1、工程案例某大劇院劇場暖通空調方案模擬設計作者：唐盈,盧軍,任兵,楊裕敏來源：建筑環(huán)境與設備 第17期 近幾年來,隨著計算機大容量化和高速度化以及計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)的發(fā)展,逐步普及應用CFD技術模擬預測高大空間建筑空調系統(tǒng)的氣流組織、熱舒適性以及優(yōu)化設計方案成為可能。本文利用PHOENICS軟件,對 某大劇院大劇場座椅送風分層空調方案的熱舒適性與氣流組織進行了模擬研究,所得研究結論為高大空間類建筑空調系統(tǒng)優(yōu)化設計、預測氣流組織等提供了理論依據(jù)和指導方法。 目前CFD商用軟件眾多，國際公認的英國權威CFD技術研究機構英國帝國理工學院

2、CHAM研究所開發(fā)的商用軟件PHOENICS，即Parabolic HyperbolicorElliptic Numerical Integration Code Series（拋物型、雙曲型、橢圓型方程進行數(shù)值積分的系列程序），經(jīng)過多年的理論及工程經(jīng)驗的積累，并經(jīng)過上千個算例的實驗驗證，能保證計算結果的準確性。本文采用最新版本的PHOENICS 3.6.1。由于篇幅有限, 本文僅某大劇院大劇場分層空調方案夏季數(shù)值模擬進行了探討和研究。 工程概況（一級）某大劇院位于長江和嘉陵江交匯的江北城，建筑總用地40020平方米，總建設面積9.9萬平方米，建筑高度64米。其中地上7層，建筑面積61568平

3、方米；地下兩層，建筑面積37442平方米。大劇院內設一個大劇場和一個中劇場，分別能夠容納1770和863名觀眾。某大劇院于2005年6月19日破土動工，大劇場的絕大部分區(qū)域的空調方案定為座椅送風，后部側墻回風，頂部排風。 分層空調是指僅對下部區(qū)域進行空調, 而對上部區(qū)域不空調的空調方式。與全室空調相比,夏季可節(jié)省冷量30左右。分層空調適于高大建筑,當高大建筑物高度H10m,建筑物體積V1萬m3,空調區(qū)高度與建筑高度之比h1/H0.5時,才經(jīng)濟合理。重慶大劇院大劇場層高H=22m, 劇場體積V=2.75萬m3, 空調區(qū)高度與建筑高度之比h1/H=0.09，故采用分層空調較為適宜數(shù)值模擬（一級）物

4、理模型（二級）大劇場以中剖面為對稱面，兩邊完全對稱，為降低模型復雜程度和計算時間，只建立半個模型，以下的參數(shù)均為半模型的值。根據(jù)建筑圖由CAD建立stl格式的模塊，再導入PHOENICS，成為dat格式，包含大量曲線因素的墻面、地面臺階、座椅及人體模型都通過這種方式建立。全部建筑模型完全按照建筑施工圖進行建立。人體較為復雜，將人體模型簡化為四部分：頭部為圓柱體，身體和雙臂簡化為一個長方體，大腿和小腿分別簡化為一個長方體。模型區(qū)域尺寸為41m16m22m。一、二、三層標高分別為0.0m、7.8m、13.79m，總共容納885人，一、二、三層分別容納558人、149人、178人。 控制方程（三級高

5、大空間室內氣流的流動狀態(tài)為湍流。模擬采用的數(shù)學模型通用表達式如下3：div(u)=div(grad)+S （1）式中，為通用變量，S為廣義源項，為廣義擴散系數(shù)。湍流模型方程選用Y.S.Chen和S.W.Kim提出的k-CHEN湍流模型。與標準的k-湍流模型不同的是，k-CHEN湍流模型引入了一個附加的時間比尺，并修改了幾個系數(shù)， 數(shù)學模型的離散方法（三級）本文采用的離散方法為有限體積法，也稱為控制體積法(FVM，即Finite Volume Method)。離散方程組的求解方法（三級）本文采用的計算方法為壓力校正法(SIMPLE,即Semi-Implicit Method for Pressu

6、re-Linked Equations)。邊界條件（三級）1.風口大劇院的舒適性要求較高，根據(jù)甲方要求，劇場人區(qū)設計溫度為24，人均新風量為20m3/h，送風量為6570m3/h，送風方式采用座椅送風，每座一個，座椅的支撐物為中空的立方體，兼作送風口，冷空氣從四面的多孔板送出。為了簡化計算，將送風方式改為地板送風，送風口為座椅下地面條形風口，將同水平面的送風口建為一個模型，這樣大大減少了風口模型量。由于實際工程的限制，回風口的位置受到限制，初定為劇場后部回風，每層各設兩個回風口，分別位于兩邊。模型中各層只有一個回風口，分別負擔各層的回風量，回風量為總送風量減去排風量，回風口尺寸分別為25012

7、5cm、80125cm、100125cm,風速基本控制在2.5m/s范圍內。劇場采用頂部排風，排風量與新風量相等，排風口尺寸為12580cm，風速為2.46m/s。2. 熱源人體負荷：靜坐時，標準人體散熱量為108W，影劇院群集系數(shù)為0.89，人均散熱量為1080.8996W。在此考慮三種人體散熱的簡化模型：發(fā)熱量為96W的空氣層；發(fā)熱量為63W的人體固體模型和33W的空氣層；發(fā)熱量為96W的人體固體模型。由于前兩種模型在建模時須加入新的空氣層模型，作者在計算中發(fā)現(xiàn)X方向的網(wǎng)格數(shù)低于180的情況下，PHOENICS無法準確地識別信息，而網(wǎng)格數(shù)過大（如250）在理論上可行，但計算機內存不足，因而

