摘要：剧场作为一类欣赏现场表演艺术的高规格大空间建筑，对于其内部空调系统有着较高的设计要求，适当的气流组织设计对剧场空间温度场和速度场的分布有着重要的影响。本文根据剧场空间的结构特点，在原空调设计方案的基础上进行了优化，随后采用FLUENT软件，对不同空间的空调系统物理模型进行了计算模拟，得出相应的温度场和速度场。通过对模拟得到的空间温度场和速度场的分析研究，评估其空调系统气流组织的特点，并将方案进行对比，得出相关结论。
关键词：大空间 ；CFD；温度场；速度场
0引言
伴随着经济的快速发展，人们的文化生活日益丰富，许多城市新建了剧场、音乐厅、体育馆等一系列高标准的大空间建筑。这类建筑集高层、大尺度、综合性、多功能性等特征于一身，且在负荷构成，传热特性，室内气流组织、空调方式、防排烟、室内空气品质等诸多方面与一般建筑不同。为了充分发挥这类建筑的功能并且保证人体舒适度和节约能源，空调系统的气流组织设计对其效果的优劣起着至关重要的作用，它直接影响到室内的温度场、速度场以及污染物的分布等，是保证室内拥有良好空气品质的重要因素。FLUENT是目前功能最全面、使用最广泛的CFD软件之一，基于CFD软件群的思想，从用户角度出发，针对各种复杂流动的物理现象采用不同的离散格式和数值方法，在特定领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳的组合，从而达到高效地解决各个领域复杂流动计算问题的目的[1]。
1工程概况
本文研究对象为南方某市800人剧院。该建筑剧场空间空调面积为898㎡，长46m（舞台部分长17m，观众区长29m），宽22m，高20.4m，分为三层，属于高大空间建筑。原设计方案中，舞台区采用上送下回和侧送风的混合送风方式，使用两台组合式空调处理机，每台机组的额定制冷量为140KW，额定送风量为18000m?/h。观众区采用上送下回的送风方式，共有2台空调机组，每台机组的额定制冷量为132KW，额定送风量为22000m?/h。
针对该剧场空间结构的特点，通过对剧场舞台区和观众区的空调系统送风方式的优化设计，来研究不同气流组织方式对大空间环境温度场、速度场的影响。通过与原方案的对比分析，为大空间建筑空调系统的设计提供一定的参考。
2 物理模型建立
将舞台区和观众区作为两个单独区域分别进行空调系统的设计。模拟之前先利用GAMBIT软件建立观众区和舞台区的简化模型。
由于整个剧场空间较大，若直接按照原始尺寸来进行建模无疑会加大迭代计算的计算量，延长了收敛的时间。考虑到整个剧场空间在中轴方向上呈对称分布，因此在建模时只建立一半的剧场模型，并在边界条件设置时进行对称面设置。
图1 剧场立面图
2.1 舞台区
2.1.1 边界条件设置
舞台正前方平面为与观众区的接触面，在系统设计中观众区设置温度为26℃，因而该边界设置为绝热恒温面，温度为26℃。相关边界条件的设置及初始值列于下表。
表2-1 舞台区边界条件
图2.2VDL涡流送风口高度处温度度分布 图2.3 横向12.701m处温度分布
VDL旋流送风口送风中心沿舞台纵向的切平面（图2.2）上，送风口下端空间温度降低明显，集中在23℃附近，且整个下送风区域除送风中心位置处温度稍低为21℃左右外，其他区域温度分布较为均匀，起到了降低侧舞台温度的目的。
竖直方向上5.585m高度处为UDK远程投射送风口中心，舞台前侧温度较低，这与舞台前方送风比较集中有关。回风口设置在舞台后侧，送风在进入回风口的过程中与舞台部分进行热交换，温度逐步升高。舞台横向上最外侧两UDK送风中心处切平面温度图（图2.3），从图中看出，在送风口以下的空间中，降温效果明显，人员活动区域内温度主要为23℃，局部温度较低，但温度梯度变化不大，不存在温度死角。按照方案一中设计的送风温度，在舞台空间人员活动范围内，温度分布在23~26℃，符合规定设计的要求。同时由于舞台采用侧送风和下送风混合的送风方式，而下送风的射流及制冷空间范围稍小，送风较为集中，使得在下送风范围内温度要低于侧送风范围气流温度，导致侧送风形成的涡流与下送风气流在侧舞台处形成了一个较明显的温度过渡段。
