改善舞台空间热舒适的模拟分析研究

2021-03-16同济大学建筑设计研究院集团有限公司李晨玉

暖通空调 2021年1期

同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司李晨玉王健王颖曾刚

0 引言

随着经济、科技、文化的发展，人们日益增长的物质文化、精神文明需求使得我国近年来剧场类建筑迅速增多，而舞台工艺这一专业也逐步进入到了空调设计任务书当中[1]。舞台是剧场建筑设计的一大重点与难点，而如何保障舞台上的演员热舒适性更是近年来亟待解决的问题。以上海市某歌剧厅舞台空间为例，设计了一种台仓加热系统，利用CFD数值模拟方法快速简便、准确有效、成本较低的优点，分析舞台空间的热舒适性并进行优化设计，以供相关设计人员参考。

1 项目概况

1.1 舞台简介

某歌剧院项目位于上海市，歌剧厅舞台为品字型镜框式固定舞台，由主舞台、左右侧舞台和后舞台组成。主舞台宽28.00 m，进深20.00 m，高27.73 m；左侧舞台宽20.00 m，进深17.00～23.00 m，高14.00 m；右侧舞台宽20.00 m，进深14.00～21.00 m，高14.00 m；后舞台宽18.00 m，进深17.00 m，高15.00 m。主舞台台仓深11.10 m(自舞台面算起)。歌剧厅舞台平面图如图1所示。

图1 歌剧厅舞台平面图

1.2 空调系统简介

歌剧厅舞台采用定风量一次回风全空气系统，主舞台向下30°侧送风，左右侧舞台顶送风，回风采用墙体底部侧回风的气流组织形式。

为保证冬季舞台地板温度符合人体热舒适性要求，设计一种台仓加热系统，在台仓内紧贴台仓顶板送40 ℃热风，使舞台地板温度升高。

2 分析内容与评价标准

2.1 主要分析内容

在夏季，由主舞台侧送、侧舞台上送的冷空气自然下降，热舒适性要求较容易得到满足。而冬季，受热气流上升的影响，下部演员活动区的温度常得不到保障，这是近年来舞台暖通设计中一直未解决的问题。因此，仅对冬季工况进行重点分析。

在原设计基础上，模拟分析舞台区的温度和速度分布情况，对人员活动区的舒适度进行分析，并对比辐射对室内舒适度的影响。

若人员活动区温度达不到要求，拟在主舞台台仓内设置一种加热系统，即将热空气送入台仓，在演出前对舞台地面进行加热，起到地暖的作用。因此，模拟共分为4个工况，见表1。

表1 各工况对比

各工况主要分析的内容为：

1) 距舞台地板1.5 m高度处室内空气的平均温度；

2) 距舞台地板1.5 m高度处室内空气的平均风速；

3) 舞台地板的平均温度；

4) 歌剧厅舞台室内温度的竖直分布情况。

2.2 评价标准

JGJ 57—2016《剧场建筑设计规范》表10.2.3规定，歌剧厅舞台冬季室内设计温度为18～22 ℃，平均风速为0.1～0.2 m/s[2]；《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调·动力》(2009年版)表1.2.2和表5.4.2-1规定，歌剧厅舞台冬季的室内设计温度为16～20 ℃，室内活动区的允许气流速度为0.2 m/s[3]。综合上述2种室内设计参数的规定，拟将冬季室内设计温度的范围设定为16～22 ℃，气流平均速度定为不大于0.2 m/s。

3 技术方法

使用软件为计算流体动力学软件STAR-CCM+。

3.1 建筑模型

由于歌剧厅舞台的空调系统与观众厅分开设置，且观众厅的气流组织形式还需根据工艺要求进行二次深化设计，故暂不考虑观众厅空调系统的影响。后舞台主要为候场时使用，表演时会利用反声板将其与主舞台隔开，因此模拟分析时仅考虑主舞台及左右2个侧舞台。简化后建立的舞台模型如图2所示。

图2 歌剧厅舞台模型

3.2 边界条件

歌剧厅舞台的冬季室内设计温度为20 ℃，其周边相邻房间主要为楼梯间、耳光室、卫生间和走廊等，其温度按照值班温度5 ℃考虑，室外环境温度为上海市冬季空气调节室外计算温度-2.2 ℃[4]。主舞台和侧舞台送风温度为25 ℃。

忽略人体散热和灯光散热，以最不利条件进行模拟计算。模拟分析的入口、出口边界条件，壁面边界条件的具体设置见表2和表3。

表2 入口、出口边界条件

4 模拟结果分析

4.1 原设计方案

图3显示了原设计方案歌剧厅舞台剖面温度场、风速场。

原设计方案不考虑辐射影响时，热空气从顶部送风口向下送出，与冷空气混合使舞台室内温度升高，由于热空气向上升，室内出现了上热下冷的现象。舞台地板附近温度仅为9.2 ℃，温度过低，人员于舞台上活动时的舒适性差。但1.5 m高度处人员活动区基本符合冬季室内设计温度要求，平均温度为20.8 ℃，比冬季室内设计温度20.0 ℃高0.8 ℃；1.5 m高度处的平均风速为0.19 m/s，在冬季室内设计平均速度范围内。

表3 壁面边界条件

注：工况1不考虑辐射影响，工况2考虑辐射影响。

以工况1模拟结果为基础，考虑辐射影响，将舞台地板的平均温度设为9.2 ℃进行模拟。歌剧厅舞台1.5 m高度处的平均温度为19.2 ℃，较工况1降低了1.6 ℃，但仍在冬季室内设计温度范围内；1.5 m高度处的平均风速为0.19 m/s，无变化。

4.2 优化设计方案

图4显示了优化方案歌剧厅舞台剖面温度场、风速场。

注：工况3不考虑辐射影响，工况4考虑辐射影响。

为提高舞台地板温度，使人员于舞台上活动时的舒适性较好，增加台仓送风加热系统。经计算分析，系统为维持舞台地板温度所需总送风量为10 800 m3/h，送风温度为40 ℃，送风速度为3 m/s。

热空气从顶部送风口向下送出，与冷空气混合使舞台室内温度升高。由于热空气向上升，室内出现了上热下冷的现象，但有台仓内加热系统的热空气对舞台底部进行加热，舞台内温度竖直分布变得较为均匀，底部与顶部温差大大减小。主舞台地板的平均温度为24.5 ℃，对比无台仓加热系统升高了15.3 ℃，人员于舞台上活动时的舒适性非常好。舞台1.5 m高度处的平均温度有所升高，为21.1 ℃，比冬季室内设计温度20.0 ℃高1.1 ℃；1.5 m高度处的平均风速为0.20 m/s，仍在冬季室内设计气流平均速度范围内。

以工况3模拟结果为基础，考虑辐射影响，将舞台地板的平均温度设为24.5 ℃进行模拟。歌剧厅舞台1.5 m高度处的平均温度为21.0 ℃，较工况1仅降低了0.1 ℃；1.5 m高度处的平均风速为0.17 m/s，降低了0.03 m/s。

台仓加热系统增加的总热负荷约为31.4 kW，在提高舞台地板热舒适性的同时，台仓内的温度也大大升高，顶部温度更是达到33 ℃以上，如图5所示。