武汉大剧院剧场暖通空调方案模拟设计

1、更多精彩内容请登录 :/ docin /ganquan263工程案例某大剧院剧场暖通空调方案模拟设计近几年来,随着计算机大容量化 和高速度化以及计算流体力学Computational FluidDynamics, 简称CFD的开展,逐步普及应用CFD技术模拟预测高大空间建筑空调系统的 气流组织、热舒适性以及优化设计方案成为可能.本文利用PHOENICS 软件,对 某大剧院大剧场座椅送风分层空调方案的热舒适性与气流组织进行了模拟研究 ,所得研究结论 为高大空间类建筑空调系统优化设计、 预测气流组织等提供 了理论依据和指导方法.目前CFD商用软件众多,国际公认的英国权威CFD技术研究机构一一英国帝

2、国理工学院 CHAM研究所开发的商 用软件 PHOENICS ,即 Parabolic Hyperbolic or Elliptic Numerical Integration Code Series抛物型、双曲型、椭圆型方程进行数值积分的系列程序,经过多年的理论及 工程经验的积累,并经过上千个算例的实验验证,能保证计算结果的准确性.本文采用最新版本的PHOENICS 3.6.1.由于篇幅有限,本文仅某大剧院大剧场分层空调方案夏季数 值模拟进行了探讨和研究.工程概况一级某大剧院位于长江和嘉陵江交汇的江北城,建筑总用地40020平方米,总建设面积9.9万平方米,建筑高度64米 其中地上7层,建筑

3、面积61568平方米；地下两层,建筑 面积37442平方米.大剧院内设一个大剧场和一个中剧场, 分别能够容纳1770和863名观众.某大剧院于2005年6月19日破土开工,大剧场的绝大部 分区域的空调方案定为座椅送风,后部侧墙回风,顶部排风.分层空调是指仅对下部区域进行空调,而对上部区域不空调 的空调方式.与全室空调相比 ,夏季可节省冷量30 %左右.分层空调适于高大建筑,当高大建筑物高度 HA 10m,建筑物体积V>1万m3,空调区高度与建筑高度之比h1/H<0,5时,才经济合理.重庆大剧院大剧场层高 H=22m,剧场体积V=2.75 万m3,空调区高度与建筑高度之比 h1/H=

4、0.09,故采用分层空调较为适宜数值模拟一级物理模型二级大剧场以中剖面为对称面,两边完全对称,为降低模型复杂 程度和计算时间,只建立半个模型,以下的参数均为半模型 的值.根据建筑图由 CAD建立stl格式的模块,再导入 PHOENICS ,成为dat格式,包含大量曲线因素的墙面、 地 面台阶、座椅及人体模型都通过这种方式建立.全部建筑模 型完全根据建筑施工图进行建立.人体较为复杂,将人体模 型简化为四局部：头部为圆柱体,身体和双臂简化为一个长 方体,大腿和小腿分别简化为一个长方体.模型区域尺寸为 41mx 16mx 22m.一、二、三层标高分 别为 0.0m、7.8m、13.79m ,总共容纳

5、 885 人,一、二、 三层分别容纳 558 人、149 人、178 人.限制方程三级高大空间室内气流的流动状态为湍流.模拟采用的数学模型通用表达式如下3:div p u 户divF grad +S 1 式中,为通用变量,S为广义源项,r为广义扩散系 数.湍流模型方程选用 Y.S.Chen和S.W.Kim提由的k- £ CHEN 湍流模型.与标准的 k- £湍流模型不同的是,k- eCHEN湍 流模型引入了一个附加的时间比尺,并修改了几个系数, 数学模型的离散方法三级本文采用的离散方法为有限体积法,也称为限制体积法FVM ,即 Finite Volume Method .离

6、散方程组的求解方法三级本文采用的计算方法为压力校正法SIMPLE,即Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations .边界条件三级1 .风口大剧院的舒适性要求较高,根据甲方要求,剧场人区设计温 度为24 C ,人均新风量为 20m3/h ,送风量为6570m3/h ,送风方式采用座椅送风,每座一个,座椅的支撑 物为中空的立方体,兼作送风口,冷空气从四面的多孔板送 由.为了简化计算,将送风方式改为地板送风,送风口为座 椅下地面条形风口,将同水平面的送风口建为一个模型,这 样大大减少了风口模型量.由于实际工程的限制,回风口的位置受到限制,初定为

7、剧场后部回风,每层各设两个回风口,分别位于两边.模型中各 层只有一个回风口,分别负担各层的回风量,回风量为总送 风量减去排风量,回风口尺寸分别为250x 125cm、80 x 125cm、100 x 125cm,风速根本限制在 2.5m/s 范围 内.剧场采用顶部排风,排风量与新风量相等,排风口尺寸为 125 X80cm ,风速为 2.46m/s .2 .热源人体负荷：静坐时,标准人体散热量为108W ,影剧院群集系数为0.89 ,人均散热量为108X 0.89 =96W.在此考虑 三种人体散热的简化模型：发热量为96W 的空气层；发热量为63W的人体固体模型和 33W的空气层；发热 量为96

8、W的人体固体模型.由于前两种模型在建模时须加 入新的空气层模型,作者在计算中发现 X方向的网格数低于 180的情况下,PHOENICS 无法准确地识别信息,而网格 数过大如250 在理论上可行,但计算机内存缺乏,因 而无法实现,只能选取第三种模型,即人体以显热形式散热 96W.大剧场人体模型总散热量为 96W< 885人= 84.96kW ,一、 二、三层分别为 53.57kW、14.30kW、17.09kW .灯光 负荷为10kW ,工况3不计灯光负荷.舞台传热为15kW剧场外部是入口大厅,由于入口大厅的设计温度与剧场差异不大,因此将围护结构假设为绝热体,围护结构负荷为 模拟工况(三级