8、無法實現(xiàn)，只能選取第三種模型，即人體以顯熱形式散熱96W。大劇場人體模型總散熱量為96W885人84.96kW，一、二、三層分別為53.57kW、14.30kW、17.09kW。燈光負荷為10kW，工況3不計燈光負荷。舞臺傳熱為15kW。劇場外部是入口大廳，由于入口大廳的設計溫度與劇場差異不大，因此將圍護結構假設為絕熱體，圍護結構負荷為0模擬工況（三級） 本文采用正交實驗提出最優(yōu)方案。因素有送風量及送風溫差，見表1。根據(jù)送風量及送風溫差，可計算供冷量為：QCVt/3600 （2）式中，C為空氣比熱1400J(kg)；為空氣密度(1.2kg/m3)；V為送風量(m3/h)，t為送風溫差()例如：

9、工況5的工冷量為Q14001.26543600106.167W，排除人體散熱的剩余冷量Qs106.1679610.17W。工況1，2，4的剩余冷量為負值，工況9的剩余冷量過大，因此排除。各工況的參數(shù)見表2。由表2可以看出，工況5與7的供冷量相當，而工況6與8的供冷量相當。而從能耗看，工況3送風量最小，制冷量最小，因而能耗最少，工況5次之；工況6比工況7的送風量少8850m3/h，而制冷量多14.2kW，能耗不相上下.數(shù)值計算概況（一級）模型網(wǎng)格數(shù)為1507575，計算迭代次數(shù)為1500次。為了得到熱舒適性指標PMV和PPD，輻射溫度設為25，服裝系數(shù)為0.6clo，新陳代謝率為靜坐值，外部做功

10、為0。計算結果與分析（一級）溫度場結果與分析（二級）溫度是影響空調效果中最重要的因素。各工況溫度分層比較明顯。工況6和8的溫度偏低；前4排溫度更低，最低達22.2；各層后3排溫度都較高。工況3，5和7的溫度適中，前5排溫度偏低，最低達22.7；各層后3排溫度都較高，三層最后一排中部的溫度最高達26.7。壓力場結果與分析（二級） 由壓力場可視化結果（限于篇幅，本文沒有引用）可知，各工況壓力場幾乎沒有區(qū)別。壓力在水平面上分布非常均勻，壓力沿高度逐漸升高。風速場結果與分析（二級） 由風速場可視化結果（限于篇幅，本文沒有引用）可知，各工況人區(qū)絕大部分風速都在00.08m/s，而僅有很少部分由于空氣浮力

11、和擾動等因素達到0.15m/s，不會產(chǎn)生吹風感(Draft)。由理論分析也可得知，送風口風速為0.14m/s，人區(qū)最大風速不會偏離此值很大。舒適性結果與分析（二級）舒適性參數(shù)有PMV(Predict Mean Vote,即預測平均評價) 及PPD(Predict Percentage of Disatisfaction,即預測不滿意百分率)。由于PMV與PPD是完全相關的，本文只分析PMV結果。由于設計溫度為24，而在模擬計算中服裝系數(shù)為夏季典型著裝0.6clo，因此造成PMV值偏低，各工況人區(qū)絕大部分PMV值低于0，分析PMV的實際值意義不大，需重新修改服裝系數(shù)，再著運算，PMV值的總體分布

12、趨勢是從前排往后逐漸升高。各工況綜合分析（二級） 綜合比較各工況氣溫、風速、空氣齡及PMV值，見表3。溫度的取值點為200個。 通過以上的分析及對比，可以看出各工況效果差別不大，沒有特別差的工況，再考慮能耗因素，得出的結論是：在演出開始前的進場期間，選用工況7；工況3未考慮屋頂燈光負荷，在演出開始時只會開很少的燈，因此在演出進行期間，選用工況3。工況7的進一步分析（二級）溫度偏低的地方集中在前5排座位，分析原因為：忽略舞臺燈光輻射造成的延時負荷；風速較低，冷空氣停留時間較長。處于劇場最低處，冷空氣下沉有一定作用。溫度偏高的地方集中在后3排座位的中部，分析原因為：離回風口較遠，風速較低，空氣齡較

13、大，人員散熱不能及時帶走；處于劇場最高處，熱空氣上浮有一定作用；局部層高較低，最低達2.8m，嚴重影響溫度分層效果。屋頂熱空氣集聚較多，分析原因為：排風口較少，排風不均勻，使熱空氣集聚在非排風區(qū)。風速分布較均勻，高風速出現(xiàn)在非人區(qū)。最小PMV值同樣出現(xiàn)在溫度最低的地方，即前5排座位結論及建議（一級）結論（二級）1.獲得了重慶大劇院空調方案的溫度場、風速場、PMV和空氣齡分布等比較直觀的數(shù)據(jù)和圖形，并進行了各工況的分析和比較，得出較優(yōu)的工況。2.分析了較優(yōu)工況產(chǎn)生不利的原因。3.證明座椅送風分層空調的氣流組織方式是一種較為合理的、節(jié)約能源的氣流組織方式，是劇院等大空間建筑的較好的空調送風方式。4.證實了利用CFD 技術指導空調設計是可行的。建議（二級）1.充