图2.4 UDK远程投射送风口中心气流分布 图2.5 舞台横向8.938m处气流组织图
在5m以上的大空间范围内，由于送回风口位置高度的限制，送风速度不断衰减，冷风到达量较少，使得整个上方空间温度无明显变化，温度梯度较小。同样由于送风气流组织的分布，整个舞台空间在高度方向上形成了明显的涡流（图2.4、2.5）。
送风口中心下方的范围内，由于侧送风与下送风的混合送风方式，在主舞台和侧舞台空间上各自形成了明显的涡流，这样有利于降低舞台表面的温度，同时风速也均匀分布在0.3m/s之内，符合设计的规定。UDK远程投射送风口送风中心高度处送风速度较大，达到了1.2m/s，有效的隔断了上方空间高温空气的热传递，有利于维持演员活动范围内温度的稳定。
2.2 观众区
2.2.1 边界条件设置
观众区物理模型按照实际尺寸建立，部分位置做简化处理，不影响模拟试验，模型如图2.6。相关边界条件的设置如下：
表2-2 观众区边界条件
图2.7对称面温度分布图 图2.8 7m高度处温度云图
由横向各温度面的分布云图可以看出，在一楼观众区（图2.7），中部位置的温度降低的较为明显，这可能与回风口位置的布置有关。回风口从剧场入口依次沿外墙向舞台方向布置，最外侧回风口由于布置在二楼观众区下方，这样该处回风口的回风受到阻碍，导致回风量不足，使得大量回风集中在中、前方两个回风口，便造成了中部位置温度过低的结果。乐池部分由于其标高较低，与上方送风位置高度相差较大，因而温度相较其它两区域要高，分布在23℃左右，但沿横向上其温度变化梯度较大。观众区上方空间，由于大量的回风难以通过回风口及时回风，所以积聚在中部空间区域，这样就造成了观众区上方空间的温度较低。
观众区纵向10.35m处为一组送风口中心，该位置采用吊顶下送风的送风方式，冷气流在密度与初始速度的共同作用下，射流流程较长，比较容易到达观众区进行降温。在气流下降的过程中，温度变化不大，保证了送风效果。
高度方向上7m位置处温度分布平面图（图2.8），该平面在观众区送风口下方。观众区前方由于与舞台区接触，温度相对较高达到了23℃，其它部分温度分布均在21℃。在高度方向上与送风口的出风温度（16.03℃）相比，有5℃左右的变化，变化相对较大。
图2.9 横向1.554m处速度矢量图 图2.10 纵向10.35m处速度矢量场
通过模拟发现，观众区对称面沿高度方向上，部分区域速度达到了1.2m/s，但由于其主要集中在8~10m的高度范围内，因而对观众是没有影响的。该平面上，观众所在高度范围内，风量稀疏，这与回风口距离对称面较远有关。二楼舞台下方形成了明显的涡流，该处布置有回风口，但由于二楼观众席在高度上的限制，压缩了回风区间，导致该回风口回风量不足。由观众区速度矢量场中可以看出，在送回风口处（图2.9）速度较大，观众区大部分位置风速均匀且速度大小在0.2m/s左右，符合夏季送风速度v<0.3m/s的规定。同时乐池部分由于其处在观众区最前方的位置且标高较低，上方送风口的高度受舞台灯光照明以及建筑耳光室的影响，位置较高，导致到达乐池部分的风量不足。
二楼观众区采用散流器送风，由于散流器送风范围广，且其在二楼上方的位置布置合理，因而在二楼观众部分的送风量分布均匀。但在某些区域，由于送风口和回风口在在同一平面上（图2.10），导致送风没有经过充分的发展，而直接进入了回风口。这样的布置使得某些区域送风速度较大，造成了观众的吹风感，同时没有经过充分热交换的送风气流直接进入回风口，造成了较大的能耗，不利于空调系统的节能。
3.剧场空调系统优化设计及研究