9、)本文采用正交实验提由最优方案.因素有送风量及送风 温差,见表1.限表1正交实验安排H号工况一3Q4/5*216P29口因 素渤蘸力3.5/城W3. 8/4e出4P欣送渡耐小55 口55T55Q6565/8 54,75F一4(3"卢一一炉炉¥一.一(2"W根据送风量及送风温差,可计算供冷量为:Q = Cp VA t/3600(2)式中,C为空气比热1400J /(kg? C) ； P为空气密度(1.2kg/m3); V为送风量(m3/h) , A t为送风温差(C)例如：工况5的工冷量为 Q = 1400X 1.2 X 65X 4+3600 =106.167W ,

10、排除人体散热的剩余冷量Qs = 106.167 96= 10.17W.工况1,2,4的剩余冷量为负值,工况 9的剩余冷量过大, 因此排除.各工况的参数见表 2.由表2可以看由,工况5与7的供冷量相当,而工况6与8的供冷量相当.而从能耗看,工况 3送风量最小,制冷量最小,因而能耗最少,工况 5次之；工,而制冷量多况6比工况7的送风量少8850m3/h14.2kW ,能耗不相上下.数值计算概况一级模型网格数为150X 75X 75 ,计算迭代次数为1500次.为 了得到热舒适性指标 PMV和PPD,辐射温度设为25 C,服 装系数为0.6clo ,新陈代谢率为静坐值,外部做功为0.计算结果与分析一

11、级温度场结果与分析二级温度是影响空调效果中最重要的因素.各工况温度分层比拟 明显.工况6和8的温度偏低；前4排温度更低,最低达22.2 C；各层后3排温度都较高.工况3 , 5和7的温度适 中,前5排温度偏低,最低达 22.7 C；各层后3排温度都 较高,三层最后一排中部的温度最高达26.7 Co压力场结果与分析二级由压力场可视化结果限于篇幅,本文没有引用可知, 各工况压力场几乎没有区别.压力在水平面上分布非常均 匀,压力沿高度逐渐升高.风速场结果与分析二级由风速场可视化结果限于篇幅,本文没有引用可知,各工况人区绝大局部风速都在 00.08m/s ,而仅有很少部 分由于空气浮力和扰动等因素到达

12、 0.15m/s ,不会产生吹 风感Draft o由理论分析也可得知,送风口风速为 0.14m/s ,人区最大风速不会偏离此值很大.舒适性结果与分析二级舒适性参数有PMVPredict Mean Vote,即预测平均评价及 PPDPredict Percentage of Disatisfaction,即预测不满意百分率.由于PMV与PPD是完全相关的,本文只分 析PMV结果.由于设计温度为24 C,而在模拟计算中服装系数为夏季典 型着装0.6clo ,因此造成PMV值偏低,各工况人区绝大部 分PMV值低于0 ,分析PMV的实际值意义不大,需重新修 改服装系数,再着运算,PMV值的总体分布趋势

13、是从前排往 后逐渐升高.各工况综合分析二级综合比拟各工况气温、风速、空气龄及PMV值,见表3,温度的取值点为200个.表3各工况比拟S足第地面小信氏工 度皿研区“,23 F* 界ac 区占】*r*FtEMUt fCJ.现Wx)*sWw+工况.130 1*22.1*13.543S-26 0我0,-0 5S*Q 03*小*L5S 7<悟皿sex-% T丁0 17-zw*-0触力中上第三；246155,22,2*26 S*4衿28 5 A2S裳/在13-c-o g掉二歌*44 *37Jt掳V0却*31g-0 w*C QU«z*L20, 9*122 .箝2SK-'8标1g25和

14、0 22-300>-o w*Q 3青丈*'通过以上的分析及比照,可以看由各工况效果差异不大,没有特别差的工况,再考虑能耗因素,得由的结论是：在演由 开始前的进场期间,选用工况 7;工况3未考虑屋顶 灯光负 荷,在演生开始时只会开很少的灯,因此在演由进行期间,选用工况3.工况7的进一步分析二级温度偏低的地方集中在前 5排座位,分析原由于：忽略舞 台灯光辐射造成的延时负荷；风速较低,冷空气停留时间 较长.处于剧场最低处,冷空气下沉有一定作用.温度偏高的地方集中在后 3排座位的中部,分析原由于： 离回风口较远,风速较低,空气龄较大,人员散热不能及时 带走；处于剧场最高处,热空气上浮有一定作用；局部 层高较低,最低达 2.8m ,严重影响温度分层效果.屋顶热空气集聚较多,分析原由于：排风口较少,排风不均 匀,使热空气集聚在非排风区.风速分布较均匀,高风速由 现在非人区.最小 PMV值同样由现在温度最低的地方,即 前5排座位结论及建议一级结论二级1 .获得了重庆大剧院空调方案的温度场、风速场、PMV和空气龄分布等比拟直观的数据和图形,并进行了各工况的分析 和比拟,得由较优的工况.2 .分析了较优工况产生不利的原因.3 .证实座椅送风分层空调的气流组织方式是一种较为合理的、节约能源的气流组织方式,是剧院等大空间建筑的较好 的空调送风方式.4 .证实了利用CFD