黄梅戏大剧院观众厅的座椅送风设计

1、黄梅戏大剧院观众厅的座椅送风设计 白明强，徐鸿，吴银光，袁乐( 中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430071)摘 要 通过对黄梅戏大剧院的空调设计的介绍，对座椅送风的计算方法进行了探讨，针对剧场建筑，在置换通风及下送风的基础理论上，对室内负荷的分配和气流组织进行了研究，提出了计算方法，并总结了一些剧场空调通风设计需要注意的问题。关键词 剧院; 座椅送风; 观众厅; 负荷分配比例; CFD 模拟中图分类号 TU242. 2; TU834. 3文献标识码 A通过负荷计算可以得到观众厅的冷热负荷，其冷负荷计算结果如表 2。0引言剧场建筑是一座城市或地区的文化艺术和科学技术的标志和象征，其建筑内部环

2、境的舒适性尤为 重要，剧场一般空间高大，上部的面光室、耳光室等 设备用房的散热量较大，基于这些特性，黄梅戏大剧 院剧场观众厅采用了座椅送风的空调方式。座椅送风是将经过处理的空气由安装在座椅下 部的送风口以较低的流速送出，这样可以使冷量和 新风直接作用于人员工作区，使得工作区的舒适性 更好; 另一方面，将排风口设置于面光及耳光等散热 量较大的设备的周围，这样可以将该部分热量及时 的排除室外，以减少室内负荷，同时室内形成了下送 上回的气流组织。表 2 夏季负荷计算结果2计算方法座椅送风的特点是大风量、小温差、低流速，可以参考置换通风的基础理论计算方法进行计算。置换通风的计算方法较多，应根据不同的项

3、目在其理 论基础上进行修正，才能更加符合不同项目的实际情况。1设计参数黄梅戏大剧院位于湖北省黄冈市，夏季空调室外计算干球温度为 34. 3 ，相对湿度 55. 11% ，冬季空调室外计算干 球 温 度 2. 3 ，相 对 湿 度 78% 。其 大剧场观众厅包括池座 772 个座位，楼 座 242 个 座 位，室内计算参数如表 1:2. 1置换通风的理论计算置换通风理论将室内分为上下两个区域，下半区为工作区域，区内气流呈由下向上的单向流，空气清洁、温度凉爽; 上半区有回流的污染气体，其空气 温度和污染物浓度都较高。在置换通风的作用下，室内温度分布一般可随高度分为三段1，如图 1。首先，空气从风口

4、出来后，在近地面处一方面与 室内空气发生掺混，另一方面由于受到室内其它热表面的辐射作 用，在 近 地 面 约 0. 1m 高 度 的 区 域 内 的送风温度会有提升，这一部分温升的大小与无量纲温度 f 相关，f 表示送风温度在近地面处的温升占室内总温升的比例，的计算方法如公式( 1) 。表 1 室内计算参数收稿日期 2012-06-06作者简介 白明强( 1986-) ，男联系方式 kevinbmq 163. com夏季冬季新风量设计温度相对湿度设计温度相对湿度20m3 / ( hp)2560%1830%负荷类型冷负荷人员散热冷负荷显热 54kW 潜热 37kW 共 91kW照明散热冷负荷46

5、kW围护结构冷负荷10kW室内总负荷147kW湿负荷15. 29g / s新风负荷170kW总负荷( 含新风)317kW81白明强，等: 黄梅戏大剧院观众厅的座椅送风设计增刊 2占 的 比 例，在办公环境下分别为 0. 295，0. 132，0. 185，然而观众厅的负荷特点与办公环境有很大的 差别，办公环境下，人员密度相对较小，人员的负荷有一部分通过辐射的形式传向了室内其它物体及围 护结构上，而观众厅内人员密集，人员的辐射散热大 部分在人员之间相互传递，最终仍由空调送风所消 除，因此在观众厅环境下 oe 应大于 0. 295，文献2 对下送风空调系统进行了研究，认为位于房间下部 的热源产生的

6、 负 荷 约 有 79% 是 需 要在工作区以内 消除的，而文献3建议在进行下送风负荷计算时，人员的负荷 应 乘 以 系 数 0. 95，这些研究结果表明， 在不同的条件下进行置换通风的负荷计算时，负荷 的修正系数 是 有 差 异 的。文 献1提 到，在 对 某 正在演出的剧院观众厅进行了测试，对风量和头脚温图 1 置换通风的室内温度分布tf ts1Ls cp r) + 1 ( 1 1 qf = t=( 1)+ tAaracfe s3式中: Ls 送风量，m/ s，A房间地板面积，m2 ;cp 干空气定压比热，1010J / kg ;r 房 间 辐 射 换 热 系 数，一 般 取 ) ;c 房

