达到均衡一致。

 关键词：大型剧院  气流组织温度场计算流体动力学模拟分析

 中图分类号：TU242.2文章编号：1002-3607 (2016) 04-0037-03

引言

 近年来，随着人民生活水平的提高，对文化产业的需求也日益加大，人们对建筑的品质要求越来越高。现阶段，无论是图书馆、展览馆、音乐堂、会展中心、艺术中心、剧院等文

化建筑，对机电系统整体性能要求已不再是一个单纯的功能性要求，而是在整体运行中，使身处在有音响、灯光、舞台、歌剧厅、排练厅等文化建筑的人们，满足对舒适性需求。作为

上海市“十二五”期间重大文化设施项目，市标志性建筑的上海保利大剧院，更是对观众厅的温度、湿度，空调系统的气流组织提出了极高的要求、以保障来客在舒适的环境中享受视觉、听觉的盛宴。

 文中以保利大剧院机电安装工程为实例，对空调系统气流组织和温度场分布进行计算机模拟分析，并对模拟结果与设计值进行比较分析，提出系统优化方案和调整措施，以指导工程实践。

1歌剧厅气流组织优化设计

 对歌剧厅的气流组织优化设计以歌剧厅一层为例详细说明，二层、三层不做详细说明。

1.1原设计方案送风均匀性分析

 根据原设计方案，一层歌剧厅部分观众席排数19排、坐席804个。设置在座椅下的送风静压箱通过5根送风干管、35个侧送风口向804个座椅送风。

 根据原设计图纸提供的计算条件：每个座椅设计出风量为45m/（h．个），座椅风管直径为200mm，可以计算出座椅送风管平均风速为0.398m/s。图1为依据该计算条件得到的1～19排各排座椅出风管段的平均风速。由图可见，较0.398m/s的平均送风风速，第1~2排和第15～17排明显负偏离（送风量不足），第5排、第8~13排明显正偏离（送风量偏大），静压箱不能起到均匀送风的作用。

1.2调整方案

 根据原设计方案，进行一层送风静压箱×OY断面的CFD模拟计算后发现，静压箱内速度场分布不均，如图2所示。经分析研究发现，送风干管为两侧送风，干管送风相互对射，气流碰撞，导致静压箱内部压力不均。

 设计优化方案时考虑到如果将送风干管向上送风，则座椅下送风口离干管风口较近区域送风量将较大，较远区域送风量将较小，不能满足需求。为了确保静压箱的均匀送风效果，经计算、研究后决定将原设计的35个侧送风口全部调整为延伸后下送（如图3方框表示）；并且在第5#送风干管上增加3个下送风口（如图3椭圆框表示），并对送风口的平面位置

和标高进行了适当调整，但该风管的总送风量不变。该方案风速沿流动方向逐渐衰减，风速分布较为均匀，且静压箱内的静压也均匀分布，具体调整方案如图4所示。

1.3调整后结果比较

 由图5可见，根据图3和图4调整后的第1～19排座椅送风管平均风速均非常接近设计值0.398m/s，明显优于调整前的情况。

 图6是调整前后一层送风静压箱×OY断面的CFD计算速度云图。由图可见，无论是歌剧厅的中心断面Z=0m)、还是其他断面(Z=5m)，调整后的送风静压箱内的速度场都很均匀，明显优于调整前的情况。

1.4优化结果分析

 通过对静压箱内部不同方式气流均匀性方针模拟研究，得出不同送风方式对气流分布均匀性的影响。从CFD计算速度云图分析，送风口下送式比其他送风方式要好。下送风方式的空气流动路径是气流出送风干管后先送向地面，经地面阻挡后速度衰减，再送向上面的座椅送风口，上部空间处于回流区，气流分布更加均匀，且在静压箱内部动压迅速转化为静压，且压力分布均匀，出风口气流速度平稳，分布均匀。

2歌剧厅气流组织校核评估

 对歌剧厅的气流组织优化后校核评估，以歌剧厅一层为例，二层、三层不做说明。

2.1计算条件

 如图7所示，网格划分采用非结构化网格。将空间分为两个部分，上部风管部分网格比较稀疏，下部人员密集区域网格较密，网格总数目为703423。

2.2边界条件

 (1)热源条件：根据《暖通空调》，平均每个人对外界的散热强度为108W (1met)，在模拟计算时，将该热量均匀分布在座椅表面，使其作为一个能量源项（人数（一半）：-层402人，二层114人，三层92人）。

 (2)人体散湿：成年人静坐时的散湿量为68g/（h．人）。故计算处给定的水蒸气质量流量计算如下：一层：402人×68g/h=0.0076kg/s;二层：114人×68g/h=0.0022kg/s；三层：92人×68g/h=0.0017kg/s

 (3)座椅下送风：开口面积与送风管有效送风面积及风量相等。

 送风量：45m3/（h．个）．200mm 送风管内风速为0.2m/s：

 送风参数：温度20℃，相对湿 度：84%（含湿量19.5g/kg即为水蒸 气的质量分数为1.95%，0.0195）

 (4)周围墙壁及屋面：考虑到 四周均与房间相邻，采用绝热边界：屋面给定热流边界。

 (5)出口边界条件（组合式空调箱空调季节新风比为20%)：根据给定的送风量计算排风及回风风量，并确定回风口风速为0.6m/s，

 ( 6)为了进一步观察人体周围的温度及湿度的分布情况，选取空间的局部建立小模型进行模拟。基本情况：建立的小空间尺寸为xxz×y=2.79mxl.623mx3m，按3排×3列。周围边界均设置成对称边界。人体简化为6个长方体组合而成，尺寸按GB10000-88（中国成年人人体尺寸）给定。其他条件同上，网格总数为125359。成年男子静坐（影剧院）散热量：显热54kca1/h=63W（赋值给人体表面= 32W/m z），潜热39kcal/h=45W（赋值给人体鼻部呼吸=5000W/m2，面积90cm2）。

  2.3温度场计算结果：

 上述计算结果表明，歌剧厅气流组织可满足设计要求，并确保各层观众席下

  座位送风均匀、且风量达到设计要求。

  3分析与研究结果

 歌剧厅是上海保利大剧院的核心区域，也是对室内新风、室内温湿度及气流场组织要求最为严格的地方。座椅下送风的方式能够有效直接地将新风送至观众需求点，从而解决观众

的热舒适性要求，而歌剧厅观众席的送风静压箱是保证每位观众能够享受同等量新风的关键。因此，运用CFD模拟分析技术，对歌剧厅观众席的一层送风静压箱、二层送风静压箱、三 层送风静压箱的风速压力场进行模拟分析，将侧送风口改为下送风口，静压箱内风口处增加涡轮手动调节阀，从三个方面（空调机组新风口开度、涡轮蝶阀开度、座椅手柄转轮开度）对空调机组的温湿度量进行调节，使送风静压箱内的气流场能够保持均衡；根据歌剧厅座椅排数分布计算出最近点的送风柱风速之后合理布置送风口的位置，以使所有送风柱的风量、风速保证均匀一致。

 通过以上从模拟分析到设计优化再到最终的机电调试，最终满足设计要求，使观众厅空调送风达到最优的平衡，提高了工程舒适度整体品质，得到了各方的一致好评。