同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司 李晨玉 王 健 王 穎 曾 剛

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)、科技、文化的發(fā)展，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化、精神文明需求使得我國(guó)近年來(lái)劇場(chǎng)類(lèi)建筑迅速增多，而舞臺(tái)工藝這一專(zhuān)業(yè)也逐步進(jìn)入到了空調(diào)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)當(dāng)中[1]。舞臺(tái)是劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)與難點(diǎn)，而如何保障舞臺(tái)上的演員熱舒適性更是近年來(lái)亟待解決的問(wèn)題。以上海市某歌劇廳舞臺(tái)空間為例，設(shè)計(jì)了一種臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)，利用CFD數(shù)值模擬方法快速簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確有效、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，分析舞臺(tái)空間的熱舒適性并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 舞臺(tái)簡(jiǎn)介

某歌劇院項(xiàng)目位于上海市，歌劇廳舞臺(tái)為品字型鏡框式固定舞臺(tái)，由主舞臺(tái)、左右側(cè)舞臺(tái)和后舞臺(tái)組成。主舞臺(tái)寬28.00 m，進(jìn)深20.00 m，高27.73 m；左側(cè)舞臺(tái)寬20.00 m，進(jìn)深17.00～23.00 m，高14.00 m；右側(cè)舞臺(tái)寬20.00 m，進(jìn)深14.00～21.00 m，高14.00 m；后舞臺(tái)寬18.00 m，進(jìn)深17.00 m，高15.00 m。主舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)深11.10 m(自舞臺(tái)面算起)。歌劇廳舞臺(tái)平面圖如圖1所示。

圖1 歌劇廳舞臺(tái)平面圖

1.2 空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

歌劇廳舞臺(tái)采用定風(fēng)量一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，主舞臺(tái)向下30°側(cè)送風(fēng)，左右側(cè)舞臺(tái)頂送風(fēng)，回風(fēng)采用墻體底部側(cè)回風(fēng)的氣流組織形式。

為保證冬季舞臺(tái)地板溫度符合人體熱舒適性要求，設(shè)計(jì)一種臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)，在臺(tái)倉(cāng)內(nèi)緊貼臺(tái)倉(cāng)頂板送40 ℃熱風(fēng)，使舞臺(tái)地板溫度升高。

2 分析內(nèi)容與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 主要分析內(nèi)容

在夏季，由主舞臺(tái)側(cè)送、側(cè)舞臺(tái)上送的冷空氣自然下降，熱舒適性要求較容易得到滿(mǎn)足。而冬季，受熱氣流上升的影響，下部演員活動(dòng)區(qū)的溫度常得不到保障，這是近年來(lái)舞臺(tái)暖通設(shè)計(jì)中一直未解決的問(wèn)題。因此，僅對(duì)冬季工況進(jìn)行重點(diǎn)分析。

在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，模擬分析舞臺(tái)區(qū)的溫度和速度分布情況，對(duì)人員活動(dòng)區(qū)的舒適度進(jìn)行分析，并對(duì)比輻射對(duì)室內(nèi)舒適度的影響。

若人員活動(dòng)區(qū)溫度達(dá)不到要求，擬在主舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)內(nèi)設(shè)置一種加熱系統(tǒng)，即將熱空氣送入臺(tái)倉(cāng)，在演出前對(duì)舞臺(tái)地面進(jìn)行加熱，起到地暖的作用。因此，模擬共分為4個(gè)工況，見(jiàn)表1。

表1 各工況對(duì)比

各工況主要分析的內(nèi)容為：

1) 距舞臺(tái)地板1.5 m高度處室內(nèi)空氣的平均溫度；

2) 距舞臺(tái)地板1.5 m高度處室內(nèi)空氣的平均風(fēng)速；

3) 舞臺(tái)地板的平均溫度；

4) 歌劇廳舞臺(tái)室內(nèi)溫度的豎直分布情況。

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

JGJ 57—2016《劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》表10.2.3規(guī)定，歌劇廳舞臺(tái)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18～22 ℃，平均風(fēng)速為0.1～0.2 m/s[2]；《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施 暖通空調(diào)·動(dòng)力》(2009年版)表1.2.2和表5.4.2-1規(guī)定，歌劇廳舞臺(tái)冬季的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為16～20 ℃，室內(nèi)活動(dòng)區(qū)的允許氣流速度為0.2 m/s[3]。綜合上述2種室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定，擬將冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的范圍設(shè)定為16～22 ℃，氣流平均速度定為不大于0.2 m/s。

