影剧院建筑内置换通风方式的优化设计

影剧院建筑内置换通风方式的优化设计

20 0 6年 3月

重庆大学学报 (然科学版)自Ju a f hn qn nvr t( cuc c neE io ) o r l o g i U i s y N trl i c dt n n oC g ei t tS e i

Ma .2 o r o6 V0 . 9 No 3 12 .

第2 9卷第 3期

文章编号：00— 8 X(06)3— 0 8—0 10 52 20 0 04 3

影剧院建筑内置换通风方式的优化设计赵渊，胜利，李军唐周(重庆大学动力工程学院，重庆 40 3 ) 0 0 0

摘要：为了更好地研究置换通风方式在影剧院建筑内的应用，采用 C D方法， F对影剧院内采用地面附近侧送风形式的置换通风进行了数值模拟.计算结果显示，F C D技术能够较好地应用在影剧院建筑内置换通风方式的优化设计方面，并能够得出比较合理的设计参数.在原有设计的基础上，通过合理地调整风 1位置及送风参数获得了较好的通风效果. C D技术引入到对影剧院建筑内空调系统气流： 2把 F组织方案的设计中，有利于地面附近侧送风方式的应用，也有助于节能措施的推广与实施. 关键词：院；通风；面附近侧送风； F 影剧置换地 CD中图分类号：P9 T31文献标识码： A近年来，置换通风 ( i l e n etao ) Ds a met nitn在我而经济的方法， pc V li可对室内空气气流分布情况进行较为国日益受到设计人员和业主的关注….置换通风是将精确的数值模拟和预测，从而得到房间内速度、温度、 稍低于室温的新鲜空气经送风装置以低速直接送入工湿度以及有害物浓度等物理量-详细分布情况，的为设作区，送风速度一般在 02/左右，风的动量很计部门提供较为完整的技术依据. .5m s送室内的空气流动和而且要考虑到浮升力的影低以致对室内主导气流无任何实际的影响.凉爽的新传热通常是三维湍流问题，鲜空气很快扩散到整个室内地面并形成空气湖.热源响.笔者采用的是数值模拟结果与实验数据较吻合的 引起的热对流气流使室内产生垂直的温度梯度.它是零方程湍流模型： 假设空气为不可压缩气体透明介质，不参与辐射， 以空气的密度差和小量的机械力为动力，使新鲜空气 osns i空气流动为稳态紊流.采用随对流气流向室内上部流动形成热羽流.整个流场分密度符合 Bus eq假设，为 2个区域：

上区空气污浊，温度高；下区空气清新，温的紊流涡粘度经验关联式为： 度低.这种通风方式与传统的混合通风方式相比较，可 l=0 0 3 V, .4 p l () 1使室内工作区有较高的空气品质、热舒适性和通风效式中： p为空气密度，gm; K/ V为速度， sZ m/;为到最近率，具有潜在的节能优势 J . 的固体表面的距离， m.影剧院类建筑通常具有面积大、顶棚高、人员集中 稳态气体流动与传热的通用控制方程可表示为： F等特点，考虑到节能以及舒适性的要求，置换通风方式 (uF ( F )+s, pi )= G, () 2在影剧院建筑中得到了较为广泛的应用.影剧院内的 oj x o 5 oj x H表示三维方向上的速度，/;分别为 12 3 m s_『,,;置换通风通常采用座椅送风的形式，但是采用这种方其中：,式因为风口太多，增加了成本，并且带来了施工和维护 P为空气的密度，gm G K/;,为扩散系数；,为源项， S随的难度.地面附近侧送风形式的置换通风可以解决座着 F在不同的方程中选取不同的物理量而改变 J . 椅送风的缺点，但是由于影剧院普遍存在一定的坡度， 12物理模型 .很难保证设计的温度梯度. ’ 模拟中采用的影剧院模型尺寸为 8m× × 6m 3m笔者采用 C D方法， F研究如何在影剧院内采用地 (×宽× )该模型主要模拟夏季设计工况下影剧长高，面附近侧送风形式的置换通风来组织气流，并通过合院建筑的观众厅.如图 l所示，房问从后往前数有 3级理地调整风口位置及送风参数保证温度分布. 台阶，与房间等宽，长度为 15m一级， .高度依次减少 02m, .直至与地面持平.连地面在内共有 4排座位，每 1模型的建立排坐 4个人，每个人身高为 17散热量为 18W, .2m, 0 11数学模型 .散湿量为 6/, 1gh衣服热阻为 lcl . 0屋顶有 6盏灯， J C D方法是研究空调中空气动力学问题的有效每盏灯为 20W, F 0文中研究的是最恶劣的空调情况，因收稿日期：0 5—1 2 20 1— 0

