高大空间座椅送风案例分析

康宁 王雯翡 张艳芳 贺芳 范凤花 魏加雯

中国建筑科学研究院有限公司

近年来，随着暖通技术的发展，行业对于公共建筑的室内热舒适要求越来越高，对剧院、体育馆、报告厅等具有高大空间的观演类建筑而言，人员分布仅占空间的一部分，这意味着这类建筑仅通过空调调节室内温度必将造成很大的能源浪费，而通过座椅送风的形式针对性较强，将送风口和座椅结合便于控制调节局部气流，能够提供更好的室内空气品质，可以有效的避免交叉感染[1-2]。同时可以满足舞台和观众席不同的环境特点和空调需求，具有节能、环保等优点。本文以南沙青少年宫项目为依托，应用Aiapak 软件对其进行座椅送风气流组织模拟，通过得出直观的温度和速度云图进行分析，从而为同类项目的座椅送风空调设计提供一定的借鉴意义。

1 工程简介

本工程为广州南沙区青少年宫项目，项目位于广州市南沙区明珠湾区起步区内，凤凰大道西侧南沙体育馆片区A1-12-01 地块。项目东侧为60 m 宽的凤凰大道，西侧为规划路（12 m 宽），南北两侧现有20 米宽的主要道路，地块南侧为南沙体育馆，北面为规划体育公园。项目总建筑面积为：51656.29 m2，其中，地上共五层（局部四层），建筑面积约37481.95 m2，地下共一层，建筑面积14174.34 m2。建筑高度为23.63 m，为多层公共建筑，地上耐火等级为二级，地下防火等级一级。初步统计建筑空调面积约32897.15 m2。

建筑功能主要为多功能儿童剧场、文化交流展厅、图书馆、科技互动展厅、报告厅、教学用房，建筑为局部5 层的多层公共文化建筑。地下部分主要为地下汽车库及配套餐饮和设备用房。地上除展厅教室外，设有部分配套、会议、办公及相关设备用房等。建筑效果图如图1 所示。

图1 效果图

2 研究对象

2.1 模型建立

剧场观众席采用二次回风全空气系统，气流组织方式为座椅送风侧回风。送风管接入观众厅下部的送风静压箱，并通过座椅送风柱为承重型，结合剧场座椅设置。回风设置于观众厅侧壁。剧场舞台区采用一次回风全空气系统，其气流组织为顶送，回风设置在中下部，排风设置在舞台顶部栅顶内。剧场房间高度达15.3 m，为高大空间，标高10.8 m～15.3 m 处为检修空间。

剧场观众厅气流组织采用座椅送风，侧壁送上回，剧场观众厅侧壁回风口布置在9.6 m、8 m、6 m 处及顶部10.6 m 处，回风口布置在空间9.6 m 高度处。剧场舞台厅顶送中下部回风，南沙青少年宫热环境模型根据实际设计图纸建立，为方便模型的建立和网格的生成，在不影响计算精度的前提下，可对模型做一定的简化，模型如图2 所示。

图2 物理模型

2.2 参数设置

边界条件设置如表1 所示。本文模拟做了如下的假设：

表1 边界条件

1）假设空气流动为不可压缩牛顿粘性流体的稳态流动。

2）满足Boussinesq 假设。除密度外其他物性为常数，在计算动量方程中与体积力有关的项时考虑密度的可变性，其余时候的密度亦作为常数。在此假设下，密度差可被近似的认为纯粹受温度的影响。引入容积膨胀系数β，密度可以表示为：

式中：T为空气的温度，K；ρ为空气密度，kg/m3；ρc、Tc分别为对应的密度和参考温度。

引入有效压力p'=p+ρcgh。

3）不考虑固体内部耦合传热，只做固体与流体和流体之间的传热计算，固体与流体之间的传热量按等温边界条件计算。

2.3 网格划分

由于几何构造复杂，项目采用了非结构化网格（四面体网格）。建立大空间网格时对空间进行分区加密处理，如贴近送风口、回风口、壁面处的网格均进行局部加密。模型软件自动生成，剧场网格单元数：3082698，节点数3221920。网格划分如图3 所示。