3 技術(shù)方法

使用軟件為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件STAR-CCM+。

3.1 建筑模型

由于歌劇廳舞臺(tái)的空調(diào)系統(tǒng)與觀(guān)眾廳分開(kāi)設(shè)置，且觀(guān)眾廳的氣流組織形式還需根據(jù)工藝要求進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)，故暫不考慮觀(guān)眾廳空調(diào)系統(tǒng)的影響。后舞臺(tái)主要為候場(chǎng)時(shí)使用，表演時(shí)會(huì)利用反聲板將其與主舞臺(tái)隔開(kāi)，因此模擬分析時(shí)僅考慮主舞臺(tái)及左右2個(gè)側(cè)舞臺(tái)。簡(jiǎn)化后建立的舞臺(tái)模型如圖2所示。

圖2 歌劇廳舞臺(tái)模型

3.2 邊界條件

歌劇廳舞臺(tái)的冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20 ℃，其周邊相鄰房間主要為樓梯間、耳光室、衛(wèi)生間和走廊等，其溫度按照值班溫度5 ℃考慮，室外環(huán)境溫度為上海市冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度-2.2 ℃[4]。主舞臺(tái)和側(cè)舞臺(tái)送風(fēng)溫度為25 ℃。

忽略人體散熱和燈光散熱，以最不利條件進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬分析的入口、出口邊界條件，壁面邊界條件的具體設(shè)置見(jiàn)表2和表3。

表2 入口、出口邊界條件

4 模擬結(jié)果分析

4.1 原設(shè)計(jì)方案

圖3顯示了原設(shè)計(jì)方案歌劇廳舞臺(tái)剖面溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)。

原設(shè)計(jì)方案不考慮輻射影響時(shí)，熱空氣從頂部送風(fēng)口向下送出，與冷空氣混合使舞臺(tái)室內(nèi)溫度升高，由于熱空氣向上升，室內(nèi)出現(xiàn)了上熱下冷的現(xiàn)象。舞臺(tái)地板附近溫度僅為9.2 ℃，溫度過(guò)低，人員于舞臺(tái)上活動(dòng)時(shí)的舒適性差。但1.5 m高度處人員活動(dòng)區(qū)基本符合冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度要求，平均溫度為20.8 ℃，比冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20.0 ℃高0.8 ℃；1.5 m高度處的平均風(fēng)速為0.19 m/s，在冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)平均速度范圍內(nèi)。

表3 壁面邊界條件

注：工況1不考慮輻射影響，工況2考慮輻射影響。

以工況1模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，考慮輻射影響，將舞臺(tái)地板的平均溫度設(shè)為9.2 ℃進(jìn)行模擬。歌劇廳舞臺(tái)1.5 m高度處的平均溫度為19.2 ℃，較工況1降低了1.6 ℃，但仍在冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)；1.5 m高度處的平均風(fēng)速為0.19 m/s，無(wú)變化。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖4顯示了優(yōu)化方案歌劇廳舞臺(tái)剖面溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)。

注：工況3不考慮輻射影響，工況4考慮輻射影響。

為提高舞臺(tái)地板溫度，使人員于舞臺(tái)上活動(dòng)時(shí)的舒適性較好，增加臺(tái)倉(cāng)送風(fēng)加熱系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算分析，系統(tǒng)為維持舞臺(tái)地板溫度所需總送風(fēng)量為10 800 m3/h，送風(fēng)溫度為40 ℃，送風(fēng)速度為3 m/s。

