剧场空间转换空调系统的应用研究 之1：地上侧送风方式

摘要： 　　本研究针对剧场建筑空间的置换空调方式中两类典型的送风系统（侧送风和座椅送风），以实际工程项目为例，应用实测，实验室实验，CFD等手段进行了考证研究。本文作为第一部分，以侧送系统为对象，实施了大规模的实测，并与传统的混合式空调通风系统的结果相比较，考证了该空调系统方式的室内温度分布特征及通风换气效率的优越性。 关键词：置换空调，剧场，地上侧送风，实测，CFD

1． 研究背景 　　近年来，对节能，空气品质的认识的加强，使在北欧广为普及的置换空调（源于用置换通风：Displacement Ventilation。现已被广泛应用于民用空调，本文中称为置换空调）受到关注，并在日本的许多大型建筑物空间空调工程中得到应用。置换空调系统以其既保证了居住域的空气品质，又有效的利用了空间上下温度分布达到其节能目的特点向传统的混合稀式空调提出了挑战。 　　剧场的高大空间应该是最能发挥置换空调系统的长处的适用对象，而另一方面，对于人员密度大，具有阶梯坐席的剧场空间，置换空调方式的应用面临风口如何合理布置，热舒适性如何确保的问题。 　　为此，本研究旨在通过对剧场转换空调的各种送风方式的实测，实验，CFD模拟研究，积累设计数据，确立有效的设计手段和评价方法。 2． 置换空调方式的原理和特征 　　置换空调方式并非新发明的空调方式，其简单明了的原理在很早以前就被人们所认识过，但上升到工程技术和学术高度则是在1987年后北欧学者P.V.Nielsen1)，M.undt.Elisabeth2）等的研究后，自1990后北欧的空调末端设备厂商的产品技术也基本确立，Hakon Skistad3)氏从理论到实践作了系统的归纳整理。最近，针对置换空调方式的推广，美国新制定了置换空调设计指针4）。 　　对置换空调的理论研究，由于篇幅关系，笔者在此不作过多涉及，而是着重探讨置换空调在实际工程中的应用问题。 3． 剧场空间置换空调方式的实测研究 　　最近，在剧场大空间空调中采用置换空调方式的事例增多，但在观众席区域具有人员热负荷集中，地面有高差等特点，致使确保工作区域对热舒适性，温度分层等带来一定的不利因素。需在设计中有所考虑并有必要在实际工程中验证。 　　对于剧场观众席空间，置换空调的送风形式分为地面附近两侧送风和座席送风两大类。 　　地面附近侧送风方式其风口设置简单，但涉及到建筑内装饰协调问题，占用地面面积，需得建筑设计师的认同与配合。图2是一实施工程事例5）。一层观众席面积为600㎡。501个座席，二层两则60座席。 　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1置换空调系统的特征 　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 某K大厅置换空调系统 　　　　　 　　　　　　　　　　　 图3 实测测点平面布置 　　　　　　　　　　　　　图4 测试结果：座席中央断面温度分布 　　　　　　　　　 　　　　　　　图5 置换（DV）/混合（MIX）空调的温度分布 　　　　　　　图6 两空调方式的换气效率的比较 　　该建筑物主要用途为音乐会，集会等文化交流活动，室内空间高达15.7m，空间上部有大量照明热负荷，下部观众席呈密集人体热负荷形式。无论是采用顶送或是侧送的传统的混和稀释空调方式（Mixing），无疑难以满足合理，节能，舒适的要求。尤其是冬季送暖风时的气流组织往往难于处理好。对此，在得到建筑师认同后决定采用置换空调方式。鉴于该空间观众席的地面坡度不大，将风口均布在观众席的两侧及前后见。1997年夏对该系统的夏季工况下的室内温热环境，通风换气效率进行了实测验证。 　　表1 实测内容及测试仪器： 实测内容 测试设备 空气，壁面温度 温度自动记录仪AM7002E，TM5458 空气湿度 多点热球式风速仪FA491，FZ454 空气流速 Vaisala制HMP45A 舒适感评价指标PMV PMV制 携带型计测仪 AM101 换气效率（SF6示踪气体浓度分布） B&K制 示踪气体监测仪 1302 B&K制 多点示踪气体采样仪 1303 气流可视化试验 发烟装置 　　表2 测试条件 　 送风温度[℃] 排风温度[℃] 风量[m3/h] 投入热量[kw] 置换空调 21.7 30.8 26000 人体模拟30.6 照明46.0 完全混合空调 21.5 29.0 26000 测试用搅拌 风机6.4照明46.0