作者简介： (9 1,,赵渊 18一)男江苏金湖人，重庆大学硕士研究生，主要从事 C D在暖通空调设计中的应用研究. F

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第 2第3期 9卷

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此在计算中考虑了灯的负荷维护结构外部温度与环境温度约为 2, 3头部温度在 2 2 7— 8℃附近，后面 3排温度相同为 3 0℃,主要热源为室内热源.送风通过房观众的温度梯度也大致在 3~4℃/但是由于台阶 m,间下部的大小为 15m× . . 0 6m的矩形送风口送入，送高度以及送风口距离的影响，均温度普遍超过平风温度为 l. 85℃,送风速度为 0 2/ . .5m s回风口的尺 2 5℃,并且温度梯度普遍超出了 B N I 7019 SE O73 5 S 9寸为 lm×1m,于房间顶棚的正中央. 位模拟采用所规定的温差应在 3 O℃以内的范围， .因此设计不能 FU N L E T软件 . 达到预期的设计目标.1目■m IC

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图 3房间中轴面等温线分布

图 1物理模型

2结果分析从图 2中可以清楚地看到，冷空气通过送风口进来的时候，送风速度为 O 2/, .5m s速度沿轴反方向， 在达到第 1排观众的过程中，与上面涡旋返回的气流混合，速度增强，方向发生少许改变，出现沿 l,轴负方向的速度增量.到达人体后，一部分气流因为人体散热形成的热对流的缘故， l轴正方向向上扩散，沿，在人体周围形成热烟羽，速度大约为 0 0 . 3—0 0/左 .7m s右；另一部分气流在惯性的作用下，继续向后面的观众扩散，到人体后，成热烟羽，度仍在 0 0 达形速 . 3— 00/附近. .7m s最后大部分空气都通过设在顶棚正中央的回风口排出室外，出口处，在速度达到最大，约为 03/, . s少量空气在顶棚附近产生回旋， m与新风混合. 在图中可以明显地看到一个速度分界面，高度大概在 20— . m之间. . 26 这个热力分层情况的具体原因，可参看文献[]通过分析可以看出， 6.速度分布为典型的置换通风方式，且速度场的分布情况比较符合设计的要求，人体不会感到吹风感.

为了保证设计的效果，对送风口进行如下调整：将原来风口的送风速度调整为 0 3m s同时在对应的 ./,墙上重新开设一个风口，大小为 2m× . I位于正 0 21, T中问.因为考虑到这个送风口距离观众比较近，因此风速设定比较低 ( 0 2m s .为 .

/ ) 经过重新计算后，速度矢量分布如图4所示.因为送风口风速的调整， l观众和最后一排观众脚下第排的风速有所增加，以第 1排脚下风速最高，为尤约 02/, .3r s很快在膝盖附近， n速度衰减至 0 1m s人 ./ .体周围膝盖以上部位，气流均表现为热烟羽.气流速度最高的地方仍为排风口，风速最高可达 0 4/. .5m s热力分界面较以前有所下降，幅度约在 0 1—0 2m之 . .间.房间内涡旋气流减少，这有助于室内空气质量的提高 .

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圈 4房间中轴面速度矢量分布

经过调整后，房间的温度场也发生了一定的变化. 如图 5所示，在热力分界面附近温度基本上维持在 2 5℃左右，越向下温度越低，温度梯度也越大.整个室内温度场分布比较均匀，排风温度较高，约为 2 8℃. 图 6图 7显示的分别是水平高度在 0 1 0 7m的、 . . m、温度分布图，从图中可以看出，空气离开风口以后，向圈 2房间中轴面速度矢量分布在高度为0 1m处， .从风口出来的新鲜图 3为中轴面上的温度分布图.图中可以看出周围均匀扩散，从温度升高至 2 1℃;在高度为送风口附近的温度梯度最大，后面逐渐缩小.在房间上空气扩散到观众附近时， .最后一排观众附近的温度约为 2 O一2 1℃. 部也明显出现了温度的分层现象，温度梯度的变化非 0 7m处，在人体坐下后常小. 1第排观众的温度梯度大致在 4— 5℃/脚部从对整个纵切面上的温度分布来分析， m,

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的0 1 11m这个范围内， .~. 温度梯度约为 25— . 4℃/ m,略高于规范要求的范围，较高的温度梯度均出现在靠近送风口的观众附近，而对大部分的中间观众影响较小，他们附近的温度梯度集中在 2 5 3℃/能满足 .~ m,规范的要求. M P V以及空气龄的计算结果如图 8图 9、 所示.整个房间内 P V的分布， M基本上在一 . 0 3 0 4~ .之间，大部分人都感觉舒适. MV较高的部分出现在 P顶棚附近靠近光源的地方，那是由于光源的热效应，导致温度高于设计温度，响了 P影 MV值；较低的部分出现在送风口附近，因为靠近送风口，速度较高，温度较低，M P V值比

较低，大概约为一 .,影响的区域 O 7但是甚小.根据图9对空气龄场的分析来看，内的空气质室量也比较不错，平均空气滞留室内的时间约为 30s 2 左右，在人体呼吸区域附近，空气龄还略低于平均时间.空气龄最差的部位出现在房间前部靠近顶棚的地方，因为有空气涡旋的存在，空气流通比较困难，因此空气龄比较高，约为 50s 5 .

