某剧院座椅送风气流组织数值模拟研究

皮英俊 刘东 王婷婷 周鹏 刘芳

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑设计院集团有限公司

某剧院座椅送风气流组织数值模拟研究

皮英俊1刘东1王婷婷1周鹏2刘芳2

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑设计院集团有限公司

在座椅送风的设计过程中，某些情况下，不能为每个座椅配置一个座椅送风口。本文针对某剧院在设计过程中出现的此问题进行模拟研究。首先通过建立局部模型，对两种不同的座椅送风口布置方式的空调效果进行模拟，发现风口数量的减少并未对空调效果产生很大的影响；在此基础上根据剧院建筑及空调建立模型进行模拟，得出此剧院座椅送风口的布置可以取得良好的空调效果的结论。

剧院数值模拟座椅送风气流组织

0 引言

座椅送风是置换通风的一种具体形式[1]，它将送风口与座椅相结合，使气流更加均匀，能让人体活动区得到较高的空气品质，适合于热源密度比较大的体育馆、剧院等场所。

在工程设计中，座椅下送风的使用往往受到其他专业（如结构等）和初投资等因素的限制，在某些情况下，不能对每个座椅都设置一个座椅送风口。这样的座椅送风能否起到良好的空调效果将是本文着重探讨的问题。

笔者首先给出座椅下送风的模型和模拟方法，然后利用该模型，构造两种布置条件不同的座椅下送风模型，比较了两种情况下的温度场合速度场；最后，根据工程实例，建立与实际工程相符的物理模型进行数值模拟，并对其空调效果进行分析。

1 工程概况

这是实际设计中的某剧院，由一个1229座观众大厅、主舞台与侧台及后台排演厅、公共服务空间、交通辅助用房等组成，总建筑面积6422.59m2，地上2层，局部三层（2-3轴观众公共卫生间及上方区域），地上建筑面积5741.61m2，地下1层，地下建筑面积680.98m2。

由于在设计过程中，要与结构、工艺等其他部门相配合，无法为每个座椅都配置座椅送风口。综合考虑各种因素，座椅送风口的布置如图1～2所示。

2 数值模拟

2.1 座椅下送风局部效果数值模拟

2.1.1 物理模型

笔者通过建立座椅送风局部模型，对两种不同的座椅送风口布置方式进行比较，来验证座椅送风口的减少是否会对空调效果产生影响。工况1为传统工况，即对每个座椅配置一个座椅送风口；工况2为每两个座椅只设置一个座椅送风口，有无送风口的座椅交叉放置。两个工况的参数见表1。

模拟的人体及座椅送风口尺寸如图3所示：人体尺寸根据国家标准GB10000-88中国成年人人体的尺寸数据简化；座椅送风口根据某座椅置换送风系列风口的TCD-B/250190和TCD-B/250简化。

网格对人体所在区域及送风口区域进行了加密处理，在保证计算结果准确的前提下，减少网格数量。

观众区有多排座椅，每一排座椅的情况基本相同。在模拟计算中考虑前后排座椅以及左右列座椅之间的相互影响。所以，在本次模拟中，建立5×5模型来比较两个工况的空调效果。模型如图4。其中，工况2中座椅送风口的设置如图5所示。

模型中的尺寸以及空间位置都是根据实际情况确定。一般座椅送风系统需要考虑的冷负荷有人体散热负荷、围护结构冷负荷以及灯光的辐射负荷等。本次模拟考察座椅送风的局部效果，只考虑人体散热负荷。人体的显热散热量按表面积均匀分布，根据设计方提供的负荷资料，取人员散热负荷为55W/人。座椅下送风风口尺寸按照表1给出的数据进行选取。在模型中央上部4m高处设置回风口，风口尺寸为0.2m× 0.2m。座椅送风温度为19℃，模型中设计温度取25℃。

此次模拟选择的座椅送风口样本的有效面积系数为0.4，本次模拟中通过编译UDF文件来表征此项参数，使模拟结果更接近于实际情况。

2.1.2 模拟结果比较分析

1）温度场比较。图6图7给出了两个工况下，人员周围的温度分布情况，所取截面为过中间一排人员中心的截面。

风从座椅下方送出，沿程吸收热量，因此人员周围的温度上高下低。两个工况下，人员周围的温度都在23～25℃的范围内，并无显著差别。所以在总风量不变的情况下，将送风口数量减半，并不会对环境的温度场产生明显的影响。

2）速度场比较。图8、图9给出了两个工况下，人体脚踝附近的速度分布情况，所取截面为通过大部分人员脚踝的水平截面。工况1和工况2的送风风速分别为0.26m/s和0.43m/s，从模拟结果中可以看出，风从送风口吹出后，风速衰减很快，在距离送风口较近的地方风速大概为0.1m/s。而两个工况下，在人体脚踝区域的风速分别为0.04m/s和0.06m/s，都在规范允许的范围内。也就是说，虽然工况2减少了风口数量，加大了单个送风口的送风风量和送风风速，但由于座椅送风的特性，风速衰减很快，并不会使人体产生不适的吹风感。

综上所述，将座椅送风口数量减半以后，仍然可以产生较好的热环境，且风量加大以后，人员并不会感到不适的吹风感。

2.2 某剧场观众区座椅送风效果模拟

2.2.1 物理模型

某剧场观众区共有1229个座位，分为池区前区、池区后区和楼座三个部分，观众区座椅及座椅送风口的分布如图1图2所示。

由于剧院较大，为降低模型复杂程度和计算时间，对模型进行简化。将送风方式改为地板送风，送风口改为座椅下地面条形风口，将同一排的送风口建立为一个模型；人体尺寸根据国家标准GB10000-88中国成年人人体的尺寸数据简化而成，并将每一排的人体建立为一个模型，如图10所示。

