分层空调与置换通风模式数值模拟研究

　　摘 要：剧场环境对人们在观看电影或文艺演出等演出的气氛有着重要影响，而空调的配置与通风模式又是营造剧场环境的关键。本文以北京某剧场为研究实例，利用Airpak软件分别研究了分层及置换两种通风方式下建筑物内的气流组织、热舒适性特征。并确定了两种通风方式各自的优缺点及适用范围，研究结果可为类似工程设计起到提供借鉴作用。 　　关键词：剧场环境；空调通风；数值模拟；气流组热； 　　0.前言 　　大型剧场属于多功能于一化建筑，若的通风问题处理不当，不仅会破坏室内舒适的空调环境，造成场内卫生条件恶劣，直接影响人们的观赏环境和身心健康。合理设计空调通风模式，对于保证空调系统的正常运行，提高空调系统运行经济性，创造良好的室内空气品质及舒适的温、湿度参数都具有重要的意义，而且还能有效减少整个能源转换和传输链的消耗。本文利用Airpak软件分别对空调通风设计中的分层空调与置换通风模式进行了对比研究，确定了各自的优缺点及适用范围，对大型建筑的空调通风设计具有重要的实际应用意义。 　　1.剧场空调负荷的研究 　　在高大建筑的空调中，从一般采用分层空调设计。分层空调的负荷由两部分组成，即空调区本身的冷负荷和非空调区冷负荷转入空调区的部分合理的分析计算空调负荷，可以节约能耗。工程中使用较多的做法可以归纳为以下几种： 　　（1）经验系数法。我国有关技术措施规定：高大空间采用分层空调时，可按全室空调逐时冷负荷的综合最大值乘以经验系数作为房间冷负荷，经验系数为0.5～0.85。经验系数法较为简便，但作为经验值，比较粗糙，准确性较低。 　　（2）一次辐射法。其优点是考虑了非空调区对空调区辐射的影响，计算结果较为准确、可靠。缺点是没有考虑非空调区由于空气流动而引起的热量转移[2]。 　　（3）假想转移法。假想转移法相对于其它方法，更为接近实际情况，比较准确，但计算复杂。 　　2.数值集算模型建立 　　某剧场尺寸40×30×12m（长×宽×高），呈南北对称，南北两侧为观众席，中间为演出场地。由对称性，数值模拟模型取其二十分之一，考虑到边界效应，模型大小设为15×12×4m，由南向北依次为五级台阶，直至与地面持平。计算选用DO 辐射模型，收敛控制标准定义如下：能量方程的残差小于10-6，连续性方程、各速度分量的残差小于10-3；并且各计算残差曲线都趋于水平，即随迭代次数的增加各残差变化趋于稳定，以保证各参数值的稳定。 　　3.不同气流组织形式的计算结果分析 　　3.1侧送下回（上部排风） 　　此方案在观众席后墙设置两个送风口，为d=0.4m喷口，喷口中心距地面6m，在模型中简化为0.36×0.36m矩形风口，风口中心距2m，单个送风量0.75m3/s， 送风温度15℃，为定流量边界。回风回风口3个，分别设置在一级台阶、三级台阶、观众席后墙，尺寸分别为0.15×0.15m ，0.45×0.45m ，0.45×0.45m ，采用压力边界。。并后墙上部设置排风口，排风口中心距地面10.5m，尺寸0.5×0.5m，排风量0.3 m3/s，为定流量边界。 　　（1）温度场分布 　　在距地面10.5m至12m的区域温度较高，在10.5至11m之间温度平均35℃。11m至12m之间平均温度42℃。送风口上部非空调区温度在26℃左右。其中第一排观众周围温度约为24.5℃，比设计温度稍高，后三排观众席温度在23至24℃。中间演出场地温度在25℃左右。 　　（2）速度场分布 　　模拟结果显示后墙喷口中心速度为6m/s。射流中心速度至距喷口2m处衰减至1.8m/s。受后墙回风口位置影响，射流边界层在此局部有回流现象，后两排观众处于回流区，平均风速为0.3m/s。