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图 8房问中轴面 P V分布 M

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图 9房间中轴面空气龄分布

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图 5房间中轴面等温线分布

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图 6房间水平面 0 1m处温度场分布 .1 _ hC

1 )置换通风在房间内产生热力分层现象，下部低温空气层为人的停留区，可以为人员提供良好的空气品质；上部为热空气层，余热主要集中在这个区域，温度较高. 2 )地面附近侧送风的置换通风方式，也可以应用在具有阶梯或者坡度的影剧院建筑内，合理地设置送、 回风口的位置以及送风的参数就能获得较好的空调效果.采用这样的方式，比座椅送风来说，相能够节省大笔的投资以及维护费用.特别是一些老的影剧院的空调改造，能收到尤其明显的效果. 3 )采用这种方式，空气质量明显高于混合送风， 越向下空气质量越高. 笔者仅仅是运用 C D工具对影剧院空调系统采 F用地面侧送风方式的设计效果进行了初步的分析，需要进一步解决的主要要问题是：在中间区域比较大的情况下，如何合理调整送风速度；如何通过改变送风口 的位置或者增加送风口数，来减少涡旋，进一步提高室内空气质量.另外，在大量计算的基础上，总结出简单快速的初算公式，将更加有利于侧送风方式的实际应用.参考文献：[]赵志超，自强. 1史置换通风的数值仿真研究及其评价[] J. 制冷与空调，o 44 1:1 4 2 o,( )5—5 . []李强民.良平.设计原理及运行工况特性分析置换 2饶从通风的节能[]制冷空调与电力机械， O 4 2 2: J. 2 o,5( )1—1 1 3.

圉 7房间水平面 0 7m处温度场分布 .

[]谭洪卫.剧场空间置换空调系统的应用研究之一——

3地上侧送风方式[] J .暖通空调，0 3 3 ( ) 2—2 . 2 0,3 3:1 4 []陶文铨. 4数值传热学[ .: M]西安西安交通大学出版社， 8. 16 9 []李惠风， 5王鸿章 .影剧院空调设计[ .北京： M]中国建筑工业出版社，9 5 19 .[]李强民. 6置换通风原理、和应用[]暖通空调，O0设计 J. 2o, 3 ( )4 4 . O 5:1— 7 (下转第 12页 ) 0

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20 06生

A r fM e h d o t t pa e S a c n M e h n c lTr n l to So to t o fS a e S c e r h i c a ia a sa in

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Ke r s me h nc lt s t n;h eac ia ne ie c e rh; co e— o l n t to y wo d: c a ia a l i r n ao irrhc litlg n e s ac lsd l p ei ae me d;c mb n t n o o mi h o iai f o

cr l e bet o e tdojcs a(编辑张小强)

(上接第 5 O页)

Op i ii g De i n o s l c m e tVe tlto n Ci e a tm zn sg fDip a e n n i in i n m a

Z A u n T N h n—, H U Ljn H O Y a, A G S e g l Z O iu i -( oeeo o e nier g hnqn nvri, hnq g 00 0 h a C lg f wrE g ei,CogigU ie t C ogi 03,C i ) P n n sy n4 nAb t a t n od rt e e r h t e d s lc me t ar c n i o i g i i e .te wr e i lt s t e d s l c me ta r sr c:I r e o r s a c i a e n i o d t n n n cn ma h i r smu ae h i a e n i h p i t p c n i o i g s s m i lldf s ri i e i h F o d t n n y t w t wa i u e n c n ma w t t e C D.Ac o d n o t e r s l o e c mp t g i e h h c r ig t h e ut ft o u i,we c n h n a f d n i

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n n e o rn u t d—pa e n i c n i o ig ss m t al iu e n xe d te svn n ryme o sb sn e C D c n lg lc me tar o dt nn y t wi w l df sra d e tn a ige eg t d y u igt F t h oo y i e h h h h ei e in n e arc n i o y t m n cn ma n d sg i g t i o d t n s se i i e . h i

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陈移峰 )

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