从风口的布置图（图1、图2）上不难发现，很多座椅都没有配置座椅送风口，为了更真实地模拟剧场的空调效果，对送风口数目较少的区域将不设置条形送风口，对送风口数目较多的区域设置条形送风口。模型中风口的布置如图11所示。

在设计施工图中，观众区的回风口和排风口都设置在观众区的前方，所以在本次模拟中，在观众区的前区两侧各布置两个排风口，回风口尺寸为2m×1m。建立的观众区模型如图12所示。

网格对人体所在区域、送风口区域以及回风口区域进行了加密处理，人体上方剧院中空区域网格相对稀疏，这样能在保证计算结果准确前提下，减少网格数量，加快计算速度。

人体的显热散热量按表面积均匀分布，根据设计参数，取人员散热负荷为55W/人。送风温度为19℃，空调设计温度为25℃。

2.2.2 模拟结果

1）速度场。图13、14给出了典型截面的速度分布情况。从计算结果来看，配置有座椅送风口的区域的人体周围的风速一般在0.05～0.10m/s之间；没有配置座椅送风口的区域的人体周围的风速一般在0.05m/s以下。除了在送风口附近和观众厅正上方的风速较大之外，其他区域的气流速度均较小，气流从下到上，从后向前依次排出。由于人体热源的影响，在人体表面附近形成了上升气流。另外，由于排风口设置在整个区域的前方，气流都有一个向前、向上的趋势。

2）温度场。图15给出了典型截面的温度分布情况。从计算结果来看，座椅送风的空调效果基本能达到人体舒适度的要求，且同一区域的温度分布较为均匀。但是，也出现了明显的温度分层情况。前区的温度较低，其原因为：①模拟计算过程中，忽略了舞台灯光辐射所产生的负荷；②处于剧场的最低处，冷空气下沉停滞，导致温度降低；③距离排风口最近，相对于后排来说，空气龄较小，能及时将人员的散热带走。楼座的温度偏高，其原因为：①离回风口较远，空气龄较大，人员散热量不能被及时带走；②处于剧场的最高处，热空气上浮，导致楼座温度偏高；③由于模型建立的原因，楼座区域层高相对于前排来说较低，这也会对空调效果产生一定的影响。总体来说，模拟结果是令人满意的。

3 结论及建议

1）座椅送风可以为人员提供舒适的热环境；

2）在总风量不变的前提下，适当减少座椅送风口的数量，并不会对环境产生很大的影响；

3）本剧院内的座椅送风口布置可以取得良好的空调效果；

4）由于出现了明显的温度分层，建议对送风参数进行分区控制，适当提高池区前区的送风温度，适当降低楼座的送风温度，这样不仅能够节能，还能为人员提供更好的环境。

[1]Yuan Xiaoxiong,Chen Qingyan,Glicksman LR.Critical review of displacement ventilation[J].ASHRAE Trans,1998,104(1A): 78-89

[2]白玮,潘毅群,谭洪卫,等.某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究-(1)实验室模拟分析[A].见:暖通空调新技术[C].北京:中国建筑工业出版社,2002:57-60

[3]孟广田,李强民.座椅送风系统的特性研究[A].见：上海制冷学会年会论文集[C].上海,1997:35-40

[4]李先庭,陆俊俊.四种不同座椅送风形式热环境的数值模拟[J].暖通空调,2006,36(5):75-80

[5]李先庭,叶瑞芳,李晓峰.天桥剧场观众厅池座椅背送风方案研究[J].建筑热能通风空调,1999,(4):6-10

[6]Zhao Bin,Li Xianting,Lu Junjun.Numerical simulation of air distribution in chair ventilated roomsby simplifiedmethodology [J].ASHRAETransaction,2002,108(2):1079-1083

[7]陈滨,陈向阳.日本体育馆空调及自动控制新技术[J].暖通空调,2003,32(2):48-51

[8]陆俊俊,王威,李先庭.某剧场座椅送风热环境实测研究[A].见:全国暖通空调制冷2002年学术文集[C].北京:中国建筑工业出版社,2002:181-187

Num e ric a l Ana lys is on A ir Dis tribu tion fo r Cha ir Ven tila tion in a Thea tre

PIYing-jun1,LIU Dong1,WANG Ting-ting1,ZHOU Peng2,LIU Fang2
1 SchoolofMechanicaland Energy Engineering,TongjiUniversity
2 TongjiArchitecturalDesign(Group)Co.,Ltd.

Under certain circumstances during the chair ventilation design process,it is difficult to install the seatoutlet foreach seat.In this paper,a simulation study is conducted based on this problem,which occurred in the design process fora theater.To begin w ith,the effectof air conditioning under two differentdistributionsof chair ventilation outletwas simulated,and it is found thata reduction of air supply outletactually did notaffect the effectof air conditioning to a greatextend.In the nextstep,the theatre building and air conditioningmodeling isput into simulation,which led us to a conclusion that,the distribution of seatairsupply outletin this theatre can resultinwonderfulair conditioning effect.

theatre,numericalsimulation,chairventilation,airdistribution

1003-0344（2014）03-055-4

2013-5-21

皮英俊（1989～），男，硕士研究生；上海市杨浦区四平路1230号202室建筑一院（200092）；E-mail:piyingjun1913@sina.com