　4． 实测结果考察：
　　 ● 温热环境测试：
　　置换空调工况：在每个座席上采用了黑涂膜灯泡（出于对热辐射的考虑）作为人体显热负荷的模拟（60W/人），除建筑围护结构热负荷外共投入热量度76.6kw。送/回风温度控制在22/30℃，风量固定为26000m³/h。实际从送回风实测温差和风量出除热量为73.8kw。比投入热量少约5w/㎡.这种情形在置换空调系统的实验或实践中常碰到，笔者认为可能是室上部排风温度较高，一部分热量从屋顶散失掉所致，其机理还有待进一步研究。 混合空调工况：送回风温度，风量控制在与置换空调工况相同水平，结果投入热量为52.4kw(未投入模拟人体热负荷)，实测除热量为60.8kw，比投入热量多约14w/㎡，该结果与置换空调工况相反，很有可能是：与置换空调相比，室内全体要维持设计温度致使来自围护结构的传热负荷较大。（上记两种工况的室内投入热负荷中不含来自围护结构的传热负荷） 注：为模拟混合空调工况，在场内平面均匀配置搅拌风机，将置换空调系统的送入室内的空气混合搅拌。两工况送回风温度，风量近似相同。 综合上述情况可见，对在大空间的置换空调系统，其空调负荷计算除应区分空间上下负荷分布外，还有必要考虑由于空间上下温度分布对建筑围护结构传热负荷的影响。
　　● 通风换气效率测试：
　　换气效率的测定采用Step-down方法，根据示踪气体的浓度cp衰减曲线按下式计算出局部空气龄τp，然后求出局部空气交换效率εp
　　　　　　　　
　　　　　　　　
　　如此大规模的对湿热环境，换气效率的现场实测非常少见，该实测在大学，设计事务所，设备安装公司，置换空调设备厂商的共同配合下成功实施，积累了宝贵的测试数据资料，如图4～图6所示，有效的对置换空调系统的舒适性，高换气效率进行了实证。
　　● 上下温度分布：从测试数据和可视化实验确认了置换空调在空间内形成的上下温度分布，即温度分层。而温度分层正是置换空调系统高换气效率的必要条件。另一方面，在工作区域的上下温度差控制在1.5℃以内，满足了舒适性要求。
　　● 换气效率：从图6可知，置换空调时在工作区域可得到大大高于混合空调时得通风换气效率。
　　● 舒适性：上下温度差在容许范围内，且PMV值均在±0.5以内，除风口附近个别测点得风速超过0.3m/s外，其余均在0.25m/s以下。不会产生因气流引起得不舒适感。 从测试结果看，该项目的空调设计是很成功的，基本达到了原设计要求。该工程荣获了日本2000年度空调卫生工学会的技术振兴奖。

　　５.
　　1） Jacobsen, T.V. and P.V. Nielsen: Velocity and Temperature Distribution in Flow From an Inlet Device in Rooms with Displacement Ventilation, Pager presented at Roomvent 92,P.21
　　2） Mundt, Elisabeth: Convection Flows in Rooms with Temperature Gradients----Theory and Measurements., Pager presented at Roomvent 92,P.70
　　3） Hakon Skistad: Displacement Ventilation, ISBN 086380 1471
　　4） ASHREA Guideline: Displacement Ventilation Design Guideline, 1999
　　5） Shin-ichi TANABE, Toshio MURATA, Hongwei TAN etc.: FIELD STUDY ON THE VENTILATION EFFECTIVENESS AND HERMAL COMFORT IN A CONCERT HALL WITH DLSPLACEMENT VENTILATION SYSTEM, Paper presented at Roomvent 98