图3 网格划分

3 热环境模拟分析

3.1 温度分布

通过图4～8 可知：从Z 方向的截图可以看出，舞台2.1 m 高度处平均温度为24.1°左右，观众席1.0 m高度处前三排的温度大约在24.5 ℃，大部分区域温度处于25.75 ℃，整体温度在25.2 ℃左右，其原因在于前三排的座位离舞台区域较近，且位置偏低故而在前三排温度相对略低，而随着热羽流和高度的增加，后面区域温度相对于前三排偏高1.2 ℃左右，舞台和观众席均满足对剧场室内空气设计温度的要求。从X 方向的截图可以看出，观众席前排上方由于设置光桥，热量较大，距离下部座椅较远，顶部温度稍高，但不影响整体人员的舒适度。从Y 方向的截图可以看出，纵向温度场相对均匀，平均温度为25.2 ℃左右。从X 方向，Y 方向的截图分析可知垂直高度上，温度呈现一定的梯度分布，上高下低，热量聚集在顶部，不影响人员的整体舒适度，这与龚光彩等人的研究结果一致[3]。大空间纵向温度场在9 m 高度以下温度较均匀，未出现严重的温度分层现象。

图4 X=13.4 m 处温度云图

图5 Y=10 m 处温度云图

图6 Y=38 m 处温度云图

图7 Z=1.0 m 温度云图（距台阶1 m 高度处的温度云图）

图8 Z=2.1 m 温度云图

3.2 速度分布

通过图9～13 可知：剧场观众席整个大空间的人员常待区域（Z=1.0 m 截面处）的风速相对均匀、风速较小，平均风速为0.20 m/s。从X 方向，Y 方向的截图分析可知脚踝处风速很大，容易造成头暖脚寒的不利影响。但大部分区域的风速小于0.3 m/s，不会对室内人员造成明显吹风感，符合夏季空调室内风速的要求。舞台区演员演出区域的风速相对较均匀，送风口对应的位置风速稍大，局部达到0.5 m/s，人员会有一定的吹风感。可根据实际情况在演出时关闭一些空调，减少吹风感及人员衣服的晃动，整体满足人员舒适度的要求。

图9 X=13.4 m 处风速云图

图10 Y=10 m 处速度云图

图11 Y=38 m 处温度云图

图12 Z=1.0 m 高度处风速云图

图13 Z=2.1 m 高度处风速云图

4 结论

利用数值模拟的方法，通过对南沙青少年宫项目高大空间夏季制冷工况下的室内空调送风气流组织模拟分析，为夏热冬暖地区高大空间公共建筑的设计提供了参考，并得出以下主要结论：

1）舞台2.1 m 高度处平均温度为24.1 ℃左右，观众席1.0 m 高度处前三排的温度大约在24.5 ℃，大部分区域温度处于25.75 ℃，整体温度在25.2 ℃左右，其原因在于前三排的座位离舞台区域较近，且位置偏低故而在前三排温度相对略低，而随着热羽流和高度的增加，后面区域温度相对于前三排偏高1.2 ℃左右。垂直高度上温度呈现一定的梯度分布，上高下低，热量聚集在顶部，大空间纵向温度场在9 m 高度以下温度较均匀，未出现严重的温度分层现象，舞台和观众席均满足对剧场室内空气设计温度的要求。

2）剧场观众席整个大空间的人员常待区域（Z=1.0 m 截面处）的风速相对均匀、风速较小，平均风速为0.20 m/s，剧场舞台送风口对应的位置风速稍大，局部达到0.5 m/s，人员会有一定的吹风感。可根据实际情况在演出时关闭一些空调，减少吹风感及人员衣服的晃动，整体满足人员舒适度的要求。

3）除了速度场、温度场外，送风量，噪声、调节性能，价格等都是设计人员考虑的重点。座椅下送风方式的造价低，送风量大时噪声小且容易调节但脚踝处风速很大，容易造成头暖脚寒的不利影响。建议实际工程选择时应综合考虑舒适性、噪声、调节特性、成本等因素综合选择合适的座椅送风方式。