7、 间 对 流 换 热 系 数，一 般 取 ) 。25W / ( m升进行 计 算 的 结 果 约为人员显热负荷的 60%70% ，其余 30% 40% 的负荷通过辐射和对流的形式被带到观众厅上部，成为上区负荷的一部分，该结 果比较适用于剧场环境。观众厅在演出时照明灯光会关闭，然而在演出 换场或中间休息时，人员开始活动，观众厅上部场灯 会打开，灯光直射到观众席，而且在现代演出中往往会有一些互动环节，此时都会需要灯光，这些热量一 部分会通过辐射的方式进入下部人员活动区形成冷 负荷，因此如果不考虑灯光负荷，有可能会达不到观众的舒适性要求。对于照明负荷的在人员活动区与 非人员活动区的分配问题，Kenn

8、eth J Loudermilk 提 出了有效显热的热系数的概念，提出了地板送风的 粗略分配比率4，其中照明 20% ，围护结构 60% 的 显热冷负荷分配在人员工作区。24W / ( m第二段是送风在工作区域的温升，在观众厅内指从人员脚踝到头顶这一段区域内的温升，在这一 区域内空气的温度和湿度都会增加，其大小主要与 工作区域内的热负荷与湿负荷大小相关，空气状态 点会在这一区域内的随着热湿比线变化。需要注意的是，座椅送风的风口位于观众的座椅下方，离人员的脚部很近，如果送风温度过低，会导致人的头脚温 差 tfn 过大而引起不适，因此一般规定人在坐姿 状 态下的头脚温 差 不 超 过 2 ，在 站

9、 立 状 态 下 不 超 过3 。从人员头部到回风口处为第三段，这一段的温 升主要受到上部灯具及设备的显热散热量的影响， 因此在这一区域内空气的温度会随着高度的增加而 上升，而含湿量不会发生变化。2. 2 负荷的分配与混合通风需要消除全室负荷不同，置换通风 所针对的是人员活动区域内的热湿负荷，观众厅下区的显热负荷主要包括人员散热引起的冷负荷 Qoe ，上区灯具辐射至下区而引起的热负荷 Q1 ，围护结构 冷负荷 Qex ，由于观众厅内设备较少，因此设备散热冷负荷可忽略不计。观众厅下区负荷:根据以 上 的 分 析，本 工 程 选 取 = 0. 7，=oe10. 2，ex = 0. 6 作为计算参

10、数，可以计算出观众厅下 区的显 热 负 荷 约 为 53kW，潜 热 负 荷 为 37kW，上 区 的负荷为 57kW。2. 3空气的处理过程座椅送风的风口位于观众的座椅下方，离人员的脚部很近，为避免头脚温差过大，座椅送风一般采用小温差的方式进行送风，提高送风温度一般采用 再热或二次回风的方式。对于舒适性空调系统，采用再热的方式是不节能的，因此本项目采用二次回 风的方式进行空气处理，下面以夏季工况为例，对空 气的处理过程进行分析。图 2 是空气状态点变化的 h-d 图，空气经空气Q下区 = oe Qoe + 1 Q1 + ex Qex( 2)式中的 oe ，1 ，ex 指各种负荷在工作区域内所

11、82建 筑 科 学第 28 卷经过表 冷 器 到 达 露 点 L，最后进行二次混合到达 M2 ，依次循环。2. 4 送风量和各状态点参数的确定由于头脚温 差 tfn 不 宜 过 大，设定送风温差为 3 ，基本满足人体的头脚温差，则可以确定 F 点的 温度为 22 ，通过下半区的热湿比线便可以确定 F 点的状态点参数，然后可以利用公式( 3) ( 4) 分别计 算出总的送风量 V 和总的送回风温差 t，于是可以 计算出回风温度。图 2 夏季空气 h-d 图处理机处理后 到 达 M2 状 态 点，随后进入座椅下方 的静压箱内，空气在静压箱内会有一定的热损失，考 虑 1 的温升到达 S 点，然后由座

