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 王靜

 (北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站北京100039)

摘要：本文以上海保利大劇院作為工程實(shí)例，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)對(duì)歌劇廳觀眾席空調(diào)氣流組織設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核計(jì)算，并對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，使分層空調(diào)系統(tǒng)溫濕度達(dá)到最佳效果，1 500個(gè)座位的送風(fēng)量達(dá)到均衡一致。

 關(guān)鍵詞：大型劇院  氣流組織溫度場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬分析

 中圖分類號(hào)：TU242.2文章編號(hào)：1002-3607 (2016) 04-0037-03

引言

 近年來(lái)，隨著人民生活水平的提高，對(duì)文化產(chǎn)業(yè)的需求也日益加大，人們對(duì)建筑的品質(zhì)要求越來(lái)越高�，F(xiàn)階段，無(wú)論是圖書(shū)館、展覽館、音樂(lè)堂、會(huì)展中心、藝術(shù)中心、劇院等文

化建筑，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)整體性能要求已不再是一個(gè)單純的功能性要求，而是在整體運(yùn)行中，使身處在有音響、燈光、舞臺(tái)、歌劇廳、排練廳等文化建筑的人們，滿足對(duì)舒適性需求。作為

上海市“十二五”期間重大文化設(shè)施項(xiàng)目，市標(biāo)志性建筑的上海保利大劇院，更是對(duì)觀眾廳的溫度、濕度，空調(diào)系統(tǒng)的氣流組織提出了極高的要求、以保障來(lái)客在舒適的環(huán)境中享受視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的盛宴。

 文中以保利大劇院機(jī)電安裝工程為實(shí)例，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，并對(duì)模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析，提出系統(tǒng)優(yōu)化方案和調(diào)整措施，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1歌劇廳氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)

 對(duì)歌劇廳的氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)以歌劇廳一層為例詳細(xì)說(shuō)明，二層、三層不做詳細(xì)說(shuō)明。

1.1原設(shè)計(jì)方案送風(fēng)均勻性分析

 根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，一層歌劇廳部分觀眾席排數(shù)19排、坐席804個(gè)。設(shè)置在座椅下的送風(fēng)靜壓箱通過(guò)5根送風(fēng)干管、35個(gè)側(cè)送風(fēng)口向804個(gè)座椅送風(fēng)。

 根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑挠?jì)算條件：每個(gè)座椅設(shè)計(jì)出風(fēng)量為45m/（h．個(gè)），座椅風(fēng)管直徑為200mm，可以計(jì)算出座椅送風(fēng)管平均風(fēng)速為0.398m/s。圖1為依據(jù)該計(jì)算條件得到的1～19排各排座椅出風(fēng)管段的平均風(fēng)速。由圖可見(jiàn)，較0.398m/s的平均送風(fēng)風(fēng)速，第1~2排和第15～17排明顯負(fù)偏離（送風(fēng)量不足），第5排、第8~13排明顯正偏離（送風(fēng)量偏大），靜壓箱不能起到均勻送風(fēng)的作用。

1.2調(diào)整方案

 根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行一層送風(fēng)靜壓箱×OY斷面的CFD模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，靜壓箱內(nèi)速度場(chǎng)分布不均，如圖2所示。經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)，送風(fēng)干管為兩側(cè)送風(fēng)，干管送風(fēng)相互對(duì)射，氣流碰撞，導(dǎo)致靜壓箱內(nèi)部壓力不均。

 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案時(shí)考慮到如果將送風(fēng)干管向上送風(fēng)，則座椅下送風(fēng)口離干管風(fēng)口較近區(qū)域送風(fēng)量將較大，較遠(yuǎn)區(qū)域送風(fēng)量將較小，不能滿足需求。為了確保靜壓箱的均勻送風(fēng)效果，經(jīng)計(jì)算、研究后決定將原設(shè)計(jì)的35個(gè)側(cè)送風(fēng)口全部調(diào)整為延伸后下送（如圖3方框表示）；并且在第5#送風(fēng)干管上增加3個(gè)下送風(fēng)口（如圖3橢圓框表示），并對(duì)送風(fēng)口的平面位置

和標(biāo)高進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，但該風(fēng)管的總送風(fēng)量不變。該方案風(fēng)速沿流動(dòng)方向逐漸衰減，風(fēng)速分布較為均勻，且靜壓箱內(nèi)的靜壓也均勻分布，具體調(diào)整方案如圖4所示。

1.3調(diào)整后結(jié)果比較

 由圖5可見(jiàn)，根據(jù)圖3和圖4調(diào)整后的第1～19排座椅送風(fēng)管平均風(fēng)速均非常接近設(shè)計(jì)值0.398m/s，明顯優(yōu)于調(diào)整前的情況。

 圖6是調(diào)整前后一層送風(fēng)靜壓箱×OY斷面的CFD計(jì)算速度云圖。由圖可見(jiàn)，無(wú)論是歌劇廳的中心斷面Z=0m)、還是其他斷面(Z=5m)，調(diào)整后的送風(fēng)靜壓箱內(nèi)的速度場(chǎng)都很均勻，明顯優(yōu)于調(diào)整前的情況。