前两排观众周围气流从后面吹向人体，不处于回流区，风速在0.35m/s左右。台阶回风口处速度为3m/s，但对中间观众影响不大，前两排中间观众腿部风速约为0.2m/s。后两排观众席风速在0.3m/s左右，因后排平行设置喷口，射流边界层在此处叠加，致使前两排观众周围风速高于后排观众。 　　（3）PMV及PPD 　　模拟结果显示后两排观众PMV在0.4左右，感觉会很舒适。受一级台阶回风口影响，第一排中间观众PMV约为0.65，稍高于推荐值。中间演出场地PMV在1.0左右，有微暖感，因此处气体温度高于观众席所致；最后排观众席PPD在5%至7%之间，感觉很舒适。 　　3.2置换通风 　　此方案在台阶设置送风口，顶棚设置回风口。 　　（1）温度场分布 　　温度场在垂直方向呈梯度分部。下部观众席温度平均在26℃。上部空间温度在40℃左右。因在台阶设置送风口，观众脚踝部位温度稍低于设计温度，约为22℃。最后排观众周围温度高于前排观众，约为26～27℃。 　　（2）速度场分布 　　模拟结果显示整个空间风速较低，观众席平均风速0.1m/s，中间演出场地风速在0.08至0.1m/s之间。风速满足规范要求。 　　（3）PMV及PPD 　　模拟结果显示整个空间PMV值较高，平均在2左右。前三排观众席PMV在1.5左右，有微暖感，最后排观众感觉较热。 　　3.3置换通风改进方案 　　在此方案中对送风口位置及送风量局部调整。 　　（1）温度场分布 　　最高温度在顶棚附近，为38℃。后墙温度为28℃。观众席温度分布较均匀，平均在23.5℃。距地面0.1m至1.1m之间即头脚温差不超过2℃。观众席未见较为明显的温度梯度，最后排观众附近温度稍高于前排，整个空间大部分区域满足设计要求。 　　（2）速度场分布 　　模拟结果显示整个空间风速较低。送风口处风速为0.8m/s，且送风速度衰减很快，至人体脚踝部位风速衰减至0.1m/s，人体周围风速在0.08至0.1m/s之间，观众不会有吹风感，观众席平均风速满足规范要求。 　　3.4不同通风方式的优缺点分析 　　分层空调的送风量取决于空调区总显冷负荷和送风温差的比值，一般送风温差取值较大。方案一属于分层空调，其负荷计算采用经验系数法，系数取0.8。所得送风量1.5 m3/s。方案二的送风量0.84 m3/s。在方案三中，将送风量增至1.4 m3/s，其效果优于方案一，但送风量低于方案一。当空调运行全新风时，置换通风冷负荷明显小于混合通风及分层空调，这是过渡季节能的根本原理[4]。而回风量比例越大，则两者冷负荷越接近。置换通风过渡季节能耗低是置换通风节能的一个重大优势。采用置换通风系统的剧场建筑内，低温低速的空气由下部送入工作区，在后继送风的推动和室内热源产生的热对流气流的卷吸提升作用下，送风由下至上流动，形成室内空气运动的主导气流，最后在房间顶部排出室外。在工作区中接近于理想状况下的单向流，因此它的换气效率接近于100%。而分层空调工作区处与回流区，其下部空调区相当于传统的混和通风，其换气效率低于置换通风。 　　4.结论 　　（1）采用分层空调时，在上部合理设置排风口，使整个空间的速度场、温度场、PMV及PPD均满足规范要求及推荐标准，用于实际工程是可行的。 　　（2）采用置换通风，合理的设置送风口及送风量，对整个空间的气流分布有重大影响。对比方案二，方案三在调整送风口位置及送风量后，整个空间的速度场、温度场、PMV及PPD均满足规范要求及推荐标准，在工程上可以接受。 　　参考文献 　　[1]曹建伟. 置换通风空调室内空气品质的数值模拟研究[D].北京交通大学，2013. 　　[2]袁锋. 顶板辐射―置换通风复合空调室内热环境研究[D].西安建筑科技大学，2013.