熱空氣從頂部送風(fēng)口向下送出，與冷空氣混合使舞臺(tái)室內(nèi)溫度升高。由于熱空氣向上升，室內(nèi)出現(xiàn)了上熱下冷的現(xiàn)象，但有臺(tái)倉(cāng)內(nèi)加熱系統(tǒng)的熱空氣對(duì)舞臺(tái)底部進(jìn)行加熱，舞臺(tái)內(nèi)溫度豎直分布變得較為均勻，底部與頂部溫差大大減小。主舞臺(tái)地板的平均溫度為24.5 ℃，對(duì)比無(wú)臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)升高了15.3 ℃，人員于舞臺(tái)上活動(dòng)時(shí)的舒適性非常好。舞臺(tái)1.5 m高度處的平均溫度有所升高，為21.1 ℃，比冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20.0 ℃高1.1 ℃；1.5 m高度處的平均風(fēng)速為0.20 m/s，仍在冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)氣流平均速度范圍內(nèi)。

以工況3模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，考慮輻射影響，將舞臺(tái)地板的平均溫度設(shè)為24.5 ℃進(jìn)行模擬。歌劇廳舞臺(tái)1.5 m高度處的平均溫度為21.0 ℃，較工況1僅降低了0.1 ℃；1.5 m高度處的平均風(fēng)速為0.17 m/s，降低了0.03 m/s。

臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)增加的總熱負(fù)荷約為31.4 kW，在提高舞臺(tái)地板熱舒適性的同時(shí)，臺(tái)倉(cāng)內(nèi)的溫度也大大升高，頂部溫度更是達(dá)到33 ℃以上，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化方案舞臺(tái)臺(tái)倉(cāng)剖面溫度云圖

4.3 預(yù)熱時(shí)間

臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)對(duì)改善舞臺(tái)地板熱舒適性效果明顯，采用非穩(wěn)態(tài)方法分析該加熱系統(tǒng)的最佳預(yù)熱時(shí)間，模擬時(shí)長(zhǎng)為2 h，計(jì)算步頻為5 s-1。圖6顯示了臺(tái)倉(cāng)頂板平均溫度變化曲線(xiàn)。由圖6可知，模擬運(yùn)行到第20 000步，即約1 h時(shí)，臺(tái)倉(cāng)頂板(舞臺(tái)地板)平均溫度基本達(dá)到如圖7所示的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 臺(tái)倉(cāng)頂板平均溫度變化曲線(xiàn)

圖7 歌劇廳舞臺(tái)地板溫度分布云圖

5 結(jié)論

演出人員在舞臺(tái)上進(jìn)行表演時(shí)，對(duì)舞臺(tái)空間的熱舒適性要求較高，特別是冬季赤腳表演時(shí)，這一直是舞臺(tái)暖通設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。結(jié)合上海市某歌劇廳舞臺(tái)案例，提出了一種臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)并驗(yàn)證了其有效性，為這一重難點(diǎn)問(wèn)題提供了一種解決思路，主要得到以下結(jié)論：

1) 歌劇廳舞臺(tái)僅采用原定風(fēng)量一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)時(shí)，舞臺(tái)1.5 m高度處平均溫度約為19～21 ℃，平均風(fēng)速均小于0.2 m/s，基本能夠滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)要求。但舞臺(tái)地板表面溫度較低，僅有約9 ℃，人員活動(dòng)區(qū)的舒適度并不高。

2) 考慮輻射影響后，舞臺(tái)空間整體溫度較未考慮輻射時(shí)更加均勻并有所降低，對(duì)風(fēng)速影響較小。

3) 設(shè)計(jì)一種臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)，在臺(tái)倉(cāng)內(nèi)緊貼臺(tái)倉(cāng)頂板送40 ℃熱風(fēng)，能使歌劇廳舞臺(tái)地板的平均溫度大大升高，足以達(dá)到24.5 ℃，且舞臺(tái)內(nèi)溫度豎直分布變得較為均勻，改善了室內(nèi)上熱下冷現(xiàn)象，更加符合人體熱舒適性要求。

4) 臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行約1 h后，舞臺(tái)地板平均溫度基本達(dá)到穩(wěn)定。因此，僅需在演出前提前1 h開(kāi)啟該加熱系統(tǒng)，就能保證演出人員的熱舒適性。

5) 臺(tái)倉(cāng)加熱系統(tǒng)會(huì)造成其內(nèi)部溫度過(guò)高，在實(shí)際設(shè)計(jì)使用該系統(tǒng)時(shí)，需考慮其對(duì)臺(tái)倉(cāng)內(nèi)部工作活動(dòng)、機(jī)械系統(tǒng)等的影響。