新的空调系统方案（方案二）仍参照方案一中的相关参数设置，室内负荷及送风量保持不变，室外环境参数与原数据保持一致。
3.1 舞台区空调系统方案
3.1.1 舞台送风方式
改变后的舞台送风采用上送下回的送风方式。送风口为VDL旋流送风口，整个舞台空间共布置16个VDL旋流送风口，回风口仍采用双层百叶回风口，位置及尺寸均与方案一中相同。
3.1.2 边界条件设置
边界条件的设置如下表：
表3-1 舞台区边界条件
图3.1 舞台送风方式
3.1.3空调系统夏季模拟结果分析
由模拟得到的温度分布图可以看出，舞台区采用吊顶送风的方式，送风口均匀布置（图3.2），温度变化梯度不大，整个舞台空间温度分布在20~25℃的温度范围内，相对于方案一中的送风方式，其温度分布更为均匀，对于保持整个舞台空间的温度适宜效果较好。演员活动区的温度主要为21℃，考虑到夏天演员在舞台上表演时散热量较大且整个剧场空间的照明基本上全部集中在舞台区，使得舞台区照明负荷较大，综合这两点考虑，21℃较为适宜。
图3.2 8m高处温度分布图 图3.3 舞台横向8.111m处温度分布图
同时在与方案一中相同的送风量和送风温度的条件下，温度降低较多，也达到了节能的目的。由于送风口的设计参照主舞台和侧舞台的尺寸及位置来进行布置，使整个舞台区域演员活动范围内温度分布均匀，没有“温度死角”的现象。送风口上部大空间范围内温度维持在26~27℃的范围内，整个舞台空间降温明显，相对于方案一中的空调系统设计，其节能效果较为明显。
从图3.4的气流组织矢量图中可以看出，舞台表面附近人员活动区域内风速的变化梯度不大，但某些位置处出现风速大于0.3m/s的情况，这可能是由于送风口高度过低，造成速度的衰减不够充分，从而产生了吹风感，这种情况可以通过位置高度的改变来得到调整。由于回风口的作用，在整个舞台的横向方向上，送回风气流形成了涡流，这样有利于通过回流吸热，且回流区相对方案一更大，更有利于降低舞台温度。
高度方向上在吊顶送风口下端，各送风口之间相互独立速度无影响，且风速在送风口中心位置处较为集中。横向空间的气流组织（图3.5）对舞台空间温度的影响较为明显，特别是在舞台表面附近，形成了涡流，有利于带走舞台表面的高温空气，对舞台表面起到了很好的降温作用。虽然采用了下送的送风方式，但由于送回风口的相对位置，使整个舞台表面的气流分布均匀，从而保证了舞台温度分布的均匀性。
图3.4 纵向10.451m处气流组织矢量图 图3.5 横向11.111m处气流组织矢量图
3.2 观众区新空调系统方案
3.2.1 观众区送风方式
方案二中送风采用侧送风的方式，保持初始的室内外设计参数不变。考虑到模拟的是夏季送风工况，且为大空间侧送风，故送风口上倾，倾角设置为8°。设计中，二楼舞台区采用双层百叶送风口，布置在一侧墙面同一高度处。一楼观众区采用VDL旋流送风口共17个，送风口分两层布置，标高相差2m且统一上倾，倾角8°。回风口仍采用双层百叶回风口，相对位置保持不变。
3.2.2 边界条件设置
相关边界条件设置如下
表3-2 观众区边界条件
图3.6 观众区送风方式二模型
3.2.3空调系统夏季模拟结果分析
从模拟得到的温度平面图可以看出，整个空间大部分区域温度在23℃，温度梯度变化不大。23℃的温度符合夏季观众区空调设计温度规范要求。相对于方案一中的吊顶送风，方案二中采用了侧送的送风方式，这样的送风使得在整个观众区大空间的范围内温度分布更加均匀，温度梯度小。
沿高度方向上的平面温度分布图（图3.7），下部送风口中心高度处，在送风口中心位置低温分布较为集中，但在气流下降的过程中，局部温度过低的现象明显降低，这样可以在整个气流下降的过程中，沿高度方向上实现各平面温度的均匀分布，保证了观众区的舒适感。
图3.7 6.5m高处温度分布 图3.8 纵向2m处温度分布