12、椅送风口 送 入 室 内，在近地面处与室内气体进行掺混，同时受到室内 其他物体表面的辐射作用而产生第一段温升到达 F 点并进入人员活动区。随后在活动区内进行热湿交 换，随热湿比线 到 达 N 点，由于上区负荷基本都是 显热负荷，因此空气的含湿量不会发生变化，温度有 所上升，空气到达回风状态点 N，之后在机 组 内 与 室外新风进行一次混合，空气状态点变为 M1 ，然后Q( 3)V =hn hfQt= te ts =( 4)Vcp再根据公式( 1) 可以计算出近地面的无量纲温度 f ，进而计算出近地面处的温升，然后可以计算出S 点的温度 ts 以及 M2 点的温度 tM ，再根据送风量2和新风量

13、可以将各个状态点参数，可以计算出总的制冷量及一、二次回风的风量。计算结果如表 3:表 3 计算结果从表 3 的结果中可以看到池座的人均送风量为53 m3 / h，楼座的人均送风量为 61 m3 / h，其主要原因 是楼座位于观众厅上部，由于对流的作用，池座的一 部分热量会随着上升的气流进入楼座，导致负荷发 生转移，计算过程中应予以考虑。另外从计算的结 果可以看到排风温度较高，达 到 28. 1 ，经 面 光 室 后，温度继续 上 升，因此本项目并未采用热回收技 术。3送回风口的布置图 3 是本项目的送回风系统示意图，剧场观众图 3 观众厅的送回风系统示意图厅的空间高 大，人 员 集 中，对气流

14、组织形式要求较 高，在布置风口时应根据实际情况进行考虑，其中有 几个问题是需要注意的:( 1) 楼座的送风。座椅送风的形式会在室内形 成温度的分层，楼座位于上方，温度较高，因此在送 风时，应该适当加大楼座的送风量，此外可以在楼座 的后墙上设置部分送风口，在这些风口送风时应该调整到适合的角度，以免冷风直接吹到观众而引起不适。( 2) 池座后部的热堆积问题。池座后部位于楼 座下部的区域由于空间较小，气流在此区域内易产生回流，形成“死角”，针对这种情况，可以在其后墙上设置回风口，以改善局部环境。( 3) 排风口的设置。面光室位于观众厅上部闷计算 结果一次回风量V1 ( m3 / h)二次回风量V2

15、( m3 / h)总风量 V( m3 / h)无量纲 温度 风口出风 温度( )工作区送风 温度( )排风温度 ( )露点温度 ( )制冷量 ( kW)池座 楼座148002053040800148000. 1121. 22228. 116. 932183白明强，等: 黄梅戏大剧院观众厅的座椅送风设计增刊 2顶以内，它与耳光室的设备及照明的散热量很大，将排风口设置于靠近它们的地方可以将热量及时的排 除室外，有效的减小负荷。图 5 是观众厅温度场的模拟结果，从图中可以看出观众厅内的温度分层现象十分明显，温度至下 而上逐渐升高，在临近吊顶的区域温度较高。值得 注意的是，在楼座后侧设置的送风口对其作

16、用范围 内的空气温度进行了良好的控制，这说明该方法可 以有效的改善楼座的环境。同时从图 6 速度场的模 拟结果中可以看到，由于后侧的送风口离观众较近， 导致楼座工作区内的空气速度较高，易产生吹风感， 因此在设置该风口时应该调整其送风角度，避免冷 风直接吹向人群。图 7 是观众厅 PMV 值的 模 拟 结 果，从模拟结果看，观众厅工作区内的 PMV 值基本 处于 0. 5 + 0. 5 之间，这也进一步说明在该空调 环境下，人员的舒适度是满足要求的。4CFD 模拟为进一步 对座椅送风进行研究，利 用 phoenics软件对黄梅戏大剧院观众厅进行了 CFD 模 拟。由于观众厅左右对称，为简化模型，只取其一半进行模 拟，并认为上 部 负 荷均匀的分布在屋面，模 型 如 图4。5结语座椅送风方式在剧场建筑中已经应用的十分广泛，其计算方法也被广为研究，在设计过程中需要注意几点: ( 1) 座椅送风主要用于消除观众席的负荷， 人员区域内的负荷大小直接决定了送风量的大小， 因此必须对室内热源在不同区域的负荷分配比例进 行研究; ( 2) 座椅送风的风口离人员很近，需要对送 风温度及风 速 进 行 控 制; ( 3 ) 剧 场 观 众 席 一 般 都 有 楼座与池座之分，且呈阶梯状，需要对不利于形成良 好气流组织的地方进行处理，以保证舒适性。参考文献1 孙敏生，王威，万水娥 国家大