1.4優(yōu)化結(jié)果分析

 通過(guò)對(duì)靜壓箱內(nèi)部不同方式氣流均勻性方針模擬研究，得出不同送風(fēng)方式對(duì)氣流分布均勻性的影響。從CFD計(jì)算速度云圖分析，送風(fēng)口下送式比其他送風(fēng)方式要好。下送風(fēng)方式的空氣流動(dòng)路徑是氣流出送風(fēng)干管后先送向地面，經(jīng)地面阻擋后速度衰減，再送向上面的座椅送風(fēng)口，上部空間處于回流區(qū)，氣流分布更加均勻，且在靜壓箱內(nèi)部動(dòng)壓迅速轉(zhuǎn)化為靜壓，且壓力分布均勻，出風(fēng)口氣流速度平穩(wěn)，分布均勻。

2歌劇廳氣流組織校核評(píng)估

 對(duì)歌劇廳的氣流組織優(yōu)化后校核評(píng)估，以歌劇廳一層為例，二層、三層不做說(shuō)明。

2.1計(jì)算條件

 如圖7所示，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將空間分為兩個(gè)部分，上部風(fēng)管部分網(wǎng)格比較稀疏，下部人員密集區(qū)域網(wǎng)格較密，網(wǎng)格總數(shù)目為703423。

2.2邊界條件

 (1)熱源條件：根據(jù)《暖通空調(diào)》，平均每個(gè)人對(duì)外界的散熱強(qiáng)度為108W (1met)，在模擬計(jì)算時(shí)，將該熱量均勻分布在座椅表面，使其作為一個(gè)能量源項(xiàng)（人數(shù)（一半）：-層402人，二層114人，三層92人）。

 (2)人體散濕：成年人靜坐時(shí)的散濕量為68g/（h．人）。故計(jì)算處給定的水蒸氣質(zhì)量流量計(jì)算如下：一層：402人×68g/h=0.0076kg/s;二層：114人×68g/h=0.0022kg/s；三層：92人×68g/h=0.0017kg/s

 (3)座椅下送風(fēng)：開(kāi)口面積與送風(fēng)管有效送風(fēng)面積及風(fēng)量相等。

 送風(fēng)量：45m3/（h．個(gè)）．200mm 送風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速為0.2m/s：

 送風(fēng)參數(shù)：溫度20℃，相對(duì)濕 度：84%（含濕量19.5g/kg即為水蒸 氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.95%，0.0195）

 (4)周?chē)鷫Ρ诩拔菝妫嚎紤]到 四周均與房間相鄰，采用絕熱邊界：屋面給定熱流邊界。

 (5)出口邊界條件（組合式空調(diào)箱空調(diào)季節(jié)新風(fēng)比為20%)：根據(jù)給定的送風(fēng)量計(jì)算排風(fēng)及回風(fēng)風(fēng)量，并確定回風(fēng)口風(fēng)速為0.6m/s，

 ( 6)為了進(jìn)一步觀察人體周?chē)�的溫度及濕度的分布情況，選取空間的局部建立小模型進(jìn)行模擬�；�本情況：建立的小空間尺寸為xxz×y=2.79mxl.623mx3m，按3排×3列。周?chē)�邊界均設(shè)置成對(duì)稱邊界。人體簡(jiǎn)化為6個(gè)長(zhǎng)方體組合而成，尺寸按GB10000-88（中國(guó)成年人人體尺寸）給定。其他條件同上，網(wǎng)格總數(shù)為125359。成年男子靜坐（影劇院）散熱量：顯熱54kca1/h=63W（賦值給人體表面= 32W/m z），潛熱39kcal/h=45W（賦值給人體鼻部呼吸=5000W/m2，面積90cm2）。

  2.3溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果：

 上述計(jì)算結(jié)果表明，歌劇廳氣流組織可滿足設(shè)計(jì)要求，并確保各層觀眾席下

  座位送風(fēng)均勻、且風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

  3分析與研究結(jié)果

 歌劇廳是上海保利大劇院的核心區(qū)域，也是對(duì)室內(nèi)新風(fēng)、室內(nèi)溫濕度及氣流場(chǎng)組織要求最為嚴(yán)格的地方。座椅下送風(fēng)的方式能夠有效直接地將新風(fēng)送至觀眾需求點(diǎn)，從而解決觀眾

的熱舒適性要求，而歌劇廳觀眾席的送風(fēng)靜壓箱是保證每位觀眾能夠享受同等量新風(fēng)的關(guān)鍵。因此，運(yùn)用CFD模擬分析技術(shù)，對(duì)歌劇廳觀眾席的一層送風(fēng)靜壓箱、二層送風(fēng)靜壓箱、三 層送風(fēng)靜壓箱的風(fēng)速壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，將側(cè)送風(fēng)口改為下送風(fēng)口，靜壓箱內(nèi)風(fēng)口處增加渦輪手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從三個(gè)方面（空調(diào)機(jī)組新風(fēng)口開(kāi)度、渦輪蝶閥開(kāi)度、座椅手柄轉(zhuǎn)輪開(kāi)度）對(duì)空調(diào)機(jī)組的溫濕度量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使送風(fēng)靜壓箱內(nèi)的氣流場(chǎng)能夠保持均衡；根據(jù)歌劇廳座椅排數(shù)分布計(jì)算出最近點(diǎn)的送風(fēng)柱風(fēng)速之后合理布置送風(fēng)口的位置，以使所有送風(fēng)柱的風(fēng)量、風(fēng)速保證均勻一致。

 通過(guò)以上從模擬分析到設(shè)計(jì)優(yōu)化再到最終的機(jī)電調(diào)試，最終滿足設(shè)計(jì)要求，使觀眾廳空調(diào)送風(fēng)達(dá)到最優(yōu)的平衡，提高了工程舒適度整體品質(zhì)，得到了各方的一致好評(píng)。