二楼采用的是双层百叶送风口进行侧送风（图3.8），在一定的倾角下，送风对观众区的温度影响较为明显，冷风到达了指定的区域，使观众区温度保持在23℃。中部回风口位置处，由于受回风的影响，其上部的送风射流长度相对较短，但也到达了指定送风区域，且在其影响下，空间温度在23℃，符合相关设计规定。离回风口较远的送风口射流到达的距离较远，可以达到降低温度及保持温度分布均匀的目的。特别是在送风口下部区域，使整个空间温度维持在23℃的范围内，保证了观众区的舒适性。
沿观众区横向，在送风中心处，速度在1.53~1.75m/s的范围内，观众区风速为0.2m/s小于0.3m/s，回风口附近由于回风量集中，风速较大，但仍低于0.3m/s，对于其附近的观众来说是无吹风感的。在6.5m（图3.9）高度处为上部送风口中心，由于此处的风速较大且集中，尤其是中部位置处受回风口影响较小，射流距离长，在其高度的前后位置处形成了一定的涡流，且整个涡流区分布较广，有力的降低了上部空间的温度。
图3.9 6.5m高度处速度分布 图3.10 纵向18.25m处速度分布
二楼观众区采用双层百叶送风口进行侧送风（图3.10），二楼区域虽无回风口，但形成了一定程度的涡流且速度适宜，有利于带走二楼观众区的热量。在中部回风口上方的侧送风，由于受回风位置的限制，其射程较短，但其形成的回流区卷吸效果明显。中前部回风口之间的侧送风受回风影响较小，射流距离较长，速度发展充分，在下部区域形成了一定的涡流，有利于带走一楼观众区及乐池部分的热量，同时上部送风口的一部分送风由于速度较大，气流上升，对于上部大空间也起到了一定的降温作用，维持了整个空间温度的稳定性。
4结论
本文以某800人剧场为研究对象，根据其内部空间结构特征，进行了分区空调系统的设计，并根据设计的空调系统送风方式，建立相应的物理模型，利用FLUENT软件对其空间气流组织形式进行了计算模拟。通过对模拟结果的温度场和速度场的分析，可以得出以下结论：
1、方案一中观众区空调系统送风过程中，在送风速度降低和回风口的共同作用下，到达目的区的送风量较少，正常送风被回风口提前吸收，造成了能量损失和一楼观众区温度分布不均匀。
2、观众区采用侧送风的方式，从其模拟的结果来看，这种送风方式使得整个大空间的温度分布更加均匀，保证了整个大空间区域温度的稳定性，一定程度上避免了温度梯度的影响，且其形成了明显的回流区，可以有效的卷吸观众区的热量达到更好的降温效果。
3、大空间空调系统的气流组织与其送风形式密切相关，合理的送回风口布置对空间温度场和速度场的影响效果明显。
4、分层空调系统应用于大空间建筑的空调系统设计，不仅可以降低设备的初投资及运行费用，其空间人员舒适性和节能效果也较为明显。
参考文献
[1] ]Fluent Online Help．Fluent Co．Ltd，USA，2001．
[2] 陆耀庆．实用供热空调设计设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993．
[3] 韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M] ．
北京：北京理工大学出版社．
[4] 孔珑．流体力学[M] ．北京：高等教育出版社．
[5] 杨世铭，陶文铨．传热学[M] ．北京：高等教育出版社．
[6] 陶文铨．数值传热学[M] ．北京：高等教育出版社．
[7] 周俊杰，徐国权，张华俊，FLUENT工程技术与实例分析[M] ．北京：中国水利水电出版社．
论文作者:闵智
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/22
标签：温度论文; 舞台论文; 观众论文; 空间论文; 回风论文; 气流论文; 送风口论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;